張彥玲， 葛 威， 侯忠明， 張德瑩

(1．石家莊鐵道大學(xué) 土木工程分院，河北 石家莊 050043;2． 石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室，河北 石家莊 050043;3．北京交通大學(xué) 土建學(xué)院，北京 100044)

0 引言

鋼-混凝土組合梁橋具有承載力大、高跨比小、節(jié)省材料、施工方便等優(yōu)點，在中等跨度橋梁中得到了廣泛采用。目前對于鋼-混凝土組合梁橋，對其豎向荷載作用下的抗彎性能已進(jìn)行了較為細(xì)致的研究［1-4］，但是當(dāng)組合梁應(yīng)用于立交線路中時，由于線形的需要，經(jīng)常設(shè)計為平曲線，此時由于梁軸本身的曲率效應(yīng)，以及車輛荷載的偏心，都會在梁體中產(chǎn)生彎扭耦合效應(yīng)。但目前在我國乃至其它各國規(guī)范中，都尚未給出能準(zhǔn)確預(yù)測曲線組合梁力學(xué)性能的計算方法。

關(guān)于曲線組合梁受力性能的最早的試驗研究是1973 年Colville［5］所做的四片簡支曲線組合梁，試驗中給出了曲線組合梁栓釘?shù)暮喕O(shè)計方法。1999 年Thevendran et al［6-7］對5 片不同曲率的簡支曲線組合梁進(jìn)行了模型試驗和非線性分析，發(fā)現(xiàn)曲線組合梁的承載能力隨跨度與彎曲半徑的比值的增大而減小。2008 年聶建國 等［8］進(jìn)行了9 根鋼-混凝土組合箱梁的扭轉(zhuǎn)試驗，建立了適于分析鋼-混凝土組合箱梁復(fù)合彎扭強度的三維桁架模型。2009 年Tan et al［9-10］分別對6 片偏心加載的簡支直線組合梁和8 片簡支曲線組合梁進(jìn)行了試驗研究，給出了簡支曲線組合梁的彎扭相關(guān)關(guān)系曲線。

以上研究主要集中在鋼-混凝土組合工字型梁的研究上，在確定鋼-混凝土組合箱梁彎扭相關(guān)關(guān)系時試驗數(shù)據(jù)還比較缺乏。針對在鋼-混凝土組合梁橋中應(yīng)用比較廣泛的箱型截面組合梁，通過彎扭聯(lián)合作用下的靜載模型試驗，對其彎扭特性進(jìn)行了試驗研究。

1 試驗設(shè)計及加載方案

1．1 試驗內(nèi)容

試驗以鋼-混凝土組合箱梁為研究對象，設(shè)計參數(shù)為初始扭彎比(初始扭矩與彎矩的比值)及栓釘剪力連接度，試驗內(nèi)容包括:(1)組合箱梁的破壞形態(tài)、極限承載力及破壞階段的彎扭相關(guān)關(guān)系研究;(2)抗彎剛度和抗扭剛度研究;(3)不同荷載水平下截面應(yīng)變沿截面高度和寬度方向的分布規(guī)律研究;(4)鋼梁與混凝土板之間沿梁軸的縱向相對滑移和垂直于梁軸的橫向相對滑移的規(guī)律研究。

1．2 試驗設(shè)計與制作

根據(jù)不同的剪力連接度及初始扭彎比，共設(shè)計了6 片長度為4．5 m，計算跨徑為4．2 m 的鋼-混凝土簡支組合梁，其中3 片為完全連接組合梁，3 片為剪力連接度為60%的部分連接組合梁。6 片組合梁截面尺寸相同(見圖1)，鋼梁均采用Q235 鋼，混凝土均采用C30，混凝土板內(nèi)鋼筋均采用HRB235，其中縱筋為6．5@130mm，箍筋為6．5@110 mm，栓釘為13 ×50 mm。完全連接的組合梁FCB、FCB1 和FCB2 梁在剪跨區(qū)內(nèi)栓釘間距為120 mm，跨中區(qū)域為140 mm;部分連接的組合梁PCB、PCB1 和PCB2 梁栓釘沿軸向均勻布置，間距為210 mm，見圖1。

圖1 組合梁布置圖(單位:mm)

1．3 試驗裝置及加載方案

試驗加載分為中心對稱兩點加載(FCB 梁、PCB 梁)、斜對稱兩點加載1(FCB1 梁、PCB1 梁:偏心位置距梁縱向軸心垂直距離為135 mm)和斜對稱兩點加載2(FCB2 梁、PCB2 梁:偏心位置距梁縱向軸心垂直距離為270 mm)三種工況，如圖2 所示。對6 片試驗梁進(jìn)行分級連續(xù)加載，荷載等級為10 kN。

