波形钢腹板钢管混凝土梁受弯试验研究.pdf

第 2 9卷第 1 期 2 0 0 8年 2月 建筑结构学报 J o u rna l o f B u i l d i n g S t r u c t u r e s Vo l _ 2 9 No 1 F e b 2 0 0 8 文章编号 ： 1 0 0 0 - 6 8 6 9 ( 2 0 0 8 ) O 1 -0 0 7 5 - 0 8 波形钢腹板钢管混凝土梁 受弯试验研究 陈宝春， 高婧 ( 福州 大学 土木工 程学 院 ， 福 建福州 3 5 0 0 0 2 ) 摘要： 提 出了一种新型的组合结构波形钢腹板钢管混凝土梁 ， 进行了 3根模型梁的受弯试验。对试验梁 的变形、 应变、 破坏模式和极限承载力等进行了分析 ， 比较了上下弦管填充混凝土对梁受力性能的作用 ， 并与钢管混凝土桁梁的试验结果 进行 了对比。结果表明 ， 与钢管混凝土桁梁相 比， 波形钢腹板钢管混凝土梁避免 了节点破坏问题 ， 其抗弯刚度和极限承载 力得到较 大的提高； 上弦钢管填充混凝土对提高极限承载力作用很大 ， 下弦钢管填充混凝土也能提高梁的极限承载力 ， 但 作用小于上弦管 ； “ 拟平截面假定” 的计算方法可以用 于波形钢腹板钢管混凝土梁的极限承载力计算 。 关键词 ： 钢管混凝土 ； 波形钢腹板 ； 梁 ； 试验 ； 极限承载力 中图分类号 ： T U 3 9 8 9 T U 3 1 7 1 文献标识码： A Ex p e r i me n t a l s t u d i e s o n c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b u l a r b e a m wi t h c o r r u g a t e d s t e e l we b u n d e r b e n d i n g CHEN Ba o c h un，GAO J i n g ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g ，F u z h o u U n i v e r s i t y ， F u z h o u 3 5 0 0 0 2 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：A n e w c o m p o s i t e s t r u c t u r e ，c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b u l a r ( C F S T)b e a m w i t h c o r r u g a t e d s t e e l w e b ，W E t S p r e s e n t e d Ex p e rime n t s o f t h r e e b e a ms we r e c a r r i e d o u t S t r e s s e s ，d i s p l a c e me n t s ，f a i l u r e mo d e s a n d u l t i ma t e c a r r y i n g c a p a c i t y o f t h e b e a ms w e l e a n aly z e d and c o mp are d w i t h e a c h o t h e r a s w e l l a s C F S T t r u s s b e a mE x p e ri m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t j o i n t f a i l u r e i n CF S T t rus s b e am V an b e a v o i d e d b y s u b s t i t u t i n g we b t u b u l ar me mb e r s wi t h c o r r u g a t e d s t e e l we b，an d t h e fi e x i b l e rig i d i t y a n d u l t i ma t e l o o d c a r r y i n g c a p a c i t y i S i mp r o v e d c o n s i d e