混合梁結(jié)合部受力機(jī)理模型試驗(yàn)研究

江祥林，劉玉擎，孫 璇

（1.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，西安 710064；2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；3.江西省交通科學(xué)研究院，南昌 330038）

斜拉橋的主跨用鋼梁、邊跨用混凝土梁，形成混合梁組合體系，性能上將大幅度得以提高，并且具有跨越能力大的優(yōu)點(diǎn)［1－2］?；旌狭航Y(jié)合部是鋼梁與混凝土梁間的過(guò)渡段，也是兩種不同材料結(jié)合處。結(jié)合部?jī)蓚?cè)主梁的剛度相差大，格室內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，材料的差異性使得應(yīng)力集中現(xiàn)象極易產(chǎn)生，是結(jié)構(gòu)的薄弱部位［3－4］。格室中鋼與混凝土的受力性能、兩者間作用力的傳遞情況、結(jié)合面間的協(xié)同工作性，連接件的受力性能是影響混合梁結(jié)合段可靠性的重要因素［5－6］。過(guò)去的研究主要集中在結(jié)合段剛度過(guò)渡平穩(wěn)性、鋼梁加勁過(guò)渡段承載能力及穩(wěn)定性、混凝土加強(qiáng)過(guò)渡段抗裂性等方面，針對(duì)結(jié)合部承載性能及受力機(jī)理的研究較少［7－9］。

本文結(jié)合九江長(zhǎng)江大橋工程實(shí)例［10］，對(duì)采用鋼格室承壓傳剪式結(jié)合部，設(shè)計(jì)制作了縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ停⑴c承剪式結(jié)合部進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)分析。分析不同傳力類(lèi)型結(jié)合部中鋼構(gòu)件與混凝土構(gòu)件的受力性能及兩者間作用力的傳遞特點(diǎn)，驗(yàn)證了混合梁結(jié)合部構(gòu)造的合理性。

1 混合梁結(jié)合部的構(gòu)造特點(diǎn)

混合梁中鋼梁加勁過(guò)渡段和混凝土梁加強(qiáng)過(guò)渡段間的結(jié)合部是混合梁斜拉橋受力的關(guān)鍵部分。結(jié)合段將鋼梁所受軸力、剪力、彎矩通過(guò)鋼梁加勁段加以分散，再通過(guò)結(jié)合部鋼格室的承壓板、抗剪連接件的作用傳遞到格室填充混凝土中，再過(guò)渡到混凝土梁加強(qiáng)過(guò)渡段。

如圖1所示，依據(jù)傳力機(jī)理不同可將混合梁結(jié)合段分為承壓式、承剪式以及承壓傳剪式（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“壓剪式”）3種類(lèi)型。承壓式主要依靠鋼梁與混凝土梁之間的承壓板傳遞軸力，傳力直接，但需要較厚的承壓板，且結(jié)合段剛度突變較大。承剪式主要依靠結(jié)合部鋼格室內(nèi)順橋向布置的抗剪連接件傳遞軸力，剛度過(guò)渡平穩(wěn)，但傳遞軸力的能力有限，適用于小跨徑斜拉橋。壓剪式綜合了承壓式、承剪式的構(gòu)造特征，以承壓板承壓作用和抗剪連接件傳剪作用共同傳遞軸力，剛度過(guò)渡均勻，應(yīng)力擴(kuò)散好，構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜。

圖1 混合梁傳力形式

九江長(zhǎng)江公路大橋混合梁結(jié)合段構(gòu)造如圖2所示，結(jié)合段長(zhǎng)度為8.15m，其中混凝土梁加強(qiáng)過(guò)渡段2m，結(jié)合部2m，鋼梁加勁過(guò)渡段4.15m。鋼梁加勁過(guò)渡段采用U肋內(nèi)插變高度T肋，同時(shí)在T肋端部延伸0.7m的板肋進(jìn)行剛度過(guò)渡?；炷亮杭訌?qiáng)過(guò)渡段采用變化頂、底、腹板的厚度進(jìn)行過(guò)渡。

