装配式UHPC钢混组合梁负弯矩区抗弯性能研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 23 日 作者简介：夏振雪（1970），男，汉族，籍贯江苏省连云港人，高级工程师，学位（学士），研究方向为交通工程。-73-装配式 UHPC 钢混组合梁负弯矩区抗弯性能研究 夏振雪1 胡 洋2 刘成才2 邓文琴3 1.江苏交通控股有限公司，江苏 南京 210000 2.江苏现代路桥有限责任公司，江苏 南京 210000 3.南京工业大学，江苏 南京 211816 摘要：摘要：桥面板采用 UHPC 代替传统混凝土，可以有效避免钢混组合梁负弯矩区开裂问题，从而实现组合梁桥高性能化。针对装配式 UHPC 钢组合梁负弯矩区受力性能，开展了装配式工字钢组合梁负弯矩区承载试验研究，分析了超高强混凝土材料对组合梁负弯矩区破坏形式、裂缝分布规律及极限抗弯承载力的影响。本文开展了 3 组装配式钢-UHPC 工字钢组合梁负弯矩区承载试验研究，分析了腹板形式、桥面板强度对组合梁负弯矩区受力性能的影响。关键词：关键词：UHPC；工字钢组合梁；波形钢腹板；抗弯承载力；试验 中图分类号：中图分类号：U291 0 引言 目前波形钢腹板多用于跨径较大的箱梁结构，其吊装重量较大，不利于实现装配化快速施工，对于中小跨径桥梁，采用工字钢组合梁构造形式简单，材料利用率高且施工便捷。区别于传统装配式工字钢组合梁，本项目提出采用波形钢腹板工字钢梁代替传统平（a）A-1/A-3 (b)A-2 （c）截面图 图 1 试验梁构造图（单位：mm）中国科技期刊数据库 工业 A-74-钢腹板工字钢梁，腹板无需设置加劲肋，可显著降低焊接工作量，且波形钢腹板主梁横向刚度大，可进一步增大主梁及横梁间距，更有利于制作工业化效率。此外，超高性能混凝土（UHPC）是一种基于最大密实度原理配置的高强水泥基复合材料，具有优异的力学性能和耐久性，常被用于混凝土桥面板和桥面板维修加固，可极大提升结构的使用寿命。桥面板采用 UHPC代替传统混凝土，可以有效避免钢混组合梁负弯矩区开裂问题，波形钢腹板和 UHPC 的结合有望解决传统装配式工字钢组合桥梁存在的关键技术难题，从而实现组合梁桥高性能化。负弯矩区混凝土桥面板易开裂的问题一直是影响装配式钢混组合梁桥耐久性及快速化施工的关键技术难题，针对这一难题，UHPC 显著提高了负弯矩区组合梁开裂荷载，减小裂缝间距及宽度，可有效解决钢混组合梁负弯矩区混凝土开裂问题。既有针对钢混组合梁负弯矩性能的研究主要围绕传统平腹板组合梁展开，对波形钢腹板-UHPC 组合梁相关研究较少。因此，本文设计制作 3 组装配式钢混组合梁试验梁，对比分析了腹板形式和桥面板强度对钢混组合梁负弯矩区受力性能的影响，揭示了装配式波形腹板-UHPC 组合梁负弯矩区抗弯及开裂机理，并提出了相应的抗弯承载力计算方法，为该类桥型负弯矩区设计计算提供理论支撑。1 试验概况 1.1 试验梁设计 以某 25+40+25m 装配式钢-混组合梁桥为依托工程，按照 1:10 缩尺共设计了 3 根装配式工字钢组合梁试件（A1A3），试件构造如图 1 所示。试验梁全长 4.2m，支座间距 3.6m，组合梁高 535mm，混凝土桥面板宽700mm。工字钢梁高 385mm，上翼缘板宽 180mm、厚 12mm，下翼缘板 180mm、厚 22mm，腹板高 350mm、厚 8mm。预制混凝土桥面板厚度为 150mm，预留剪力槽孔尺寸为180180mm，槽孔间距为 700mm。钢梁加载点与支座处设置横向加劲肋，加劲肋厚 8mm。试验梁采用 Q355 钢材。