r a b l y F i l l i n g c o n c r e t e i n t o t h e s t e e l t u b e wi l l l e a d t o h i 【g h e r l o a d c a r r y i n g c a p a c i t y H o w e v e r t h i s i m p r o v e m e n t i S m o r e e v i d e n t i n u p p e r c h o r d t h a n t h a t i n b o t t o m c h o r d T h e Q u a s i P l ane S e c t i o n me t h o d c a n b e u s e d i n c a l c u l a t i o n o f l o a d c a r r y i n g c a p a c i t y o f CF S T b e a m wi t h c o r r u g a t e d s t e e l we b Ke y wo r d s：c o n c r e t e f i l l e d s t e e l t u b u l ar ；c o r r u g a t e d s t e e l we b；b e a m ；e x p e rime n t ；u l t i ma t e l o a d c a r r y i n g c a p a c i t y 0 波形钢腹板钢管混凝土梁的提出 钢管混凝 土构 件 以其 优越 的抗 压性 能主 要用作 以 受压为主的建筑 物柱 、 桥 墩 、 拱 肋等 。 日本 也 已将钢 管 混凝土( 单 圆管 ) 作为梁应用于铁 路桥之 中 ， 它与钢梁 桥相 比可 降低噪声 、 减小振 动。实际上 ， 用 于梁 ， 单 圆管 截 面的抗 弯效率太 低 ， 相对 而言 ， 由上下 两根 圆管和腹 板组成 的哑铃型截面抗 弯效率 可能更 适合。文献 2 进 行了钢管混凝土哑铃形梁受弯试验， 研究结果表明， 钢 管混凝土哑铃形梁具有 良好 的弹塑性 和延性 ， 构件挠度 达跨径的 1 2 0时仍能继续承载， 从这一点来说， 其截面 的抗弯刚度还 是偏 小。桁 梁 是受 弯结构 的合 理结构 形 基金项 目： 国家 自然科学基金 资助项 目( 5 0 7 7 8 0 4 3 ) 作者简介： 陈宝春( 1 9 5 8 一) ， 男， 福建罗源人 ， 教授。 收稿 日期 ： 2 0 0 6年 1 0月 式 ， 可 以以较小 的管截 面获得 较大 的抗 弯能 力。然而 ， 文献 3 所进 行 的钢 管混凝 土桁梁 的试验 结果表 明 ， 其 极限承载力 以节点强度控制 ， 不能充 分发挥结构 的整体 极 限承载力。 法国 1 9 8 8年建成的 Ma u p r e 桥 曾采用 了以钢管混凝 土为下 弦杆 、 波形钢板 为腹 板 的组 合梁 。该桥为七 跨 连续梁桥 ， 主梁截面为等腰三角形， 下弦管仅一根钢管 混凝 土构件 ， 上 翼缘为 钢筋混 凝土板 ( 设 置横 向预应 力 筋 ) ， 在截 面内部 有设 置纵 向预应 力体 外索 。在前述 对 钢管 混凝 土哑铃 形梁 、 桁 梁受 弯试验 研究 的基础上 ， 受 7 5 维普资讯 http:/ 法 国 Ma u p r e 桥主梁 结构 的启 发 ， 本文 提 出波形 钢 腹板 钢管混凝土梁这一新型组合结构 ， 其上下 弦管 为钢管混 凝 土构件 ， 上下 弦管之 间用波形钢 腹板联 接 ， 这样 与钢 管混 凝土桁 梁相 比， 可以从根本 上消除 节点 ， 提 高结构 的极限承载力； 与钢管混凝土哑铃形梁相比， 提高了截 面抗弯能力 。 波形钢板具有 较高 的剪切 屈 曲强度 。相 比于平钢 板 ， 波形钢板的面外 刚度 和受剪承载力 的较高 。用波形 钢板作 为混凝土箱梁的腹板 ， 不但 可满足 腹板的力学性 能要求 ， 而且 大幅度 的减轻 了主梁 自重 ， 缩减 了包括 基 础在内的下部结构所承受 的上部恒载 ， 还 省去 了施 工时 在腹板中布 置钢筋 、 设置模 板等 繁杂 的工作 。此外 ， 波 形钢板纵向伸缩 自由的特点使得其几乎 不抵抗轴 向力 ， 能更有效地对混凝土桥面板施加预 应力 ， 提高 了预应力 效率。