結(jié)合部在頂、底板及腹板上均設(shè)置鋼格室，鋼格室腹板上的抗剪連接件是鋼截面上的軸力及彎矩荷載分配到混凝土中的主要構(gòu)件。為此，在腹板上開(kāi)設(shè)圓孔并貫穿鋼筋，與進(jìn)入圓孔的混凝土形成開(kāi)孔板連接件。貫穿鋼筋后，圓孔中的混凝土處于三向約束狀態(tài)，形成銷(xiāo)栓作用，將鋼截面上的軸力分配到混凝土，使鋼截面應(yīng)力得到分散，平順地向混凝土傳遞，并較好地限制鋼與混凝土之間的滑移［11－12］。為使混凝土與鋼格室緊密結(jié)合，在鋼格室與混凝土相貼的頂板、底板及承壓板上設(shè)置焊釘［13－14］。

圖2 結(jié)合段構(gòu)造（單位：mm）

2 結(jié)合部格室局部模型試驗(yàn)方案

2.1 模型試件設(shè)計(jì)

依據(jù)幾何、物理以及邊界條件相似理論對(duì)結(jié)合部格室進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證實(shí)橋和模型的應(yīng)力相似［15］。根據(jù)實(shí)橋混合梁計(jì)算結(jié)果，選取結(jié)合部頂板一個(gè)完整格室和左右兩側(cè)各半個(gè)格室，在格室一端選取一段鋼梁過(guò)渡段，另一端澆筑混凝土底座分別用于加載和固定，制作縮尺比為1∶2壓剪式模型試件。為與壓剪式對(duì)比，選取承剪式結(jié)合部作為對(duì)照組。承剪式試件緊貼承壓板格室一側(cè)放置厚度為30mm的泡沫，用以模擬承壓板和混凝土的脫空情況，即不考慮承壓板的承壓作用。承剪式其它構(gòu)造跟壓剪式完全相同。

圖3 模型試件構(gòu)造（單位：mm）

如圖3所示，模型試件長(zhǎng)1430mm、寬1000mm、高800mm。開(kāi)孔板連接件孔徑為32.5mm，圓孔中心距為62.5mm和75mm，孔中貫穿鋼筋直徑為10mm，在鋼腹板內(nèi)共設(shè)置兩排圓孔。焊釘直徑13mm、長(zhǎng)度80mm，頂板布置4×7根，底板布置4×11根。鋼板采用Q345鋼材，填充混凝土28d實(shí)測(cè)立方體抗壓強(qiáng)度平均值為62.3MPa，并根據(jù)配筋率和空間幾何位置進(jìn)行普通鋼筋配置。

2.2 加載及測(cè)試方法

模型加載如圖4如所示，混合梁斜拉橋主梁受力以壓彎為主，截面彎矩轉(zhuǎn)化為在主梁上下格室的軸力，因此格室模型主要考慮軸向荷載作用下各構(gòu)件的受力狀態(tài)，對(duì)兩試件進(jìn)行軸向加載試驗(yàn)。按相似比換算出模型在最不利工況組合下的軸力設(shè)計(jì)值Pd大小為1050kN。模型加載方式采用反復(fù)式加載，依次分級(jí)加載至1.0Pd、1.7Pd、2.5Pd、3.5Pd后再卸載，最后一次加載至破壞。

模型測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示，測(cè)試內(nèi)容包括加載端鋼板布置位移計(jì)測(cè)量試件軸向變形，應(yīng)變片測(cè)試格室鋼板應(yīng)變，振弦計(jì)測(cè)試混凝土內(nèi)部應(yīng)變，鋼與混凝土軸向相對(duì)滑移測(cè)試采用振弦計(jì)A、應(yīng)變片B進(jìn)行測(cè)試。將振弦計(jì)A的一端焊接到格室內(nèi)鋼板上，另一端懸空，在相應(yīng)位置鋼板外側(cè)布置應(yīng)變片B，利用A與B應(yīng)變讀數(shù)差，測(cè)量鋼－混結(jié)合面處的相對(duì)滑移。