钢梁上翼缘布置集簇式栓钉，中心间距为 700mm，栓钉横向间距 40mm，纵向间距 70mm；栓钉规格为1690，材料为 ML15AL。试验梁参数见表 1。（a）变形及滑移测点布置 （b）应变测点布置 图 2 测点布置 中国科技期刊数据库 工业 A-75-表 1 试验梁设计参数 试件编号 腹板形式 桥面板材料 A1 波形腹板 UHPC A2 平钢板 UHPC A3 波形腹板 NC 1.2 材料特性 试验加载前对试验梁所用的材料进行了材性试验。A3 构件采用的普通混凝土（NC）采用 C50，测得立方体强度为 60.8MPa，A1 和 A2 桥面板采用的 UHPC实测抗压强度为 141.5MPa，抗拉强度为 8.5MPa；工字钢采用 Q355，测得屈服强度为 385MPa，极限强度为551MPa；桥面板钢筋采用12 的 HRB400 钢筋，测得钢筋抗拉强度为 448MPa，屈服强度为 614MPa。集簇式栓钉采用 ML15AL 圆柱头焊钉，规格为1390，由于栓钉均为工厂生产的统一型号，强度与规范值接近，所以栓钉未进行材性试验，强度按规范规定的标准值考虑。1.3 测点布置及加载方案 试验测试内容主要包括:荷载挠度关系、钢梁与混凝土板的相对滑移量、混凝土板应变、裂缝宽度与间距，混凝土板内钢筋应变、钢梁顶底板及腹板应变等，在跨中位置布置位移计测试竖向挠度，在 1/2 跨范围内布置钢混滑移测点，同时在混凝土桥面板、钢筋及工字钢梁上布置应变测点，测点布置如图 2 所示。为方便观测桥面板开裂情况，将千斤顶放置在试验梁下方跨中位置，试验梁梁段采用反力架限位，加载装置如图 3 所示。图 3 试验加载图 2 试验结果与分析 2.1 试验现象 如 4 所示，试验梁 A1 混凝土板的开裂荷载为249kN，首条裂缝出现在跨中处以及靠近跨中的两槽孔处。荷载达到 300kN 时，靠近跨中槽孔主裂缝贯通混凝土板，当加载至 1000kN 左右时，加载点附近处钢梁下翼缘发生受压局部屈曲。试验梁 A2 为混凝土板的开裂荷载为 210kN，裂缝首先出现在跨中底部，加载力达到 300kN 时，靠近跨中槽孔以及跨中的主裂缝贯通混凝土板，加载力达到 1000kN 左右时，加载点附近钢梁下翼缘及腹板发生局部受压屈曲。试验梁 A3 混凝土板的开裂荷载为 124kN，裂缝首先出现在预留剪力槽孔与桥面板接缝处，加载力达到 190kN 时，靠近跨中的槽孔以及跨中的主裂缝贯通混凝土板，加载力达到 980kN时，加载点附近钢梁下翼缘及靠近底板的波形钢腹板均发生局部屈曲。综上可知，3 根试验梁均呈现出典型的受弯破坏特征，各试验梁的破坏过程基本相似。随着荷载的增加，裂缝首先出现在跨中剪力槽孔处，随后在跨中处出现贯穿裂缝，桥面板纵向受拉钢筋屈服，接着工字钢上翼缘板受拉屈服，随着裂缝宽度增加，钢梁下翼缘板和腹板出现局部受压屈曲，加载终止。桥面板裂缝分布 钢梁屈曲（a）A1 破坏模式 桥面板裂缝分布 钢梁屈曲（b）A2 破坏模式 桥面板裂缝分布 钢梁屈曲（c）A3 破坏模式 图 4 试验梁破坏模式 2.2 荷载-位移曲线 图 5 为 3 根梁加载过程中的荷载-位移曲线，试验主要结果见表 2。表中 Pcr 和cr 分别为开裂荷载和开裂荷载对应的挠度值，Py 和y 分别为钢梁屈服荷载和屈服荷载对应的挠度值，Pu 和u 分别为极限荷载和极限荷载对应的挠度值，K1 和 K2 分别为梁体初始刚度和弹性刚度，D=u/y 为梁体延性比。从图 5中国科技期刊数据库 工业 A-76-中可以看出，3 根 UHPC 组合梁的荷载-位移曲线大致可以分为四个阶段：线弹性阶段（无裂缝）、弹性阶段（裂缝扩展）、屈服阶段（裂缝贯穿-钢梁屈服）和强化阶段（钢材强化-局部屈曲）。线弹性阶段：桥面板均未开裂，组合梁共同作用。