圖2 試驗加載示意圖

2 試驗過程和結(jié)果分析

2．1 破壞過程及受力特性

對6 片試驗梁進(jìn)行分級連續(xù)加載至破壞，得到各梁一側(cè)加載點的彎矩-曲率曲線和彈性扭矩-扭率曲線分別見圖3 和圖4。

圖3 彎矩-曲率曲線圖

圖4 彈性扭矩-扭率圖

由圖3 可知，6 片試驗梁在彈性階段的受力特征差別不大，剪力連接度和初始扭矩的大小并未明顯影響試驗梁在加載初期的抗彎剛度，但在進(jìn)入彈塑性階段之后，各片梁在極限承載力和延性方面表現(xiàn)出較大的差異?？傮w來說，完全連接的三片試驗梁，無論其扭彎比大小，其極限承載力和延性性能均明顯優(yōu)于部分連接的三片試驗梁，其中完全連接的純彎梁FCB 在整個加載過程中的受力特征發(fā)展最完善，屈服點明顯，破壞之前變形大，有充分的延性發(fā)展;扭彎比最大的部分連接試驗梁PCB2，其極限承載力和延性性能均最低，在鋼材及混凝土應(yīng)變均未達(dá)到屈服的情況下，已由于栓釘?shù)拇蟛糠旨魯喽霈F(xiàn)了連接滑移破壞，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。但扭矩的存在對于組合梁極限承載力和極限彎矩的影響并不明顯。

從圖4 可以看出，在彈性階段，初始扭彎比和抗剪連接度的大小對組合梁的扭轉(zhuǎn)特性都產(chǎn)生了一定的影響。對于抗剪連接度相同的試驗梁(FCB1 梁和FCB2 梁、PCB1 梁和PCB2 梁)，扭彎比大的試驗梁其抗扭剛度較扭彎比小的試驗梁小;對于扭彎比相同的組合梁(FCB1 梁和PCB1 梁、FCB2 梁和PCB2 梁)，由于栓釘不能有效地約束混凝土板和鋼箱梁之間的連接以抵抗扭轉(zhuǎn)變形，因此部分連接的組合梁其抗扭剛度明顯小于完全連接的組合梁。

2．2 應(yīng)變測試結(jié)果

(1)縱向應(yīng)變沿截面豎向的分布規(guī)律。各試驗梁跨中截面縱向應(yīng)變沿豎向的分布規(guī)律見圖5。由圖5 可知，對于完全連接的組合梁，鋼梁與混凝土之間的結(jié)合面滑移量較小，在0．8Pu 之前，跨中截面的縱向應(yīng)變沿截面高度方向均近似保持為直線分布，基本符合平截面假定。部分連接的組合梁由于栓釘較少，不能有效地抵抗鋼梁與混凝土板之間的相對滑移，豎向應(yīng)變在結(jié)合面處有很長的一個水平臺階，且隨荷載增加滑移量逐漸增大。但在0．8Pu 之前，臺階上下混凝土板和鋼梁仍各自保持近似直線分布。

美國科技界認(rèn)為會聚已經(jīng)成為推動生物科技革命的戰(zhàn)略思想和方法，代表了未來科研發(fā)展的新方向。理論界不僅分析了會聚項目的前沿性、社會性，也探討了新型科研組織形式以及會聚研究發(fā)展可能帶來的社會影響。這既是對科技潛在前沿的探索，也是對科技自身發(fā)展方式的思考，體現(xiàn)了美國科技界居安思危、進(jìn)一步求新求變、先發(fā)制人的戰(zhàn)略思維。

圖5 跨中截面豎向應(yīng)變

(2)主應(yīng)變隨荷載的變化規(guī)律。各試驗梁跨中截面的主應(yīng)變隨荷載的變化規(guī)律如圖6 所示，由于各試驗梁均非純扭構(gòu)件，跨中截面都在彎矩或彎扭聯(lián)合作用下，故混凝土板的主拉應(yīng)變和主壓應(yīng)變并不對稱，而是混凝土板均以主壓應(yīng)變?yōu)橹?。完全連接的FCB 梁、FCB1 梁和FCB2 梁混凝土板在跨中截面主壓應(yīng)變的發(fā)展都比較充分，在破壞時都接近了混凝土的極限壓應(yīng)變。部分連接的試驗梁其跨中截面混凝土板規(guī)律與完全連接的試驗梁相同，只是在破壞時最大主應(yīng)變都比完全連接的組合梁小，這是由于出現(xiàn)了連接滑移破壞，使最終材料強度的發(fā)展不充分。

圖6 試驗梁跨中截面主應(yīng)變

2．3 滑移測試結(jié)果

2．3．1 沿梁軸的縱向滑移

6 片試驗梁梁端縱向滑移隨荷載的變化曲線如圖7 所示。

圖7 荷載-滑移曲線圖

由圖7 可知，完全連接的3 片試驗梁FCB 梁、FCB1 梁和FCB2 梁其界面抗剪滑移剛度和破壞時梁端的最大滑移量均明顯大于部分連接的PCB 梁、PCB1 梁和PCB2 梁;當(dāng)抗剪連接度相同時，隨初始扭彎比的增大，破壞時梁端的最大滑移量未表現(xiàn)出確定性規(guī)律，但滑移剛度則隨初始扭彎比的增大有所減小。

