钢-混凝土双面组合连续梁的承载能力试验研究.pdf

第 5卷第 5期 2 0 0 8年 1 0月 铁道科学与工程学报 J OURN AL OF R AI L WAY SCI E NCE AN D EN GI NE E RI NG Vo 1 5 No 5 Oc t 2 0 0 8 钢 一混凝土双面组合连续梁的承载 能力试验研究 段树金， 周庆东， 王海 良。 王军文， 霍军会 ( 石家庄铁道学院 土木工程分院， 河北 石 家庄 0 5 0 0 4 3 ) 摘要： 对 3 根钢 一混凝土双面组合2 X 2 9 m两跨连续梁模型进行试验研究， 得到完整的荷载 一挠度曲线。考虑交界面相 对滑移的影响， 利用A N S Y S 软件建模对组合梁进行结构分析； 建立钢 一混凝土双面组合梁截面弹性极限和塑性极限承栽能 力的简化计算方法。研究结果表明， 采用该简化计算方法所得结果与实测结果较吻合， 该方法可供工程设计参考。 关键词 ： 钢 一混双面组合连续梁； 模 型试验 ； 承载 能力 ； 荷载 ； 挠度 中图分类号： T U 3 9 8 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 2 7 0 2 9 ( 2 0 0 8 ) 0 5 0 0 1 2 0 6 E x p e r i me n t a l s t u d y o n b e a r i n g c a p a c i t y o f d o u b l e s t e e l a n d c o n c r e t e c o mp o s i t e c o n t i n u o u s b e a ms D U A N S h u - j i n ， Z H O U Q i n g - d o n g ， WA N G H a i - l i a n g ，WA N G J u n w e n ， H U O J u n h u i ( S c h o o l o f C iv i l E n g i n e e r in g ，S h i j i a z h u a n g R a i l w a y I n s t i t u t e ， S h ij ia z h u a n g 0 5 0 0 4 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e l o a dd e fle c t i o n c u r v e s we I g o t t e n t h rou g h t h e e x p e r i me n t o f t h r e e p i e c e s o f 2 2 9 m s p a n d o u b l e s t e e l an d c o n c r e t e c o mp o s i t e c o n t i n u o u s b e a msCo n s i d e r i n g t h e s l i p be t we e n s t e e l an d c o n c r e t e i n t e r f a c e， a n an a l y t i c a l mo d e l o f d o u b l e s t e e l an d c o n c ret e c o mpo s i t e be a ms wa s e s t a b l i s h e d b y t h e ANS YS s o f t wa r eTh e u l t i ma t e be a r i n g ben d i n g c a p a c i t y o f a d o u b l e s t e e l - c o n c ret e c o mpos i t e be a m W as a l s o c alc u l a t e d b y the s i mp l i fi e d c al c u l a t i n g m e t h od b ase d o n the e l ast i c i t y an d p l a s t i c i t yTh e res u l t s s h o w t h a t t h e c a l c u l a t i n g r e s u l t s an d t h e e x p e rime n t a l res u l t s a r e i n a c c o r d a n c e Ke y w_0 I I d s ： d o u b l e s t e e l an d c o n c ret e c o mp o s i t e c o n t i n u o u s be a ms ； mod e l e x pe r i me n t ；u l t i ma t e be a r i n g c a p a c i t y； l o a d i n g；d e f l e c t i o n 钢 一混凝土双面组合梁是 2 0世纪 8 0年代产 生的一种新型结构。