钢—ECC组合桥梁负弯矩区受弯性能研究.pdf

96交通科技与管理工程技术0引言钢 混凝土组合连续梁桥结构因具有刚度大、自重轻、跨越能力强等优点，在实际工程中得以广泛应用1。然而，钢 混连续梁桥负弯矩区混凝土易开裂，降低桥梁的耐久性2。因此，提高桥梁负弯矩区混凝土抗裂性能是研究的热点。现有技术中出现调整混凝土浇筑顺序、调节负弯矩下支座、强配筋法、施加预应力法等方法3，在一定程度上解决负弯矩区混凝土的开裂问题，但未能克服混凝土抗拉强度低、韧性差等本质力学性能缺陷。相比于普通混凝土，超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）具有更高的抗拉强度和韧性，出现钢 UHPC 组合连续梁桥结构4，该结构方式能有效克服混凝土易开裂的缺陷，然而，UHPC 的控裂性能已无法满足使用需求，亟须变形及控裂性能更优的混凝土材料来进一步优化。工程水泥基复合材料（Engineering Cementitious Composite，ECC）具有更高的拉伸延展性、更强的裂缝抑制能力、良好的自愈合能力、抗侵蚀性强等优异特性5。将ECC应用于钢混连续梁桥负弯矩区，有望从根本上攻克钢 混连续梁桥负弯矩区易开裂的问题，提升钢 混连续梁桥在大跨径及复杂环境作用下的适用性。基于此，为研究钢 ECC 组合梁负弯矩区受弯性能，该文对钢 ECC 组合梁负弯矩区建立了有限元模型，基于荷载挠度曲线验证了有限元模型的正确性。在此基础上，研究了 ECC 翼缘板纵筋配筋率、ECC 翼缘板 ECC强度及工字钢梁翼缘强度等因素对钢 ECC 组合梁负弯矩区受弯性能的影响。1试验概况1.1试件设计该文对樊健生等6开展的钢 ECC 组合梁（编号SEB-1）负弯矩区四点弯曲试验进行有限元模拟。该次模拟的组合梁试件尺寸及配筋等信息如图 1。试件长宽高分别为 3 200 mm、600 mm 及 250 mm。钢梁采用 Q235 级的 H 型工字钢，ECC 翼缘板纵筋采用 HRB335 钢筋，直径为 12 mm 或 8 mm，横筋采用 HPB235 钢筋。组合梁布置有两列抗剪栓钉，纵向间距 50 mm，高度为 45 mm，直径为 8 mm。组合梁采用加载梁进行静力单调 4 点弯曲加载，加载方式示意图如图 2 所示。1.2材料性能钢 ECC 组合梁试验前测得其立方体抗压强度为55.8 MPa，抗拉强度为 3.7 MPa，其弹性模量为 22.05 GPa。钢材及钢筋的材料力学性能参数见表 1。图 1试件设计（mm）收稿日期：2023-09-10作者简介：赖世锦（1993）,男,硕士研究生,讲师,研究方向：高性能混凝土结构。基金项目：广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“FRP 增强 ECC 桥面连接板优化设计及力学性能研究”（2022KY1400）、“基于 BIM 的铁路桥梁结构健康状态评估及信息管理研究”(2022KY1405)、“基于拉索减震支座技术的铁路连续梁桥抗震性能研究”（2023KY1440）；柳州铁道职业技术学院校级科研课题“碳纤维编织网增强工程水泥基复合材料力学性能研究”（2022-KJC03）、“CFRP加固地铁车站中柱抗震性能和工程应用设计研究”（2022-KJB19）。钢 ECC 组合桥梁负弯矩区受弯性能研究赖世锦,左海平,张钊,梁庆庆（柳州铁道职业技术学院,广西 柳州 545616）摘要为研究钢 ECC 组合梁负弯矩区受弯性能，文章对钢 ECC 组合梁负弯矩区建立了有限元模型，基于荷载挠度曲线验证了有限元模型的正确性。在此基础上，研究了 ECC 翼缘板纵筋配筋率、ECC 翼缘板 ECC 强度及工字钢梁翼缘强度等因素对钢 ECC 组合梁负弯矩区受弯性能的影响。研究结果表明：随着 ECC 翼缘板纵筋配筋率及工字钢梁翼缘强度的提高，钢 ECC 组合梁负弯矩区的承载力增大；ECC 抗拉强度的变化对结构承载力影响不大。关键词钢 ECC 组合梁；负弯矩区；有限元分析；受弯性能中图分类号TU398.9文献标识码A文章编号2096-8949（2023）18-0096-032023 年第 4 卷第 18 期97交通科技与管理工程技术图 2加载方式示意图（mm）表 1材料力学参数材料类型厚度或直径/mm延伸率/%fu/MPafy/MPa钢筋817.3345.9306.71216.9397.1349.7钢板623.2536.1474.5822.1450.5409.82有限元模型的建立该文采用有限元软件 ABAQUS 建立钢 ECC 组合梁有限元模型。为了保证有限元分析的收敛性，该次模拟采用位移加载，加载点和支座位置设置刚性垫块，垫块顶面中心设置参考点与垫块顶面中心耦合，位移荷载加载到参考点上。支座处采用简支梁约束。ECC 翼缘板、工字型钢梁及栓钉均采用 C3D20R 二次减缩积分单元，纵筋和横筋均采用 T3D2 桁架单元。所有钢筋及栓钉与ECC 翼缘板之间采用内置约束，栓钉与钢梁之间采用绑定约束。钢 ECC 组合梁有限元网格划分及模型如图 3所示。图 3ABAQUS 有限元模型参考蔡向荣等提出的受压本构模型7及 Han 等提出的 ECC 受拉本构模型8，采用塑性损伤模型模拟 ECC在四点弯曲荷载下的力学行为，钢筋采用双折线弹塑性本构。