圖4 模型試驗(yàn)加載

圖5 模型測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）

3 模型試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 承載性能

圖6為壓剪式和承剪式試件荷載－位移曲線，其中位移表示試件的整體軸向壓縮量。壓剪式試件最大承載力約為17000kN，承剪式試件最大承載力約為8500kN，壓剪式試件承載力為承剪式試件承載力的2倍。壓剪式結(jié)合部能直接將承壓板軸力通過(guò)接觸承壓傳遞至混凝土，鋼格室的剛度增加，提高了格室的承載能力。因此實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中較好發(fā)揮承壓板傳力作用是該類(lèi)型結(jié)合部設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵，在澆筑格室混凝土?xí)r，應(yīng)保證混凝土澆筑質(zhì)量，保證承壓板與混凝土接觸密實(shí)，防止混凝土承壓面脫空。

圖6 荷載－位移曲線

混合梁中鋼梁加勁過(guò)渡段和混凝土梁加強(qiáng)過(guò)渡段的承載性能容易計(jì)算，屈曲現(xiàn)象以及裂縫等破壞容易發(fā)現(xiàn)，而結(jié)合部，其破壞機(jī)理復(fù)雜，格室內(nèi)的破壞難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)。壓剪式試件破壞形態(tài)表現(xiàn)為格室下部混凝土壓碎并剝落，同時(shí)伴隨格室末端焊釘連接件根部剪斷和縱向普通鋼筋屈服。承剪式試件破壞形態(tài)表現(xiàn)為兩列開(kāi)孔板孔中混凝土發(fā)生剪切破壞，沿著上下兩列開(kāi)孔板方向混凝土表面產(chǎn)生兩條比較明顯的縱向裂縫，同時(shí)格室末端焊釘連接件根部剪斷。

3.2 鋼格室與混凝土的應(yīng)力狀態(tài)

圖7、圖8為壓剪式和承剪式試件鋼格室腹板和底板軸向應(yīng)力的縱向分布。試件鋼板在各級(jí)荷載的作用下均受壓，壓應(yīng)力隨著荷載增大不斷增大。底板與腹板應(yīng)力隨著距承壓板距離的增加逐漸減小，表明應(yīng)力通過(guò)連接件有效地從鋼板通過(guò)連接件傳遞至混凝土。

圖7 鋼格室腹板應(yīng)力分布

承剪式試件在承壓板處由于無(wú)混凝土分擔(dān)軸力，軸力全部傳遞至格室頂?shù)装搴透拱?，其?yīng)力大小約為壓剪式試件的兩倍。在3.5Pd荷載作用下，在距承壓板較近處，承剪試件腹板應(yīng)力最大壓應(yīng)力約為230MPa，底板最大壓應(yīng)力約為290MPa。

圖9為壓剪式和承剪式試件格室內(nèi)混凝土軸向壓應(yīng)力縱向分布。隨著距承壓板的距離增加，焊釘與開(kāi)孔板連接件通過(guò)受剪的方式逐漸將軸力傳遞至混凝土，混凝土應(yīng)力逐漸增大。

壓剪式試件由于承壓板通過(guò)承壓接觸的方式，已將一部分軸壓力傳至格室混凝土，荷載相同的情況下同位置處的混凝土應(yīng)力壓剪式試件比承剪式試件大。承剪式試件混凝土一開(kāi)始不參與受力，軸力必須全部通過(guò)連接件逐漸傳遞，因而混凝土應(yīng)力沿軸向變化趨勢(shì)比壓剪式試件大。說(shuō)明壓剪式試件能使承壓板后混凝土直接參與受力，充分發(fā)揮格室內(nèi)混凝土承壓作用。

圖8 鋼格室底板應(yīng)力分布

圖9 格室混凝土應(yīng)力分布

3.3 相對(duì)滑移變化狀態(tài)

圖10為測(cè)點(diǎn)1處壓剪式和承剪式試件格室內(nèi)部鋼板與混凝土相對(duì)滑移量隨荷載的變化。荷載由1.0Pd增至3.5Pd時(shí)，測(cè)點(diǎn)位置處鋼－混凝土相對(duì)滑移逐漸增大，表示混凝土相對(duì)鋼格室向承壓板滑移。3.5Pd作用下，承剪式試件測(cè)點(diǎn)位置相對(duì)滑移量最大約為0.1mm，較壓剪式試件相應(yīng)位置處大。說(shuō)明壓剪式試件鋼－混凝土間結(jié)合性能較好，承壓板承壓有效地限制了鋼－混凝土間相對(duì)滑移，提高了格室鋼－混凝土間結(jié)合性能。