弹性阶段：桥面板开裂至裂缝贯穿，A1/A3（UHPC 组合梁）与 A2（NC 组合梁）存在一定差异，由于 UHPC 抗拉强度较高，混凝土桥面板开裂后，还能提供一定抗拉贡献，因此对于A1/A3 开裂后梁体刚度并没有出现太大降低，A1/A3 在此阶段荷载由 UHPC 桥面板、钢筋及钢梁共同承担；而A2 采用的 NC 混凝土抗拉强度较低，桥面板开裂后裂缝开展较快，裂缝贯穿后桥面板退出工作，因此 A2 在弹性阶段荷载-位移曲线斜率出现明显降低，A2 在此阶段荷载由钢筋、钢梁共同承担。屈服阶段：随着荷载的增加位移迅速增大，桥面板钢筋屈服进入强度化阶段，工字钢梁上下翼缘达到屈服强度。强化阶段：钢材进入强化阶段，裂缝宽度迅速增大，荷载基本不增加，跨中挠度急剧增加，随之受压翼缘板和腹板出现局部屈曲。图 5 荷载-位移曲线 由表 2 可知，A1 腹板采用波形钢腹板，与 A2 平钢板相比，由于波形钢腹板存在手风琴效应，纵向刚度较弱，钢梁对桥面板纵向约束偏弱，A1 的开裂荷载Pcr 和 Pu 比 A2 分别提高了 18.6%和 1.9%，延性比 D也提高了 31.5%，而屈服荷载 Py 和刚度 K1、K2 降低了17.4%、2.3%和 3.2%。A1 和 A3 腹板相同，桥面板强度不一样，桥面板采用 UHPC（A1）比采用 NC（A3）的 Pcr、Pu、K1、K2、D 分别提高了 100.8%、5.7%、43.4%、29.3%和 32.4%，而屈服强度 Py 降低了 5.6%。由此可知，与平钢板组合梁相比，波形钢腹板组合梁具有更好的抗裂性和延性，两者抗弯承载力相差不大，屈服强度和抗弯刚度略有降低；桥面板采用 UHPC 开裂荷载可提高1 倍，刚度和延性也有大幅度提升，但对抗弯承载力的影响较小。2.3 裂缝特征分析 图 6 给出了 3 组试件裂缝分布图。A1 较 A2 开裂荷载提升 18.6%，首条裂缝均出现在跨中剪力槽孔与预制桥面板新旧混凝土交界处，由于波形钢腹板纵向刚度较弱，轴向不抗拉压，能够有效的防止应力过于集中于跨中，使得后续 A1 裂缝的发展较慢且裂缝的分布较为均匀。A1 较 A3 开裂荷载提升 100.8%，UHPC 混凝土板的裂缝表现为细而密，而 NC 混凝土板裂缝分布宽且粗。各试验梁的荷载-最大裂缝宽度曲线如 7 所示。3组梁的最大裂缝宽度扩展速度为 A1A2A3，由于UHPC 的高抗拉以及波形钢腹板的手风琴效应使得 A1成为了抗拉性能最为优异的组合梁。对于UHPC组合梁，在宽度小于 0.2mm 时，随荷载增加最大裂缝宽度扩展速率小幅增大，接近极限荷载时，随荷载的缓慢增加，主裂缝宽度急剧扩大；而 NC 组合梁的裂缝扩展速度从一开始就较大。值得注意的是 2 组波形钢腹板组合梁在 720kN 左右时，裂缝宽度均出现了较大增加，这是由于三者的下翼缘板跨中部位在 720kN 时到达了屈服应变，随着荷载的增加位移明显增大，使得裂缝宽度出现了较大的增加。P=249kN（开裂荷载）P=1147kN（极限荷载）A1 P=210kN（开裂荷载）表 2 试验结果 试件编号 Pc/kN cr/kN K1/(kN.mm-1)Py/kN y/kN K2/(kN.mm-1)Pu/kN u/kN D A1 249 2.79 89.25 727 11.39 63.83 1147 44.63 3.92 A2 210 2.29 91.70 880 13.34 65.96 1126 39.80 2.98 A3 124 1.90 65.26 770 15.60 49.36 1085 46.25 2.96 中国科技期刊数据库 工业 A-77-P=1126kN（极限荷载）A2 P=124kN（开裂荷载）P=1085kN（极限荷载）A3 图 6 各试件裂缝开展图 图 7 各试件荷载-最大裂缝宽度曲线 2.4 钢梁应变分布规律 图8中给出了各试验梁混凝土桥面板钢梁的荷载-应变曲线。