这种组合 结构 能减少 工程量 、 缩短 工期 、 降低 成 本 ， 在施工性能和经济性能方 面具 有很大 的吸引力 。波 形钢腹板 P C组 合箱梁桥技 术 自 1 9 8 5年法 国 C o g n a c桥 建成 以来 ， 已在世 界范 围内得到 广泛的应 用 ， 现 已建成 了8 0余座， 并推广到部分斜拉桥和斜拉桥 。本文第 一 作者最近提 出了在 混凝 土拱桥 中用 波形钢 腹板 代替 混凝土腹板的设想 ， 并进行 了跨径 4 2 0 m和 1 6 0 m的波形 钢腹板混凝土拱桥 的试设计研究 。当这种桥 梁采用 钢管混凝土劲性骨架施工时 ， 施工 阶段的劲性 骨架就是 波形钢腹板钢 管混凝 土拱 。与 波形钢 腹板 P C梁相 比， 波形钢腹板钢 管混 凝土 梁 中波 形钢腹 板 可直接 焊接在 钢管 上 ， 省去 了联接件构 造 ， 钢管 混凝土 弦杆 的承载力 也 比普通混凝 土高 ， 可以不施加预应力。 无论是将 波形钢 腹板钢 管混 凝土 梁直接 用 于受 弯 的结 构 中， 还是 将其用 于受压 弯的拱 中 ， 为 了解 这种 新 型组合结构的基本受力性能 ， 均有 必要对其 进行试验 研 究 。本文对波形钢 腹板钢 管混 凝 土梁进行 了受 弯加 载 的试验 ， 并与上下弦杆不填充 混凝土和仅 上弦填充混 凝 土的波形钢腹板钢管 梁进行 了比较 ， 对 3 个 试件 的变形 与应变 、 破坏模式和极限承载力进行 了重点考察 。 1 试验概况 1 1 构件设计和材料特性 为便于 比较 ， 本文 试件采 用与文献 3 中相 同的弦 管截 面 形 式 。试 验 梁 全 长 3 0 0 8 m m， 高 4 8 8 m m， 宽 2 2 2 m m， 计算长度 ( 理 论 支承 线 间距 ) 2 8 8 0 m m。弦 杆采 用 ( 1 ) 8 91 8有 缝 钢 管 ， 径 厚 比为 4 9 4 ， 平 联 采 用 ( 1 ) 6 01 6 有缝钢管 。弦杆、 腹 板和平联 完全焊接连接 。 腹板采用板厚为 2 m m的波形 钢板。每根构 件的用 钢量 约 1 1 8 k g ， 略高于钢 管混凝 土桁梁 每根 的用钢量 1 l O k g 。 应该指 出的是 ， 由于受 市面上材 料规格 的限制本试 验梁 采用的 2 m m 的波形钢板偏厚 ， 因此实 际的波形钢腹板钢 76 管混凝土梁的用钢量不会高于钢管混凝土桁 梁。 支座处将下平联管径 和壁厚加大为 ( 1 )1 4 0 6 0的 圆管 ， 内填 混凝 土。为使梁端部 处的波形钢 板不至于过 早屈 曲， 在 梁 的 理论 支 承线 处 加设 加 劲 板 ( 两 端 各 1 块 ) ， 同时在加载位 置各设 4根 加劲管 。试 验 梁构造见 图 1 。 ( a ) 总体布置图 l J ( b ) 横截面图 ( c ) 波形钢板构造图 图 1 试验 梁构 造图 Fi g 1 Co n f i g ur a t ion o f t e s t b e a m 试验梁 共 3根 ， 分 别 是 上 下 弦管 均 为 空 钢 管 ( A 梁 ) 、 上弦 管填 C 4 0混 凝 土 ( B梁 ) 及 上 下 弦 管 均填 充 C 4 0 7 昆 凝 土( c梁 ) 。由于 A梁上 弦管为空钢 管 ， 为 了防 止加载点处发生局部屈曲 ， 在上弦管 L 4截面左右 1 5 c m 范围内填充混凝土 以局部加强。 管 内混凝土的配合 比为 ： 4 2 5号普通 硅酸盐水泥： 砂： 碎石 ： 水 =1 ： 1 1 6 ： 2 1 5 3 ： 0 4 4 A 。浇灌混凝 土时 ， 将 构件竖立 ， 从未焊盖板的上弦杆杆端 和端部下 平联开 口 处灌 入混凝 土 ， 用 ( 1 ) 5 0插 入式 振捣棒伸 入钢 管 内部 振 捣 ， 同时在试件 的管壁外部用 振捣棒 和木锤侧振 。等混 凝土硬化收缩后将杆端混凝 土磨 平 ， 在上 弦杆杆端 焊上 封头盖板 ， 并对下平联开洞处进行补焊 。 材性试验结果 ： 钢材 屈服强度 =4 2 8 MP a ， 屈服应 变 =2 0 4 81 0 ， 极限强度 。 =5 3 3 MP a ， 弹性模量 E = 2 0 91 0 MP a ， 泊松 比 =0 2 5 9 。 混凝土立方体抗压 强度为 ：5 5 MP a ， 弹性模量 E ：0 3 4 71 0 MP a 。 1 2 试验装置 试验梁置于两个钢 台座上 ， 梁两端 的下平联 与台座 上的摩擦板直 接接触 ， 试件绕 下平 联支 承 点可 以转动 。 