它是通过在传统的单面组 合连续梁的内支座负弯矩 区设置下翼缘钢筋混凝 土板 ， 并同样通过剪力连接件使之与钢梁共同作 用。这样 ， 下翼缘混凝土板在很大程度上分担了负 弯矩区的压力 ， 减小了钢梁的负担， 提高 了梁的刚 度和承载能力。钢 一混凝土双面组合梁是用来改 善传统的钢 一混凝土单面组合连续梁负弯矩区特 性的一种合理有效的方法。 虽然国内外学者对单面组合梁进行了深入 的 试验及理论研究， 并取得了丰富的成果_ 2 I 4 j ， 但是， 关于双面组合梁结构体系的研究很少， 目前研究内 容主要集中在负弯矩区的滑移特性 、 变形及极限抗 弯承载能力、 混凝土板的有效翼缘宽度以及内力重 分布的分析计算等【 I 9 J ， 还未见有关试验研究的报 道。在此 ， 本文作者通过对 3片钢 一混凝土双面组 合连续梁模型进行试验研究 ， 对钢 一 混凝土双面组 合连续梁的刚度和承载能力进行探讨。 1 试验研究 1 1 试件设计与试件参数 本次试验共进行 3 根钢 一混凝土双面组合梁 收稿E t 期 ： 2 0 0 8 0 6 一O l 基金项 目： 河北省 自然科学基金资助项 目( E 2 0 0 6 ( 3 9 7 ) ； 河北省教育厅 自然科学重点资助项 目( Z 1- I 2 0 0 6 0 1 1 ) 作者简介 ： 段树金 ( 1 9 5 5一) ， 男 ， 河北怀安人， 博士 ， 教授， 从事桥梁与结构工程的研究 第 5 期 段树金 ， 等： 钢 一 昆 凝土双面组合连续梁的承载能力试验研究 1 3 的模型试验。考虑到实验室空间和加载设备 的能 力， 根据简化塑性理论进行截面设计 ， 将试验梁设 计成 22 9 m的两跨连续组合梁 ， 采用完全剪力 连接 ， 试件编号分别为 S C B 1 ， S C B 2和 S C B 3 。试验 梁截面形式及尺寸如 图 1 所示。 1 * ( a ) s唾 j e 3 5 o X 如 ( a ) 一正弯矩区截面形 ； ( b ) 一负弯矩区截面彤 图 1 试验模型梁截面形式( 单位： m m) F i g 1 C r o s s s e i o n f r o m o f t h e b e a m( u n i t ： m m) 钢梁采用 H型钢 H W1 5 0 1 5 071 0 ， 截面面 积为 4 0 5 5 c m 2 ， 单 位质 量 为 3 1 9 k g m。i x 一 = 1 6 6 0 c m。上翼缘混凝土板厚度为 8 0 m m， 宽度为 6 0 0 to n i ， 长度为 5 9 0 0 ra i n 。下翼缘混凝土板厚度为 8 0 n ， 宽度为 3 5 0 m i l l ， 长度为 1 2 0 0 m m 。混凝土按 照 C 3 0混凝土配制 ， 配合比为 1 m 3 混凝土需 W 1 9 0 k g ， C 3 8 0 k g ， S 7 2 6 k g ， S 1 0 9 0 k g ( 其中第 51 0号为 4 4 0 k g ， 第 1 0 2 0 号为6 5 0 k g ) ； 测得混凝土试块 2 8 d 强度平均值为 4 7 M P a ； 弹性模量平均值为 4 6 2 G P a 。 混凝土板 中配置 H P B 2 3 5( p 8 钢筋； 栓钉型号为 1 3 6 0 ( 公称直径为 1 3 l n l n ， 高度为 6 0 m m ) 。 1 2 试验概况 本试验均在 2 0 0 t 加载架下进行 ，跨中两点对 称加载 ， 荷载通过分配梁直接作用在混凝土翼缘上 的2 片垫板上。由于挠度、 转角等宏观测量值更能 够反映构件的整体工作性能， 而且相对于应变等反 映局部性能 的测量数据具有 较小的离散程度 ， 因 此， 对跨中挠度、 支座沉降等进行了重点测量， 并作 为试验加载过程中的控制参数 ， 其测点布置如图 2 所示。