从图 8 中可以看出，三组试验梁总体的桥面板钢梁的应变变化规律基本相似，桥面板钢梁上翼缘板、腹板以及下翼缘板的应变均随着荷载的增加而不断增加，但增加的幅度不同，下翼缘板最大，上翼缘板次之，腹板最小。A1 至 A3 组合梁的钢梁屈服荷载点分别为 727kN、880kN、770kN，均为下翼缘板的屈服，可以看出 2 组波形钢腹板组合梁(A1、A3）的钢梁屈服荷载低于平钢腹板组合梁(A2)，主要是因为波形钢腹板工字钢纵向刚度弱，组合截面中心轴位置高于平钢板工字钢，导致波形钢腹板工字梁下翼缘早于平钢板进入屈服阶段。对于跨中附近-截面，可以看出 2 组波形钢腹板组合梁的腹板的应变随着荷载的增加仅仅略微增加，而平钢腹板组合梁的腹板应变随着荷载的增加有较大程度的增加，这是因为波形钢腹板的褶皱效应，即腹板的波折状使得腹板在纵向承受轴向力的能力较弱，有效的释放了沿纵向的应变。另外，对比 A1 和 A2 应变分布可知，A1 跨中及附近下翼缘板受拉应变均进入强化阶段，且拉应变明显大于 A2，也可以说明 A1 下翼缘抗弯贡献高于 A2，因此忽略波形腹板抗弯时，其负弯矩区抗弯承载力仍不低于平腹板组合梁。-4000-20000200040000200400600800100012001400荷载(kN)应变()-截面上翼缘 -截面腹板 -截面下翼缘 -截面上翼缘 -截面腹板 -截面下翼缘-18001800 A1-4000-20000200040000200400600800100012001400荷载(kN)应变()-截面上翼缘 -截面腹板 -截面下翼缘 -截面上翼缘 -截面腹板 -截面下翼缘-18001800 A2-4000-20000200040000200400600800100012001400荷载(kN)应变()-截面上翼缘 -截面腹板 -截面下翼缘 -截面上翼缘 -截面腹板 -截面下翼缘-18001800 A3 图 8 钢梁荷载-应变曲线 2.5 截面纵向应变分布规律 图9为三组试验梁的跨中附近截面(最靠近跨中的槽孔截面)纵向应变沿高度方向分布图，由于跨中处存在加劲肋且为加载处，故取跨中附近截面分析，其中 F及 G 点分别为下层及上层钢筋应变。由图可知，与 A2平钢板组合梁相比，A1、A3 波形钢腹板组合梁受波形钢腹板手风琴效应影响，波形钢腹板纵向应变较小。3组试验梁初始的中性轴基本均位于桥面板内，随着荷中国科技期刊数据库 工业 A-78-载的增加，桥面板开裂，中性轴不断下移，且钢梁上翼缘板由受压逐渐转为受拉，但仅在组合梁最终破坏时才达到屈服应变。从图 9 可以看出，A2 截面纵向应变满足平截面假定，而A1和A3构件腹板应变几乎为0，混凝土顶板和工字钢上下翼缘板满足平截面假定。在达到极限荷载 Pu 时，A1 工字钢梁下翼缘拉应变为 4480，而A2和A3受拉侧最大拉应变为2400和2420，即考虑波形钢腹板和 UHPC 组合效应，A1 下翼缘板受拉应变强化效应更加显著，可以提升组合梁负弯矩区抗弯承载力，从而弥补腹板轴向刚度弱及抗弯贡献小的不足。