试验在 5 0 0 t 压力机上进行 ， 加载板 置于试件 跨 中上方 ， 通过分配梁 对 试件 进 行对 称 点 ( 距试 验 梁左 端 L 4及 3 L 4处) 受弯加载 ， 试验装置照片见图2 。 试验 采 用 分 级 加 载 ， 每 级 荷 载 的持 荷 时 间 约 为 3 m i n ， 弹性范 围内每级荷 载 为计算 极 限荷载 的 1 1 0 ， 当 维普资讯 http:/ 图 2 试验装置照片 Fi g 2 Te s t s e t u p 试件荷 载一 跨中挠度曲线进入 非线性 后每级 荷载约 为计 算极限荷载的 1 2 0 。当接近破坏时慢速连续加载， 同时 连续记 录各级荷载所对应 的变形 值 ， 直至荷 载无法施 加 时停止试验 。 1 3测点布置 为 了测量构件的应变与位移变 化 ， 在试件 的上 下弦 管上设置 了 1 6个 单 向应变 片 以测 定 弦管应 变 ， 在 波 形 钢腹板上设置 了 4 9个 应变 花 以测定 剪应 变 。同时 ， 在 下弦管 的 L 4 、 L 2 及 3 L 4位置设 置 了 6个百分 表 以测 定梁的挠度。图 3所示为 测点布置 图。应变 片、 百分表 读数采用数据 自动采集 系统采集 。 一 三 向应变花0 玎分表 ( a )加载点 、 挠度和波形钢腹板应 变测点 布置 图 测点2 测点4 测点6 测点8 测点l 0 测前 2 测点 l 4 测点l 6 ( c ) F弦管单向应变片布置 图 图 3 测量装置 布置图 F i g 3 Di s t r i b ut i o n o f s t r a i n g a u g e s 2 试验结果分析 2 1 变形分析 在对称荷载作用 下 ， 结构 的位移是对 称 的。图 4所 示为试验梁 跨 中与左 端加 载点 截 面 的荷 载 挠 度 曲线 。 图中曲线 可分为三段 ， 即弹性 段 、 弹塑性 段及 强化段 ， 它 不同于钢 管混凝 土桁梁 因节 点破 坏而有 一 下降 台阶 的 左端加载点处挠度 n u n C o ) 左端加载点截面 图 4 荷载一 挠度 曲线 F i g 4 L 0 a d d e fl e c ti o n c u IN e s 荷载 挠度 曲线 ， 而与波形钢 腹板 P C梁的荷 载 挠度曲 线相似 。 在加载初期 ， 即作用在 A 、 B 、 C梁上荷载 F分别在 0 1 6 5 k N 、 01 8 5 k N 、 0 2 1 5 k N范 围内时， 试 验梁 的挠度 随荷载基本 呈线 性变 化 ， 粱 处 于弹性 工作 状态 。此后 ， 荷 载一 挠度曲线开始偏 离原来 的直线 ， 进入挠度与荷载增 长均 不 明显的非线 性段 ， 斜率不 断减小 ， 梁进入 弹塑性 阶段 ； 当施加在 A 、 B 、 C梁上 的荷载 F分别超 过 1 8 5 k N 、 2 1 0 k N及 2 4 5 k N后 ， 荷 载一 挠度 曲线呈 线性 增长 ， 梁 的挠 曲变 形迅速 增长 而荷载增 长缓慢 ， 结构 进入强 化段 ， 此 时上 、 下弦管钢管外缘均 已进入塑性段 。当 A、 B 、 C梁上 的荷载 F分别达到 1 9 0 k N 、 2 4 0 k N及 2 6 5 k N时 ， 荷载达到 峰值 ， 此时视 为梁达 到极 限承载力 ， 随后 曲线 出现 急剧 的下降段 ， 停止试 验。 文献 3 所 进行 的钢管混 凝土桁 梁试验 ， 相应 于本 文 A、 B 、 C梁( 弦管是否填 充混凝 土) 的 B 0 、 B 1和 B 2梁 的极限荷 载分 别 为 9 2 5 k N、 1 0 7 5 k N和 1 4 7 5 k N， 显 然 小于波形钢腹板 钢管混 凝土梁 的承载力 。换言 之 ， 波形 钢腹板 取代钢管腹板避 免了节点局部破 坏 ， 大大提 高了 钢 管混凝 土梁 的承载力 。 图 5为试验梁挠度 曲线 ， 试 验梁 的变形基本是 对称 的 ， 而且变形 曲线相似 ， 基本上 为半波正 弦曲线 ， 更接 近 于实体梁。