雙層均布荷載作用腹板開(kāi)孔混凝土簡(jiǎn)支箱梁模型試驗(yàn)研究分析

祝明橋，汪建群，王 凡，孫康杰

（湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭411201）

混凝土箱梁因具良好受力性能而特別適用于中等跨度城市橋梁。通過(guò)取消其橫隔板，使頂、底板均成為橋面系，同時(shí)在腹板上開(kāi)設(shè)必要的孔洞以滿足通風(fēng)、采光及消防等要求，可實(shí)現(xiàn)雙層交通［1］。該種形式的雙層橋可有效緩解當(dāng)前城市土地資源緊張及交通擁堵等現(xiàn)狀［2］。

20世紀(jì)60年代出現(xiàn)了混凝土箱梁雙層橋的雛形［3］，其上層為公路橋面，下層底板兩側(cè)設(shè)懸臂板作為人行道。中國(guó)的南昌大橋［4］、重慶嘉悅大橋［5］和長(zhǎng)沙營(yíng)盤(pán)東路瀏陽(yáng)河大橋［6］均采用了類似的結(jié)構(gòu)形式。因需克服箱梁腹板開(kāi)孔、取消橫隔板等一系列難題，在混凝土箱梁室內(nèi)實(shí)現(xiàn)交通較為困難。而目前的相關(guān)研究較為滯后。學(xué)者們對(duì)雙層荷載作用箱梁受力性能研究多見(jiàn)于有機(jī)玻璃模型試驗(yàn)或數(shù)值模擬分析［7－9］，對(duì)腹板開(kāi)孔混凝土梁的研究多見(jiàn)于T梁或深梁［10－11］。中國(guó)有少數(shù)學(xué)者對(duì)雙層荷載作用箱梁或腹板開(kāi)孔梁受力性能進(jìn)行了探討。郭建斌運(yùn)用有機(jī)玻璃模型試驗(yàn)和有限元分析方法對(duì)雙層荷載連續(xù)箱梁剪力滯效應(yīng)進(jìn)行研究并得到其規(guī)律［12］；黃泰赟和蔡健等［13－14］對(duì)腹板開(kāi)設(shè)圓孔和矩形孔鋼筋混凝土簡(jiǎn)支矩形梁進(jìn)行了系列試驗(yàn)研究，為開(kāi)孔梁力學(xué)模型和設(shè)計(jì)方法的建立提供了試驗(yàn)依據(jù)。隨后祝明橋等［15］對(duì)腹板開(kāi)有矩形孔的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁建立空間有限元模型進(jìn)行非線性數(shù)值分析，并對(duì)其孔洞高度、孔側(cè)加強(qiáng)筋等參數(shù)進(jìn)行分析，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。對(duì)于面向雙層交通混凝土箱梁而言，抗彎受力性能為其最主要設(shè)計(jì)參數(shù)之一，而目前相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)較為缺乏。

筆者按1∶6比例設(shè)計(jì)了腹板開(kāi)孔單箱三室鋼筋混凝土簡(jiǎn)支箱梁，對(duì)其在雙層均布荷載作用彈性工作狀態(tài)下的受力性能進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試。主要研究了雙層均布荷載作用下簡(jiǎn)支箱梁關(guān)鍵截面變形和應(yīng)變分布規(guī)律；并建立有限元模型對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析。在有限元分析與試驗(yàn)結(jié)果相吻合的基礎(chǔ)上，探討了雙層均布荷載作用下腹板開(kāi)孔對(duì)結(jié)構(gòu)抗彎受力性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y(cè)點(diǎn)布置

在模型設(shè)計(jì)之前，采用混凝土簡(jiǎn)支箱梁設(shè)計(jì)了一座中等跨度城市雙層橋，該橋上層道路為II級(jí)主干路，雙向4車道；下層為C－I型列車，雙向通行。試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖淞簽樵撾p層橋的1∶6縮尺模型。模型箱梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，采用HPB235和HRB335鋼筋。試驗(yàn)?zāi)Ｐ涂紤]因底板通車取消了箱梁內(nèi)部常規(guī)設(shè)置的橫隔板，在模型支座截面、1／4跨及跨中設(shè)置了環(huán)向加勁肋；考慮采光、通風(fēng)及消防安全需求，在腹板開(kāi)設(shè)了矩形孔。試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖淞簩?shí)物及平面圖如圖1所示。

為測(cè)試模型箱梁在雙層均布荷載作用下關(guān)鍵截面變形和應(yīng)變分布規(guī)律，分別在1／8跨、1／4跨、3／8跨和跨中截面布置混凝土應(yīng)變片；在支座截面及跨內(nèi)八分點(diǎn)截面安裝百分表，具體布置如圖2所示。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖淞簩?shí)物及平面圖

圖2 箱梁試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒孛娉叽缂皽y(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）