图 2中， N1 ， N 2 ， N 3和 N 4为百分表 ， 用来量 测跨 中挠度 变形 ； H 5 ， H 6和 H 7为千分表 ， 用来 量 测支座沉降。 二断面 九断面 卫 鲤 图2 位移计测点布置图( 单位 ： m m ) F i g 2 A r r a n g e m e n t p l a n o f g a g i n g p o i n t ( u n i t ： m m) 1 3 试验结果 试验得到钢 一混凝土双面组合梁的荷载与挠 度关系曲线如图 3所示 。从试验结果看 ， 组合梁 的 荷载 一挠度 曲线可 以分为受拉混凝土开裂 、 弹性 、 弹塑性和塑性 4个 阶段。首条裂缝 出现在中支座 混凝土上翼缘板顶面 ； 在弹性 阶段 ， 荷载 一挠度 曲 线基本上呈线性变化 ， 钢梁全截面处于弹性工作阶 段； 在弹塑性阶段， 荷载 一 挠度曲线开始偏离原来 的直线， 跨 中截面钢梁开始屈服 ， 中和轴上移 ， 随着 混凝土板的裂缝的增多以及钢梁的塑性区域 的扩 大 ， 组合梁的抗弯刚度 已严重削弱， 荷载 一挠度 曲 线的非线性特征越来越明显 ， 当荷 载大约达到O 9 P ( P u 为极 限荷载 ) 时 ， 进入塑性阶段 在 塑性 阶 段， 跨中变形大幅度增长， 荷载 一挠度曲线近似呈 水平趋势发展 ， 钢梁大部分截面受拉屈服 ， 进入塑 性阶段 ， 此时， 试件并没有突然破坏的迹象 ， 随着荷 载的增加， 变形继续增长。 图 3中荷载为零时 S C B一1和 S C B一3梁对应 的挠度为试验梁在 自重荷载作用下所产生的挠度 ； S C B一2梁采用三循环加载方式。其中的荷载 一挠 度 曲线为第三循环曲线 ， 荷载为零时对应的挠度为 试验梁在 自重荷载作用下所产生的挠度和残留挠 度之和。 本次试验采用两点对称加载， 故理论上图 3中 二断面和九断面荷载 一挠度 曲线应完 全一致， 但 是 ， 由于模型梁在浇筑过程 中出现一定程度的跑模 现象造成模型梁结构不完全对称以及试验过程 中 可能会出现一定程度的偏载， 导致图 3中 2个断面 的曲线出现一定程度的差异。 2 有限元分析 通过 A N S Y S软件进行模 型梁有限元分析 ， 有 限元模型如图 4所示。其中混凝土使用 8节点六 面体单元 ， 破坏准则采用 ww 的五参数模型 ， 当 混凝土开裂后， 混凝土单元中使用分散裂缝模型， 该模型适用于含钢筋或不含钢筋的三维实体模型 ， 能够模拟混凝土的拉裂和压碎效应 ； 混凝土 中的钢 筋采用二节点空间链杆单元 ， 强化模量 E =0 0 1 E 。其中： E 为钢材初始弹性模量； 钢梁采用 4节 点空间壳单元 。考虑混凝土板 与钢梁之 间的滑移 时， 栓钉采用二节点弹簧单元模拟， 栓钉 的纵向刚 度 比较复杂 ， 现有研究成果提出了多种栓钉的纵向 剪力一滑移曲线， 本文采用的是应用比较广泛的 O l l g a a r d提出的模型， 即 V=V ( 1 一e 一 ) 。 1 4 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 8年 1 0月 3 0 0 2 5 0 2 0 0 Z d 1 5 0 1 o o 5 0 0 5 l O 1 5 6 r a m 3 0 0 2 5 0 2 0 0 Z 寒 1 5 o 1 o 0 5 O 0 5 l 0 1 5 6 r a m ( a ) 一二断面； ( b ) 一九断面 图 3 钢 一混凝土双面混合 梁荷载一挠度 曲线 Fi g 3 Lo a d i ngd e fle c t i o n c u r v e f o r d o ub l e s t e e l a n d c o n c r e t e c o mp o s i t e c o nt i nu o u s b e e ms I l 钢粱壳单元 弹簧单元 I 混凝+实体单元 I 1 I 1 l I II _ _ _ 图 4 钢一混凝土双面混合 梁有限元模型 F i g 4 T h e fi n i t e e l e me n t m o d e l f o r d o u b l e s t e e l a n d c o n c r e t e c o mpos i t e c o n t i n u o u s b e e ms 图5所示为利用 A N S Y S软件计算和试验实测 度取值 ， 即本构关系为理想弹塑性或服从双线性弹 得到的 S C B一1 模型梁跨 中截面的荷载 一挠度 曲 性强化模型。