弦管填充混凝土对梁的整体变形形状影响 很小 ， 但 随上 、 下 弦杆从钢管变 为钢管混凝 土 ， 梁的抗弯 77 维普资讯 http:/ l 越 媛 l 媛 墨 嚣 距左支承 点的距离 0 0 0 北0 6 L 0 8 L ( a ) 试验粱A 距左支 承点的距离 0 0 2 L 0 4 L 0 6 L 0 8 L 三 ( b ) 试验粱B 距 左支承点的距 离 0 0 I2 L 0 4 L 0 配0 8 三 三 ( c 斌 验粱C 图 5 试验梁变形 曲线 Fi g 5 De f l e c t i o n c ur v e s o f be a ms 刚度增大 ， 相 同荷载作用下的挠度 值相应降 低。但 由于 承载力 的提高 ， 其 极限变形 值反 而增大 ， A、 B 、 c梁 极 限 荷载所 对 应 的跨 中挠 度 分别 为 1 4 3 8 m m、 4 4 1 3 m m、 4 8 0 3 m m， 为计算跨度 的 1 2 0 0 、 1 6 5 、 1 6 0 。 文献 3 所进行 的3根钢管混凝土桁梁 B 0 、 B 1和 B 2的试验 ， 极限荷载分别为 9 2 5 k N 、 1 0 7 5 k N和 1 4 7 5 k N ， 所 对 应 的最 大 挠 度 分 别 为 2 2 3 5 m m、 1 9 5 7 m m 和 1 8 2 2 m m， 分别为计 算跨度 的 1 1 2 8 、 1 1 4 7 、 1 1 5 8 ， 而在 相同荷 载作用下 ， 3根波形 钢腹板钢 管混凝 土梁 的跨 中 挠度分别为 4 7 3 m m， 5 2 8 m m， 5 8 1 m m， 仅为计算跨 度 的 1 6 0 8 ， 1 5 6 6 ， 1 4 9 5 ， 且此时梁仍处于弹性阶段， 因此波 形钢腹板 钢管 混 凝土 梁 的刚度 大 于 钢管 混 凝土 桁 梁 。 从文献 3 可知 钢管 混凝土桁 梁 的变 形 ， 除 了梁 的整体 变形外 ， 还有相 当大的节点变形 。 78 2 2 弦管纵向正应变 图 6为试 验梁 上 、 下 弦钢 管 正应 变 随 荷 载变 化 曲 线。由图6 a 可知， A梁上弦管应变在整个试验过程均处 于弹性 阶段 ( 最 大压应 变仅 1 9 8 51 0 ， 小 于屈 服应变 2 0 4 8 1 0 ) ， 破 坏时 由于 上弦 管 的局部 压屈 引起 上弦 管的卸载 ， 荷载一 应变 曲线 还 出现 了一小段反 向 曲线 。B 梁 和 c梁 由于上弦管均为钢管混凝土 ， 管 内混凝 土与钢 管共 同承担 上弦杆 的压力使钢管 的应变 明显小于 A梁 ， 荷载一 应变 曲线斜率 较之 A梁 的要 大很 多 ， 且 曲线 有 明 显的非线性发展 段 和强 化段 。c梁 由于下 弦管 填充 混 凝土后提高 了抗拉 能力 ( 见下文分析 ) ， 所 以其上 弦管的 荷载 应变 曲线的非线性发展段要 大于 B梁 。 由图 6 b可以看 出， 与 上弦管相 比， 3根试验 梁 下弦 管荷载一 应变 曲线差异要小很多 。由于 下弦杆受 拉 ， 3根 梁早期 的荷载 应变 曲线非常接近 ， 弦管中是 否填充混凝 土对受力影响很小 。A梁在 上弦管 局部屈 曲后 ， 下弦管 拉力 突然增大迅速破坏 ， 荷载。 应变 曲线出现了一小段 的 水平段 。B梁和 c梁 由于属于整体破坏 ， 所 以荷载 应变 曲线在加载后期进入非线性段 。c梁的 曲线 高于 B梁 ， 且有水平发展段 ， 表 明管 内混凝土 对钢管 混凝土受拉 构 件 的后期受力有利 。由文献 1 0 分 析可知 ， 钢管混 凝土 轴 心受拉 时 ， 钢管径 向将 发生收 缩 ， 但受 到管 内混凝 土 的约束 ， 使 钢管处 于纵 向和环 向受拉 、 径 向受压 的复 杂 应力状态 ， 分析表 明在这种受力状 态下钢 管的承载 能力 5 0 o 0 - 4 o o o 3 0 0 0 - 2 O 0 0 1 O 0 0 o ( x 1 0 1 ( a ) 上弦管荷载 跨中应变图 3 oo 2 5 O 2 O O 差 l 00 5 O 0 8 ( x l ) 下弦管荷载一 跨中应变图 图6 弦管荷载一 应变关系曲线 F i g 6 L 0 a d s t r a i n c u r v e s o f c h o r d s o I， =I 号 ： 舶 。 号 ： 舶 。 号 ： 舶 舶 维普资讯 http:/ 大于单 向受 拉 的 承 载力 。D L T 5 0 8 5 -1 9 9 9 、 D B J 1 3 5 1 2 0 0 3考虑 了钢管混凝 土构件抗拉 强度 的提高 ， 取其 为单 向受拉承载力 的 1 1 倍 。 