1.2 加載方案

采用均布荷載模擬橋梁的汽車及列車活荷載，本試驗(yàn)采用砂袋和砝碼堆載實(shí)現(xiàn)均布荷載加載。以箱梁跨中彎矩等效為原則，按設(shè)計(jì)荷載等級(jí)計(jì)算其正常使用極限狀態(tài)效應(yīng)組合下等效均布荷載q1＝16.91kN／m，承載能力極限狀態(tài)作用效應(yīng)組合下q2＝35.98kN／m，開(kāi)裂時(shí)對(duì)應(yīng)的均布荷載q3＝26.81kN／m，加載最大均布荷載q＝18.84kN／m＝111%q1＝52%q2＝70%q3。由于僅針對(duì)雙層均布荷載作用腹板開(kāi)孔混凝土簡(jiǎn)支箱梁在彈性范圍內(nèi)受力性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，綜合考慮試驗(yàn)?zāi)康?，并保證箱梁不開(kāi)裂，兼顧箱梁頂板、底板加載的可操作性和安全性，加載荷載設(shè)置如下：1）分3種工況加載，其中工況1和工況2僅分別在箱梁頂板和底板加載，工況3在箱梁頂板和底板同時(shí)加載。工況3加載裝實(shí)物如圖3所示。2）各工況均分4級(jí)加載，不同工況的同一級(jí)荷載大小一致。具體加載制度如表1所示。

圖3 工況3實(shí)物圖

表1 加載制度

1.2 測(cè)試方法

試驗(yàn)主要對(duì)模型關(guān)鍵截面的撓度和應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試。考慮到結(jié)構(gòu)受力處于彈性范圍內(nèi)，相同試驗(yàn)進(jìn)行多次，同時(shí)利用截面的對(duì)稱性，取其平均值作為最終的試驗(yàn)結(jié)果。據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立三維有限元模型，與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為節(jié)省篇幅，此處將實(shí)測(cè)結(jié)果與有限元結(jié)果進(jìn)行同步闡述。采用ANSYS對(duì)試驗(yàn)梁建立三維有限元模型，鋼筋和混凝土分別采用link8和solid65單元模擬，邊界條件和加載制度與試驗(yàn)一致，材料力學(xué)性能采用試驗(yàn)實(shí)測(cè)值?；诓男栽囼?yàn)，得到各材料加載時(shí)刻的特性如下：

混凝土標(biāo)準(zhǔn)立方體抗壓強(qiáng)度f(wàn)cu0＝58.1MPa，軸心抗壓強(qiáng)度f(wàn)c0＝48.8MPa，彈性模量Ec0＝4.61×104MPa。

普通鋼筋R235的屈服強(qiáng)度f(wàn)y0－R235＝318MPa，彈性模量ES0－R235＝2.03×105MPa；HRB335的屈服強(qiáng)度f(wàn)y0－HRB335＝400MPa，彈性模量 ES0－HRB335＝2.06×105MPa。

有限元模型如圖4所示。

2.1 撓度結(jié)果

不同工況作用模型梁撓度曲線的試驗(yàn)值和有限元對(duì)比分析如圖5所示。圖中利用了截面的對(duì)稱性，分析與試驗(yàn)結(jié)果各取一半，以箱梁中軸線為對(duì)稱軸，左邊為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以虛線表示；右邊為分析數(shù)據(jù)，以實(shí)線表示。需要說(shuō)明的是，由于各種工況作用下第3級(jí)荷載與第4級(jí)荷載差值較小，圖中未給出第3級(jí)荷載對(duì)應(yīng)的撓度。

圖4 腹板開(kāi)孔混凝土簡(jiǎn)支箱梁有限元模型

圖5 試驗(yàn)梁撓度實(shí)測(cè)值與分析值比較

由圖5可知：

1）在不同工況均布荷載作用下，模型梁撓度隨加載等級(jí)的提高呈比例增長(zhǎng)，表明試驗(yàn)梁處于彈性工作范圍內(nèi)。

2）荷載作用在底板時(shí)（工況2）在跨中產(chǎn)生的撓度最大，為0.45mm，荷載同時(shí)作用于頂、底板時(shí)（工況3）次之，為0.43mm，荷載作用于頂板時(shí)（工況1）最小，為0.41mm。工況2作用下跨中撓度值較工況1偏大9.7%。說(shuō)明底板加載對(duì)腹板開(kāi)孔簡(jiǎn)支箱梁的撓度影響較大。

3）由有限元結(jié)果與試驗(yàn)值對(duì)比分析可知，在相同荷載作用下，分析值較實(shí)測(cè)值偏大3%～6%。試驗(yàn)工況作用下各關(guān)鍵截面撓度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合良好，因此建立的有限元模型可反映試驗(yàn)梁的受力性能。

2.2 應(yīng)變

試驗(yàn)梁在各級(jí)荷載作用下，各截面應(yīng)變實(shí)測(cè)值與分析值對(duì)比結(jié)果如圖6所示。為節(jié)省篇幅，此處僅給出1－1截面（未開(kāi)孔）和3－3截面（開(kāi)孔）結(jié)果，同樣利用截面的對(duì)稱性對(duì)其進(jìn)行描述。即試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與分析結(jié)果各取一半，以箱梁橫截面中軸線為對(duì)稱軸，左邊為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以虛線表示；右邊為分析數(shù)據(jù)，以實(shí)線表示。