3有限元模型验证图 4 为静力单调荷载下钢 ECC 组合梁的荷载跨中挠度曲线的有限元模拟结果与试验结果对比。有限元模拟的荷载跨中挠度曲线和试验曲线较为吻合，曲线趋势基本一致，但试验组合梁后期出现下降趋势，这是由于实际试验中，钢梁存在初始缺陷，破坏前发生下翼缘屈曲，从而导致承载力下降。该文有限元分析得到的钢梁在静力单调荷载下的极限荷载为160.0 kN，试验钢ECC 组合梁在静力单调荷载下的极限荷载为 171.0 kN，有限元模拟结果比试验结果高出 6.9%，误差满足要求。有限元分析结果和试验结果的对比验证了该文建立的有限元模型的合理性。图 4有限元分析与试验荷载挠度曲线对比4钢 ECC 组合梁负弯矩区受弯性影响因素分析4.1不同配筋率以文献 6 的钢 ECC 组合梁试验为基准，研究1.0%、2.0%、3.0%及 4.0%四组配筋率对钢 ECC 组合梁负弯矩区受弯性能的影响。ECC 翼缘板纵筋四种配筋率静力单调荷载下荷载-跨中挠度曲线如图 6 所示。由图5 可知，随着翼缘板纵筋配筋率的增大，钢 ECC 组合梁负弯矩区的承载力随之增大：配筋率从1.0%增加到2%时，承载力提升 3.1%；配筋率从 2.0%增加到 3%时，承载力提升 1.7%；配筋率从 3.0%增加到 4%时，承载力提升 2.0。由此可见，在 1.0%2%之间屈服和极限荷载提升较为明显。图 5配筋率影响下的荷载-挠度曲线98交通科技与管理工程技术4.2ECC 强度探 究 2.7 MPa、3.7 MPa、4.7 MPa 及 5.7 MPa 四 组ECC 抗拉强度对钢 ECC 组合梁受弯性能的影响，四种强度对应静力单调荷载下钢 ECC 组合梁负弯矩区的荷载-跨中挠度曲线如图6所示，随着ECC抗拉强度的增大，钢 ECC 组合梁负弯矩区的承载力略有增大，但不明显，ECC 在负弯矩区主要是利用其控裂能力。图 6ECC 抗拉强度影响下的荷载-挠度曲线4.3工字钢梁翼缘强度以文献 6 的试验为基准，保持原有模型参数不变，选取 374.5 MPa、424.5 MPa、474.5 MPa 及 524.5 MPa 四组工字钢梁强度，研究分析工字钢梁强度对钢 ECC 组合梁负弯矩区受弯性能的影响。四种工字钢梁翼缘强度静力单调荷载下钢 ECC 组合梁负弯矩区的荷载-跨中挠度曲线如图 7 所示。随着工字钢强度的增大，钢 ECC 组合梁负弯矩区的承载力随之增大；工字钢梁翼缘强度从354.5 MPa增加到414.5 MPa时，承载力提升6.2%，工字钢梁翼缘强度从 414.5 MPa 增加到 474.5 MPa 时，承载力提升 8.2%，工字钢梁翼缘强度从 474.5 MPa 增加到 534.5 MPa 时，承载力提升 5.0%，钢梁翼缘强度在314.5474.5 MPa 之间承载力提升较为明显。5结语采用有限元软件对钢 ECC 组合梁负弯矩区进行模拟分析，将有限元模拟分析得到的荷载跨中挠度曲线与试验进行对比，有限元模拟与试验结果吻合良好，验证了建模方法的合理性，分析了钢 ECC 组合梁负弯矩区在不同配筋率、工字钢梁翼缘板强度及 ECC 强度等因素对结构受弯性能的影响，得到以下结论：（1）随着 ECC 翼缘板纵筋配筋率的提高，钢 ECC 组合梁负弯矩区的承载力增大，当配筋率取值 2.0%左右时，结构受弯性能较好。（2）随着 ECC 抗拉强度的增大，钢 ECC 组合梁负弯矩区的承载力略有增大，但增长幅度不大。ECC 在结构中主要提升结构延性，设计时不建议通过增大 ECC抗拉强度来提高钢 ECC 组合梁负弯矩区的承载力。（3）随着工字钢梁翼缘强度的提高，钢 ECC 组合梁负弯矩区的承载力随之增大，当钢梁翼缘强度取值474.5 MPa 左右，效果较好。图 7翼缘强度影响下的荷载-挠度曲线参考文献1 陈宝春,牟廷敏,陈宜言,等.我国钢混凝土组合结构桥梁研究进展及工程应用 J.建筑结构学报,2013(S1):1-10.2 樊健生,聂建国,张彦玲.钢 混凝土组合梁抗裂性能的试验研究 J.土木工程学报,2011(2):1-7.3 张彦玲.钢 混凝土组合梁负弯矩区受力性能及开裂控制的试验及理论研究 D 北京：北京交通大学,2009.4中国公路学报编辑部.中国桥梁工程学术研究综述 2021J.中国公路学报,2021(2):1-97.5Li V C,Leung C K Y.Steady-state and multiple cracking of short random fiber composites J.Journal of Engineering Mechanics,1992(11):2246-2264.6 樊健生,施正捷,芶双科,等.钢 ECC 组合梁负弯矩区受弯性能试验研究 J.土木工程学报,2017(4):64-72.7 蔡向荣.超高韧性水泥基复合材料基本力学性能和应变硬化过程理论分析 D.大连：大连理工大学,2010.8Han T S，Feenstra P H，Billington S L.Simulation of highly ductilefiber-reinforced cement based composite components under cyclic loadingJ.ACI Structural Journal,2003(6):749.