2 3钢腹板应 变 2 3 1 钢腹板纵 向应变 各级试验 荷载作用 下 ， 3根 试验梁跨 中全截 面纵 向 应变沿截面高度 分布规 律基本相 同 ， 如 图 7所示 。波形 钢腹板 的应 变沿腹板 高度基 本不变 ， 且数值 很小 ， 比上 下弦管的应变明显小很 多。3根梁 比较而 言 ， 波形板 中 的纵向应 变以 C梁最大 ， B梁次之 ， A梁最小 。由于波形 钢腹板 的折叠 效应 ， 截 面变形 不符 合“ 平截 面假定 ” ， 明 显不 同于一般 的组合 梁 的受 力 性质 ， 这 与 波形 钢 腹板 P C梁相似 。 。 与图 7的跨 中截 面相 比， 图 8所 示 距 梁 左 支 承点 L 8 处截面 变形 也不符 合 “ 平 截 面假 定” 。波 形钢 腹板 ， 。 。 一5 O ld 2 。 。 一 1 0 0k N l 5 0l i 一l 7 0l i 一 1 9 O k N l 。 30 ( 2 O l 0( f b 、 2 0 O l O 0 1 s( l 0 ( c ) C 粱 图7 跨中截面纵向应变沿高度分布图 Fi g 7 L o ng i t ud i na l s t r a i n d i s t r i b u t i o n o f mi d s pa n s e c t i o n 3 0 0 一5 0 l i l 0 0 k N l 一 1 5 0 k N 2 0 0 一l 7 O ld 一1 9 0 k N 1 0 Q s ( x l ( a ) A粱 4 0 0 3 0 0 J 2 O O l O O 一 ， s ( 1 0 ( b ) B 粱 2 3 0 k N J 。 s f 1 0 - 6 ) ( c ) C粱 图 8 离左支承端 L 8截面钢腹板纵向 应变沿截 面高度变化 图 Fi g 8 Lo n g i t ud i n al s a i n d i s t rib u t i o n o f L 8 s e c t i o n 的纵向应变值也不大， 但与上下弦管纵向应变的差值比 跨 中截面的小 ， 其 中尤 以 c梁为 突出 ， 在 受力后期 ， c梁 波形钢腹板 的纵 向应变甚至会超 出上下弦管 的应变值。 2 3 2 钢腹板竖向剪应变 试验 中波形 钢腹板 的剪 应变采 用三 向应变 花来 测 定， 根据实测值按下式来计算相应测点的剪应变 = 2 6 4 5 。一( 0 。+ 9 0 。 ) ( 1 ) 式 中， 。 、 和 。 的下 角标表示应变花的不同角度 。 将所测的应变按式( 1 ) 算得的波形钢腹板最大剪应 变是离左支 承点 L 8截 面一半 梁高处 波形 钢腹板 斜板 上剪应变， 依此绘出试验梁荷载与离左支承点 L 8截面 的剪应变关系曲线见 图 9 。从 图 9可见 ， A、 B梁 只有线 7 9 舢 。 一 维普资讯 http:/ 图9 离左支承点 L 8 截 面的荷载一 剪应变 曲线 F i g 9 L o a d s h e a r s t r a i n e u l v e s o f L 8 s e c t i o n g g 握 匿 罐 遥 露 g g 越 檀 嚏 锰 鳝 器 窿 g g 袒 窿 罐 辎 罪 蛰 鲻 ( C ) C梁 图 1 0离左支承点 L 8截面钢腹板剪应变沿截面高度分布图 Fi g 1 0 S h e a r s t r a i n di s t r i b ut i o n o f L 8 s e c t i on 性段 ， C梁在 荷载达到 2 3 0 k N后转入快速增 长段 。在早 期的线性段 ， 3 根 梁的剪切 刚度几 乎相 同， 说 明上 、 下 弦 8 0 管是否填充混凝 土对 波形钢 腹板 的抗剪 强度并 没有影 响。由于 A、 B梁均为 弦管破坏引起 ， 波形钢腹板 的剪应 变还不大 ， 所 以都还处 于线性 段 ， 而 C梁 由于上 下弦管 填充 了混凝土后具有较 大的承载力 ， 粱 的破坏是 由于下 弦管屈服后 ， 导致 离左支 承点 L 8截 面附近波形钢腹板 的局部屈曲 ， 所以其剪应变很大 ， 进入了快速增长段 。 图 1 O为试验梁离左支 承点 L 8截面处剪应变 沿截 面高度分布 图。从 图 中可 以看 出， 在 弹性 范 围内 ， 剪应 变在同一截面上的分布基本符合普通梁理论中的分布 规律 。然而 ， 在 受力 后期 当腹板 剪应 变较 大后 ， 由于波 形板 的折叠 效 应 ， 使得 剪应变 沿 高 度 的分 布 规律 性较 差 ， 与普通梁的分布规律 不同。