圖6 試驗(yàn)梁應(yīng)變實(shí)測(cè)值與分析值比較

由圖6可知：

1）各級(jí)荷載作用下，應(yīng)變實(shí)測(cè)值與有限元計(jì)算值規(guī)律一致，實(shí)測(cè)值較計(jì)算值偏小5%～15%。

2）不論是1－1截面還是3－3截面截面，工況1作用下（荷載直接作用于頂板）頂板應(yīng)變最大，工況2作用下（荷載直接作用于底板）頂板應(yīng)變最小，工況3作用時(shí)其應(yīng)變居二者之間。

3 開(kāi)孔對(duì)雙層交通混凝土簡(jiǎn)支箱梁受力性能影響分析

在上述模型梁受力性能實(shí)測(cè)與有限元分析結(jié)果相吻合的基礎(chǔ)上，探討了模型梁腹板開(kāi)孔與否對(duì)其受力性能的影響。

3.1 撓度

開(kāi)孔與否對(duì)試驗(yàn)梁撓度影響比較結(jié)果如圖7。

圖7 開(kāi)孔與否對(duì)試驗(yàn)梁撓度影響比較

由圖7可知：工況1～工況3開(kāi)孔箱梁的跨中撓度分別為0.41、0.45、0.43mm，不開(kāi)孔箱梁對(duì)應(yīng)的撓度分別為0.32、0.37、0.35mm。就試驗(yàn)?zāi)Ｐ土憾?，?duì)于工況1～工況3，開(kāi)孔箱梁相對(duì)比不開(kāi)孔箱梁其跨中撓度分別增大了28.1%、21.6%和22.9%。因此，腹板開(kāi)孔對(duì)承受雙層荷載鋼筋混凝土簡(jiǎn)支箱梁變形性能有較大影響。

3.2 應(yīng)變

開(kāi)孔與否對(duì)試驗(yàn)梁應(yīng)變影響比較結(jié)果如圖8。為明確表示應(yīng)變分布規(guī)律，作出截面對(duì)應(yīng)的剪力滯系數(shù)分布圖。為節(jié)省篇幅，僅給出1－1截面和3－3截面結(jié)果，同樣利用截面的對(duì)稱性對(duì)其進(jìn)行描述。其中左側(cè)虛線和右側(cè)實(shí)線分別表示開(kāi)孔和不開(kāi)孔梁的應(yīng)變值或剪力滯系數(shù)。

圖8 開(kāi)孔與否對(duì)試驗(yàn)梁應(yīng)變影響比較

由圖8可知：相對(duì)于腹板開(kāi)孔簡(jiǎn)支箱梁而言，腹板未開(kāi)孔時(shí)其截面應(yīng)變分布較為均勻。對(duì)應(yīng)的剪力滯系數(shù)也較小。由于工況1作用下剪力滯效應(yīng)最大，此處以工況1剪力滯系數(shù)為例展開(kāi)闡述。對(duì)于開(kāi)孔和未開(kāi)孔梁而言，工況1作用下1－1截面剪力滯系數(shù)變化范圍分別為0.34～2.58和0.59～2.00，3－3截面對(duì)應(yīng)的數(shù)值分別為0.50～1.39和0.81～1.19。因此，腹板開(kāi)孔對(duì)簡(jiǎn)支箱梁剪力滯有較大影響。

4 結(jié)論

1）對(duì)雙層均布荷載作用腹板開(kāi)孔混凝土簡(jiǎn)支箱梁在彈性范圍內(nèi)受力性能進(jìn)行了大比例模型試驗(yàn)研究，并就腹板開(kāi)孔與否對(duì)其受力性能影響進(jìn)行了有限元分析。

2）均布荷載作用在雙層箱梁底板時(shí)（工況2）在跨中產(chǎn)生的撓度最大，荷載同時(shí)作用于頂、底板時(shí)（工況3）次之，荷載作用于頂板時(shí)（工況1）最??；底板加載對(duì)腹板開(kāi)孔簡(jiǎn)支箱梁的撓度影響最大。

3）就腹板開(kāi)孔與否對(duì)雙層均布荷載作用簡(jiǎn)支箱梁抗彎受力性能的影響進(jìn)行了有限元分析。分析結(jié)果表明：腹板開(kāi)孔對(duì)承受雙層荷載鋼筋混凝土簡(jiǎn)支箱梁抗彎受力性能有較大影響。實(shí)際設(shè)計(jì)可考慮采取如下措施減小腹板開(kāi)孔對(duì)箱梁受力產(chǎn)生的不利影響：優(yōu)化開(kāi)孔方式、考慮在箱梁內(nèi)設(shè)置加勁環(huán)、在開(kāi)孔處設(shè)置鋼結(jié)構(gòu)桁架等。

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