-5000-4000-3000-2000-1000010002000300040000100200300400500600高度(mm)应变()0.10Pu 0.20Pu 0.40Pu 0.60Pu 0.80Pu 1.00PuABCDEFGUHPC桥面板钢梁上翼缘板波形钢腹板钢梁下翼缘板（a）A1-5000-4000-3000-2000-1000010002000300040000100200300400500600高度(mm)应变()0.10Pu 0.20Pu 0.40Pu 0.60Pu 0.80Pu 1.00PuABCDEFGUHPC桥面板钢梁上翼缘板平钢腹板钢梁下翼缘板（b）A2-5000-4000-3000-2000-1000010002000300040000100200300400500600高度(mm)应变()0.10Pu 0.20Pu 0.40Pu 0.60Pu 0.80Pu 1.00PuABCDEFGNC桥面板钢梁上翼缘板波形钢腹板钢梁下翼缘板（c）A3 图 9 截面纵向应变沿高度方向分布图 2.6 钢混相对滑移 图 10 为四组试验梁的钢混滑移沿梁长分布图，从图中可以看出，由于群钉效应，3 组梁的钢混沿梁长的最大滑移基本出现 HY4 位置，槽孔位置的滑移大部分时间要小于非槽孔位置，3 组梁的最大滑移在 0.9Pu时均不超过 1.2mm(最终破坏时组合梁的挠度过大，对滑移有较大影响，故此处选择 0.9Pu)。总体而言，UHPC组合梁的滑移要小于普通混凝土的组合梁。0400800120016000.00.40.81.21.6相对滑移(mm)距支点的距离(mm)0.10Pu 0.20Pu 0.40Pu 0.60Pu 0.80Pu 0.90PuHY1HY2HY3HY4HY5（a）A1 0400800120016000.00.40.81.21.6相对滑移(mm)距支点的距离(mm)0.10Pu 0.20Pu 0.40Pu 0.60Pu 0.80Pu 0.90PuHY1HY2HY3HY4HY5（b）A2 020040060080010001200140016000.00.40.81.21.6相对滑移(mm)距支点的距离(mm)0.10Pu 0.20Pu 0.40Pu 0.60Pu 0.80Pu 0.90PuHY1HY2HY3HY4HY5（c）A3 图 10 各试验梁钢混滑移沿梁长分布 中国科技期刊数据库 工业 A-79-3 结论 本文开展了 3 组装配式钢-UHPC 工字钢组合梁负弯矩区承载试验研究，分析了腹板形式、桥面板强度对组合梁负弯矩区受力性能的影响，主要结论如下：（1）相比传统平腹板工字钢组合梁，波形钢腹板纵向刚度较弱，轴向不抗拉压，能够有效的防止应力过于集中于跨中，其桥面板裂缝发展较慢且分布较为均匀，UHPC 混凝土板的裂缝表现为细而密，而 NC 混凝土板裂缝分布宽且粗。（2）与平腹板-UHPC 工字钢组合梁相比，波形腹板-UHPC 工字钢组合梁具有更好的抗裂性和延性，两者抗弯承载力相差不大，屈服强度和抗弯刚度略有降低；桥面板采用 UHPC 相比 NC 组合梁，负弯矩区开裂荷载可提高 1 倍，且刚度和延性也有大幅度提升，但桥面板强度对负弯矩区极限抗弯承载力的影响较小。（3）考虑波形钢腹板和 UHPC 组合效应，工字钢下翼缘板受拉应变强化效应较平腹板组合梁更加显著，可以提升波形腹板-UHPC 组合梁负弯矩区抗弯承载力，从而弥补波形钢腹板轴向刚度弱及抗弯贡献小的不足。参考文献 1 聂 建 国,张 眉 河.钢-混 凝 土 组 合 梁 负 弯 矩 区 板 裂 缝 的 研 究 J.清 华 大 学 学 报:自 然 科 学版,1997,37(6):97-101.2Manfredi G,Fabbrocino G,Cosenza E.Modeling of steel-concrete composite beams under negative bendingJ.Engineering 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