在相同载荷作 用下 ， c梁 腹板 中的剪应变要 远大 于其它两根试 验梁 ， 这与 图 9中 波形钢腹板纵 向应变 值 的规律 相 似。C梁 剪应 变 因其 受荷 后 期 的数 值 太 大 ， 图 l O c中仅 画 出 荷 载 不 大 于 2 2 0 k N( 破坏荷 载为 2 6 5 k N) 的应变 值。 3 极限承载力 3 1 破坏模式 3根试 验梁 由于弦管截 面的不同 ， 其破 坏形式也 不 尽相 同。A梁的上下弦杆均为 空钢管 ， 试 验梁 的破 坏非 常突然 ， 表现为加 载点至跨 中段 上弦管 的局部 屈呈褶 皱状 ( 如 图 1 1所示 ) ， 波 形 钢腹 板并 未 出现 屈 曲破 坏。 梁破坏时上弦管的最大压应 变为 1 9 8 5 1 0 ， 小 于屈服 应变 2 0 4 81 0 ， 仍处于线弹性范围， 而下弦管最大拉 应变为 2 7 8 61 0 ， 已进入弹塑性段 。此 时波形钢腹 板 上的最大剪 应变仅 为 I 8 0 41 0 I ” 。所 以 A梁属 于上 弦 管局部屈曲引起 的破坏 ， 这与文献 1 3 所进行 的上下 翼 缘为厚钢板 的波形钢 腹板 梁 的试验现 象相 同。该试 验 中， 梁的破 坏为上翼缘板 的局部屈曲 。 图 1 1 试验粱 A破坏模式 F i g 1 1 F a i l u r e mo d e o f B e a m A B梁上弦杆为钢管混凝 土构件 而下 弦杆 为空钢 管 ， 粱破 坏时 ， 上 、 下 弦管所对 应 的最 大应 变分别 为 6 1 8 4 1 O ( 压应变 ) ， 1 9 6 3 21 0 ， 均 已进入 塑性 段 。所 以 B 梁 的破坏 是 由于 下 弦管 受拉 屈 服 而使 梁 丧失 承 载力 。 此时 ， 波形钢 腹板 的最大应 变为 2 5 6 81 0， 仍 处于 弹 维普资讯 http:/ 塑性段 。B梁破坏时整根 梁未发现 局部破坏 现象 ， 属 于 整体破坏 。 C梁上下 弦杆均 为 钢管 混凝 土构 件 。当作 用在 梁 上的荷载达到 2 3 0 k N时 ， 下弦管在两加 载点 之间 的所 有 应变均达到 或超 过屈 服应 变 ( 最 小 为 2 1 6 5 X 1 0 ) ， 此 后 ， 离支承点 L 8截 面 处波 形 钢腹 板 的剪 应变 突 然 增 加 ， 靠 近端板部 位 的腹板 中间鼓 出 ， 而部分 截 面的腹板 在靠近弦管部位鼓出。因此， c梁的破坏是 由于下弦管 的受拉屈服并 导致波形钢腹 板局部 屈 曲， 而使 梁丧失 承 载力。梁破坏 时 ， 上 、 下弦杆 的 最大 应变 为 4 0 4 5 X 1 0 ( 压应变 ) 、 4 5 7 9 X 1 0 ， 而波形 钢腹板 上 的最 大剪 应变 达 3 1 1 3 8 X 1 0 ， 波形板的局部破坏 如图 1 2所示 。 图 l 2 试验梁 C破坏模式 F i g 1 2 F a i l u r e mo d e o f B e a m C 从 3 根试验梁 的破坏模 式可 以看 出 ， 上 弦管是否 为 钢管混凝 土对 此类结 构 的受力 影 响很大 。B和 C梁上 弦杆采用了钢管混凝土 ， 避免 了 A梁 的上 弦钢管的局部 屈 曲破坏 ， 使结 构的破 坏模式 为下 弦杆 的拉屈 引起 ， 从 而提 高了结构 的承 载能力 。B 、 c梁 相 比， c梁下 弦管填 充了混凝 土 ， 钢管受拉径 向收缩会 受 到管 内混凝 土 的约 束 ， 从而其抗 拉能 力略 有提 高。试验结 果 表 明 ， 上 下 弦 管填 充混凝土均可提高波形钢腹 板钢管梁 的承 载力 ， 但 上弦管填充混凝土 的效果明显 高于 下弦管 ， B梁承 载力 2 4 0 k N为 A梁承载力 1 9 0 k N的 1 2 6 3倍 。 而 C梁 承载力 2 6 5 k N仅 为 B梁承载力 2 4 0 k N的 1 1 0 4倍 。 3 2极限承载力 大量研究表明 ， 波形钢腹板组 合梁 中波形钢腹 板对 抗弯能力的贡献很小 ， 可以忽略不 计 。同时虽 然全 截 面的纵 向应变 ( 力 ) 不符合平 截面假定 ， 但上 下翼 板之 间符合“ 拟平截面假定” ， 也 就是说 波形 钢腹板具有 很强 的剪切刚度 ， 基 本上 能 保证 上 下 弦杆 抗 弯 时 的共 同作 用。