跨 中截面的计算见文献 3 ， 下面只 线 ， 其中实测值为模型梁 2个跨中断面， 即二断面 讨论双面组合梁截面的计算。计算 中假设桥面板 和九断面数据的平均值。A N S Y S计算跨 中挠度最 混凝土受拉开裂而退出工作； 钢梁与混凝土板之间 大值为 1 6 8 7 m l n ， 开裂荷载为 2 2 6 7 k N ， 弹性极 限 完全剪力连接 ， 并且不考虑滑移的影响。 荷载为 1 6 3 8 3 k N， 塑性极限荷载为 2 3 7 8 7 k N。 3 1 1 弹性极限抗弯承载能力计算 6 n 图 5 钢 一混凝 土双 面混合梁荷载 一挠度曲线 Fi g 5 L o a d i n gd e fle c t i o n c u r v e o b t a i n e d b y FEM a n d e x p e r i me n t 3 极限承载能力和挠度简化计算方法 3 1 极限承载能力简化计算 极限抗弯承载力包括开裂荷载 、 弹性极 限和塑 性极限的承载能力。为简化计算又达到一定精度 ， 假定钢材的弹性极限强度和屈服强度均按屈服强 b ， ( a ) 一中和轴在钢梁 内； ( b ) 一中和轴在下翼缘混凝土板内 图 6 双面组合 梁弹性极 限抗 弯承载力计算 F i g 6 B e n d i n g c a p a c i t y c a l c u l a t i o n o f d o u b l e c o mp o s i t e b e a m i n e l a s t i e s t a g e 第 5期 段树金 ， 等： 钢 一混凝土双面组合连续梁的承载能力试验研究 l 5 计算图式如图 6 所示 ， 钢梁截面面积为 A ， 绕其 形心轴的惯性矩为 ， 桥面板 中受拉钢筋的面积为 ，钢梁截面形心至下翼缘混凝土板底面的距 离为 d， 截面高度为 h ， 钢和混凝土的弹性模量之比为 7 , 。 1 )中和轴位于钢梁截面内( 图6 ( a ) ) 时。 当 n A ( dh c 2 ) +以， ( hh 2 一a )0 5 b 2 ：时 ， 中和轴在钢梁截面 内， 此 时， 中和轴高度 由下式确定 ： n A ( d ) +n A ， ( h 一口 ) =b c 2 h 2 ( 一 ) 。 ( 1 ) 换算截面惯性矩为 ， 0 = + + ( d ) +A ， ( h 一口 ) 。 ( 2 ) 2 )中和轴位于下翼缘混凝 土板 内( 图 6 ( b ) ) 时。 当 ， ( d k2 )+ 凡 A ， ( h h 2一 a) b c z h z f , 时( 图 7 ( a ) ) ： A ： 0 5 ( A + A 一 L b _h c 2 ) ； ( 7 ) JY M A s d C y y 1 +6 2 h 2 f Y z +A r f ,y 3 。 ( 8 ) 式中： A 为钢梁截面面积； A 为钢梁受压区截面面 积； Mu 为塑性极限抗弯承载能力； Y 为钢梁受拉 区截面应力合力点至钢梁受压区截面应力合 力点 的距离 ； Y 2 为钢梁受拉 区截面应力合力点至下翼 缘混凝土板截 面应力合力点 的距离 ； Y 为钢梁受 拉区截面应力合力点至桥面板中受拉钢筋应 力合 力点的距离。 2 )塑性 中和轴在 下翼缘混凝土板 内， 即 A + f r b c 2 h 时( 图 7 ( b ) ) ： = ； ； L b ,： 2 x fiy l +A 2 。 ( 1 0 ) 对本次试验试件 ， 取混凝 土的轴心抗拉强度 f tk = 0 8 8 X 0 3 9 5 fu S,Sk ( 1 1 6 4 5 ) 。 。 。 X a 2 = 2 5 7 MP a 1 0 J ，分别按照开裂 、 弹性和塑性理论计算 的极 限荷载如表 1 所示。 通过和试验实测值对 比可知， 承载能力的简化 计算结果与试验实测值吻合良好。 3 2 挠度简化计算与 A N S Y S计算及试验实测值 对比 通过简化计算( 将模型梁在全跨范围内按所承 受弯矩不同划分为 2个 刚度区域 ) ， 得到弹性 阶段 内在荷载 P的作用下模 型梁跨中的挠度， 并与试 验实测值和 A N S Y S分析软件计算值进行对 比， 结 果见表 2 。 由于 3 片模型梁的栓钉间距 略有不 同， 故表 2 中挠度 A N S Y S计算值有微小差别。由表 2可知 ， 不考虑滑移时跨 中挠度简化计算值一般均低于实 测值和 A N S Y S 计算值， 而考虑滑移效应后的 A N S Y S 计算值和试验实测值较吻合。 ( b ) ( a ) 一塑性 中和轴在钢梁腹板 内； ( b ) 一塑性 中和轴在下翼缘混凝土板 图 7 双面组合 梁塑性极 限抗 弯承栽力计算 F i g 7 B e n d i n g c a p a c i t y c a l c u l a t i o n o f d o u b l e e o mp o s i t e b e a m i n p l a s t i c s t a g e 1 6 铁 道 科 学 与 工 程 学 报 2 0 0 8 年 1 0 月 表 1 模型梁极限荷载 T a b l e l B e a r i n g c a p a c i t y o f t h e m o d e l b e a m k N 试验梁编号 荷载 k N 简化计算值 n u n A N S Y S 计算值 ra m 实测变形值 n u n 3 3 双面组合梁与单面组合梁对比 通过计算得到的双面组合模型梁和相应的单 面组合梁( 无下翼缘混凝土板) 的截面刚度及极限 承载力如表 3所示。 4 结论 1 ) 通过 3片钢一混凝土双面组合梁的模 型试 验研究了其承载能力及变形性能 ， 发现采用 A N S Y S 软件建模或利用简化计算方法计算结构承载能力 和挠度是可行的。 2 ) 与传统的单面组合连续梁相比较， 双面组合 连续梁改善了中间支点附近截面不利的受力状态 ， 可以提高弹性 承载能力 1 6 以上， 塑性承载能力 3 0 以上； 增加中支座截面刚度约 2 0 0 ， 其跨越 能力进一步增强， 特别适合大 、 中跨度的连续梁桥。 3 ) 采用完全剪力连接件连接时， 弹性极限承载 能力约为塑性极限承载能力的 8 0 左右。在弹性 极限范围内， 界面滑移很小， 对结构变形影响可以 忽略不计 ， 可以按照简化算法进行截面设计， 桥梁 在使用阶段的状态应处于这一范围内。 4 ) 结构进入弹塑性状态， 则滑移增加导致截面 应力和应变的重分布， 截面抗弯刚度降低， 因此 ， 在 计算截面强度和梁挠度时必须考虑滑移效应 ， 否 则， 将导致计算挠度结果偏小。 参考文献： 1 S a u l R B r i d g e s w i t h d o u b l e c o m p o s i t e a c t i o n J j S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g I n t e r n a t i o n a l ，1 9 9 6 ( 1 ) ： 3 2 3 6 2 C h e n S S ，e t a 1 E f f e c t i v e s l a b wid th f o r c o m pos i t e s t e e l b r i d g e m e m b e r s R N C H R P R E P O R T 5 4 3 ， 2 0 0 5 3 聂建 国 钢一混凝土组合梁结构： 试验 、 理论与应用 第 5期 段树金， 等： 钢 一混凝土双面组合连续梁的承载能力试验研究 1 7 M 北京 ： 科学出版社 ， 2 0 0 5 N I E J i a n - g u o T h e s t e e l a n d c o n c r e t e c o mp o s i t e b e a m c o n s t r u c t i o n ：E x p e ri m e n t ， The o r y and A p p l i c a t i o n M B e i j i n g ： S c i e n c e P r e s s ， 2 0 0 5 4 王连广 钢与混凝土组合结构理论与计算 M 北京： 科 学 出版社 ， 2 0 0 5 WAN G L i a n - g u a n g T h e o r y a n d C a l c u l a t i o n o f S t eel an d C o n c r e t e C o m p o s i t e C o n s t r u c t i o n l M J B e ij i n g ： Sci e n c e P r e s s ， 2 0 5 王刚， 王福建， 等 应用 G o o d m a n弹性夹层法对双层 组合梁弹性阶段变形的理论分析 J 中国铁道科学 2 0 0 6 ， 2 7 ( 5 ) ： 6 6 7 O WA N G g a n g ， WAN