各試驗梁滑移變形沿梁軸縱向的變化規(guī)律見圖8，各圖中滑移的4 個測點沿梁軸分別在南側(cè)腹板的梁端位置、距梁端L/6 位置、加載點位置(距梁端L/3 處)和跨中位置。

由圖8 可以看出，各試驗梁的滑移量隨荷載的增加逐漸增大，但滑移變形沿梁軸的分布規(guī)律均基本相同，在跨中至加載點之間的純彎段內(nèi)，由于剪力為0，故滑移很小;在加載點至梁端的彎剪段內(nèi)，滑移量較大。由于剪力在該區(qū)域內(nèi)均勻分布，故各測點滑移量基本相同，但略有差別，最大滑移量并未出現(xiàn)在梁端，而是出現(xiàn)在距梁端L/6 位置處的測點上，且6 片試驗梁均表現(xiàn)出相同的規(guī)律。說明鋼-混凝土簡支組合梁的界面滑移規(guī)律完全遵循其截面豎向剪力沿梁軸的分布規(guī)律。

2．3．2 垂直于梁軸的橫向滑移

對彎剪扭聯(lián)合作用下的FCB1 梁、FCB2 梁、PCB1 梁和PCB2 梁，在縱向滑移的各相應(yīng)測點布置了百分表，測試該位置鋼梁與混凝土界面的橫向滑移量。加載點位置界面橫向滑移隨荷載變化規(guī)律見圖9。

圖8 縱向滑移圖

由圖9 可以看出，加載點處組合梁界面上除縱向滑移外，還存在橫向滑移，且隨荷載的增大而增大。與縱向滑移相同，在加載初期，也表現(xiàn)出一定的彈性性能，隨后曲線變得彎曲，進(jìn)入彈塑性階段，最后曲線出現(xiàn)緩平段，進(jìn)入破壞階段。橫向滑移的大小將會對組合梁的抗扭剛度和承載力，以及在動力荷載作用下的橫向振動特性產(chǎn)生影響。但由圖9 還可以看出，由于各試驗梁的最大橫向滑移量還包括彎曲變形時橫向泊松比的影響，故其隨扭彎比的變化沒有明顯的規(guī)律;另外，剪力連接度對各試驗梁的界面最大橫向滑移也產(chǎn)生了一定的影響，剪力連接度小的試驗梁橫向滑移明顯偏大。

各試驗梁橫向滑移變形沿梁軸縱向的變化規(guī)律見圖10。由圖10可知，在反對稱的扭矩作用下，橫向滑移沿梁軸的分布規(guī)律與縱向滑移差別很大。由于跨中截面位于反對稱扭轉(zhuǎn)變形的反彎點，而支座截面的滾軸支座也提高了抗扭約束，故這兩處截面基本不發(fā)生扭轉(zhuǎn)，橫向滑移基本為0;在加載點位置，截面扭轉(zhuǎn)角最大，橫向滑移也出現(xiàn)最大值。說明鋼梁與混凝土板結(jié)合面上的橫向滑移量與扭矩作用下截面的扭轉(zhuǎn)角存在一定的比例關(guān)系，但由于材料泊松比和測試誤差的影響，這一結(jié)論尚需更多的試驗結(jié)果支持。

圖9 荷載-橫向滑移曲線

圖10 橫向滑移圖

3 結(jié)論

以鋼-混凝土簡支組合箱梁為研究對象，以初始扭彎比和剪力連接度為試驗參數(shù)，對6 根試驗梁進(jìn)行了彎扭聯(lián)合作用下的模型試驗，重點研究彎扭聯(lián)合作用下組合箱梁的彎扭受力特性，主要結(jié)論如下:

(1)完全連接的3 片試驗梁，無論其扭彎比大小，其極限承載力和延性性能均明顯優(yōu)于部分連接的3片試驗梁，表現(xiàn)為受彎破壞或彎扭破壞特征，而部分連接的試驗梁則基本都表現(xiàn)為滑移破壞特征;扭矩的存在對組合箱梁極限承載力和極限彎矩的影響不大;在彈性階段，連接度相同時，初始扭彎比大的試驗梁抗扭剛度偏小;扭彎比相同時，部分連接的組合梁其抗扭剛度明顯小于完全連接的組合梁。

(2)完全連接的組合梁界面相對滑移量較小，部分連接的試驗梁沿截面高度的縱向應(yīng)變圖上則普遍在界面位置存在水平臺階，且隨荷載增加滑移量逐漸增大;在彎扭聯(lián)合作用下，混凝土板與鋼梁的主拉應(yīng)變和主壓應(yīng)變發(fā)展不對稱，混凝土板均以主壓應(yīng)變?yōu)橹鳎摿壕灾骼瓚?yīng)變?yōu)橹鳌?/p>

(3)鋼-混凝土組合箱梁在彎扭聯(lián)合作用下，其鋼梁與混凝土板結(jié)合面上既存在沿梁軸的縱向相對滑移，也存在垂直于梁軸的橫向相對滑移?？v向滑移規(guī)律基本遵循其截面豎向剪力沿梁軸的分布規(guī)律;在反對稱的扭矩作用下，橫向滑移量隨截面扭轉(zhuǎn)角的增大而增大。

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