因此， 波形钢腹板组合梁的极限承载力计算 ， 一般 不按实体梁来计算， 而是按桁梁来计算， 即假定弯矩 由 上下翼板组 成的全 截面来 承担 ， 而不考 虑波形 钢腹板 的 抗弯作用 ， 也不考虑上下翼板之间 弯 曲剪 应力作用 下的 剪切错动 。对 于本文所 提 出的波 形钢 腹板 钢管 混凝 土 梁， 其受弯承载力和变形则按上下弦钢管混凝土构成的 类似桁式的截面来计算， 如图 1 3所示。 图 1 3 极 限承 载力计算示意 图 F i g 1 3 S k e t c h f o r l o a d c a r r y i n g c a p a c i t y 根据力 的平衡条件 一 = 0 1 争 + ，v2 粤 + + ： 2 式 中符号意义见图 1 3所示 。 由试验可知 ， 波形钢腹板 钢管混凝 土上下弦管 在各 受荷阶段基本能保 持平截 面假定 ， 根据 刚度分配原则 可 得 。= ， = M 其 中， O t l= ( E 1 ) ( E 1 )， O l 2= ( E 1 ) ， ( E 1 ) ， ( E 1 ) l= E ， 】 +E ， r ， ( E 1 ) ，=E ， s 1 +E l c 2 ； E 、 E 分别为钢管和 混凝 土的弹性模量 ； A A 分别为 上下弦杆单 肢钢管 的 面积 ； ， 。 、 ， ： 分别为上 、 下弦管的抗弯惯性矩 ； ， 分别 为上 、 下弦管 内的混凝土抗弯惯性矩 ； 为上下弦管截面 中心线 的距离 。 由式 ( 2 ) 、 ( 3 ) ， 可求得上下 弦杆 的内力 和 ， 即 N ： ( 4) ，=号 一 ( 4) 由式 ( 3 ) 和 ( 4 ) 可 以求得在梁 上荷载作用 下上下弦 杆的内力值 和 ， 并根据其极限承载力反算梁的极 限荷载 F 和 ， 取二者之中的小值作为该梁的极限荷 载。3 根试验梁的具体计算如下： ( 1 )A梁上 、 下弦管均为空 钢管 ， 故 O t =O t ， 下弦管 受拉 ， N 2 =2 f ,A ( 下弦管有两根 ， 下同) ， 从而得 F 。 上弦 管受压 ， 但 受 到波形腹 板 的约 束 ， 认 为不存 在总体 失稳 的问题 ， 破 坏 的可能是 局部失 稳和强度 破坏 ， 局部 失稳 的临界应力值 采用式( 5 ) H 。 。 计算， 取 和钢材屈服 强度 的小者求得截面的极限强度 。 和 ， 代入式 ( 6 ) ， 可得 F 。 。 对于本文的试 验梁， F N 2 。 表 1 给出3根试件的极限承载力试验值与计算值。 81 维普资讯 http:/ 从 中可看出 ， 两 者相差 在 5 以 内， 试验 值 略高 于理 论 值 。 表 1 极限承载力 Tab l e 1 Ul t i mat e be a r i ng c apa c i t y 4 结语 ( 1 )本文提 出的波形钢 腹板 钢管混 凝 土梁能应 用 于梁式结构和拱式结构之中。与钢管混凝土桁梁相 比， 避免了节点破坏问题， 其抗弯剐度和极限承载力要大许 多 ， 而用钢量相 当。与波形钢腹板 P C梁相 比， 不需 要剪 力联接件 ， 且 由于钢管混凝 土具 有较大 的抗 压承载 力和 刚度， 不需施加预应力， 节约了投资、 方便了施工。本文 的初步研 究表 明 ， 波形钢腹板 钢管混凝 土梁是具有 发展 潜力 、 值得深入研究的一种新 型组合结构 。 ( 2 )波形钢 腹板钢 管混 凝土 梁荷载 一挠度 曲线 与 波形钢腹板 P C梁相似。梁的变形曲线与一般梁相似， 为半波正弦曲线 。3根试验 梁 的试 验结果 表 明， 梁 的刚 度和极限承载力随着上下弦杆填充混凝土而得到提高。 ( 3 )波形钢 腹板 钢管 混凝土 梁受 弯时不 符合 一般 梁的平截 面假定 ， 波形钢腹板 的纵 向应 变明显小 于上下 弦管的应变。上下 弦管填充 混凝 土后 的 C梁 腹板 的剪 应变最大。其剪应变在弹性范围内符合梁理论中的应 变分布规律 ， 沿截面高度变化不大。 ( 4 )上下 弦杆未 填充混 凝土 的波形 钢腹板 钢管 梁 ( A梁) 的破坏是 由于上弦管的局部屈 曲引起 ， 上 弦管填 充 了混凝土而下 弦管 为空钢管 的 B梁 的破坏 是 由于下 弦管的弯拉屈服引起 的 ， 上下弦管均填 充 了混凝 土 的 c 梁的破坏是 由于下弦管屈服后 ， 导致腹板 的局部屈 曲引 起的。3 根 梁的极限 承载力从 大 到小 的排列 为 C梁 、 B 梁和