G F u - j i an，e t a 1 The o re t i c al a n a l y s i s o f d o u b l e c o mp o s i t e b e a m d e f o r ma ti o n i n e l a s ti c s t a t e b y g o od m an e l as t i c s a n d w i c h m e t h o d J C h i n a R a i l w a y Sci e n c e ， 2 0 0 6 ， 2 7 ( 5 ) ： 6 6 7 0 6 段艳菊 钢一混凝土双面结合梁负弯矩区滑移及受弯 全过程分析 D 石家庄： 石家庄铁道学院， 2 0 0 6 D U A N Y an- j u I n t e r f a c e s l i p a n d f u l l p r o c e s s a n a l y s i s o f d o u b l e s t e e l c o n c ret e c o mp o s i t e b e a m u n d e r n e g a ti v e be n d i n g D S hi j i a z h u a n g ： S h i i i a z h u a n g R a i l w a y I n s t i t u t e ， 2 O O 6 7 李世霞 钢 一混凝土双面结合连续梁的变形及极限抗 弯承载力计算与分析 D 石家庄： 石家庄铁道学院， 2 0 0 6 L I S hi x i a A n a l y s i s o n D e fl e c t i o n and B e n d i ng S t r e n g t h o f t h e D o ubl e S t e e l C o n c ret e C o m p o s i t e B e ams D s hi j i a z h u a n g ： S hi j i a z h u ang R a i l w a y I nsti t u t e ， 2 0 0 6 8 杨喜文 ， 段树金 钢 一混凝土双面组合梁受拉钢筋有效 分布宽度 c 崔京浩 第 1 6届全国结构工程学术会 议论文集 北京， 2 0 0 7 ： 2 1 6 2 2 1 Y A N G X i w e n ， D U AN S h u - j i n O n t h e e ff e c t i v e w i d t h o f rei n f o r c e m e n t b a r f o r d o ubl e s t eel c o n c ret e c o m p o s i t e b e a m C C U I J i ng- h a o P r o c e e d i n g s o f the S i x t e e n t h N a t i o n a l C o n f e re n c e o n S t r u c t u r a l E n g i n eer i n g I I B e ij i n g ， 2 0 0 7 ： 2 1 6 2 21 9 段树金， 段艳菊， 张志国 钢 一混凝土双面组合梁界面 在集中荷载作用下的滑移表达 J 石家庄铁道学院学 报， 2 O 0 7 ， 2 0 ( 2 ) ： 1 4 ， 2 1 D U AN S h u j i n ， D U AN Y a n j u ， Z H A N G Z h i g u o The i n t e r - f a c e s l i p e x p res s i o n o f d o ub l e s t e e l c o n c ret e c o mpo s i t e beam u n d e r c o n c e n t r a t e d l o a d J J o u r n al o f S h ij i a z h u ang R a i l w a y I n s ti t u t e ， 2 0 0 7 ， 2 0 ( 2 ) ： 1 4 ， 2 1 1 0 G B 5 0 0 1 0 - - 2 0 0 2 ， 混凝土结构设计规范 s GB 5 0 0 1 02 0 0 2， Th e c od e f o r d e s i g n o f c o n c ret e s t r u c t u r e s f S 1