圖10 格室內(nèi)相對(duì)滑移量的變化

3.4 傳力機(jī)理分析

圖11為壓剪式結(jié)合部軸力作用從鋼梁至混凝土梁的傳力路徑。軸力通過(guò)鋼梁頂（底）板和U肋、T肋傳遞至承壓板和鋼格室頂（底）板，其中一部分通過(guò)承壓板與格室混凝土間接觸承壓作用向混凝土傳遞，另一部分通過(guò)格室頂（底）板上的焊釘連接件和格室腹板上的開(kāi)孔板連接件，以連接件剪切作用逐步向混凝土傳力。圖11示出6條傳力路徑，其中R1、R2、R5路徑為承壓傳力，R3、R4和R6為剪切傳力。承壓傳力的路徑較短，傳力較為直接，剪切傳力延長(zhǎng)了結(jié)合段傳力路徑，增加了傳力面積，使得結(jié)合部傳力更為平緩。

圖11 壓剪式結(jié)合部傳力路徑

承剪式結(jié)合部無(wú)承壓傳力，軸力直接通過(guò)格室中布置的抗剪連接件以剪切作用傳遞到混凝土。

壓剪式與承剪式結(jié)合部不同構(gòu)件軸力傳力比例如表1所示，通過(guò)近承壓板斷面鋼格室應(yīng)力得到格室腹板和頂?shù)装宄屑魝鬟f軸力，通過(guò)總加載力和鋼格室軸力差得到承壓板承壓傳力比例。壓剪式結(jié)合部承壓板承壓傳力約占總軸力的62.5%，其余部分通過(guò)格室腹板和頂?shù)装迳线B接件以承剪傳遞，承剪式結(jié)合部軸力全部由格室腹板和頂?shù)装迳系倪B接件傳遞，其傳力比例分別約為46.8%和53.2%，對(duì)比表明壓剪式結(jié)合部能充分利用承壓板和連接件的復(fù)合傳力作用，減小了連接件的傳力比例，使結(jié)合部受力更合理。

表1 軸力傳力比例 %

4 結(jié)論

以九江長(zhǎng)江公路大橋混合梁結(jié)合部局部格室為研究對(duì)象，進(jìn)行了壓剪式和承剪式結(jié)合部縮尺模型承載性能試驗(yàn)，研究了不同傳力類(lèi)型結(jié)合部的承載性能、應(yīng)力分布及受力機(jī)理，得出以下結(jié)論。

1）壓剪式結(jié)合部承載能力是承剪式結(jié)合部的2倍，表明承壓板是結(jié)合部的重要傳力構(gòu)件，承壓板接觸承壓對(duì)提高格室承載能力作用明顯。

2）壓剪式結(jié)合部利用鋼格室中承壓板和連接件共同來(lái)傳遞軸力，剛度變化勻順，傳力順暢。在3.5倍設(shè)計(jì)荷載時(shí)，結(jié)合部仍處于彈性受力狀態(tài)，各受力構(gòu)件均具有較大的安全儲(chǔ)備。

3）壓剪式結(jié)合部承壓板傳力作用明顯，降低了格室鋼板應(yīng)力水平，能充分發(fā)揮格室內(nèi)混凝土承壓作用，限制了鋼－混凝土間相對(duì)滑移，提高了格室鋼－混凝土間結(jié)合性能。

4）通過(guò)試驗(yàn)得出了壓剪式和承剪式結(jié)合部不同構(gòu)件軸力傳力比例，其中壓剪式結(jié)合部承壓板傳力約占總軸力的62.5%，壓剪式結(jié)合部能充分利用承壓板和連接件復(fù)合傳力作用，減小連接件傳力比例，使結(jié)合部受力更合理。

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