鋼—混凝土組合連續梁裂縫的試驗研究

周慶東

1 概述

簡支組合梁橋能充分發揮鋼材抗拉和混凝土抗壓強度高的材料特性,但連續組合梁橋作為一種超靜定結構在其中間支點附近區域內承受負彎矩,使混凝土橋面板因承受較大拉應力而開裂,引起鋼筋及鋼梁腐蝕等嚴重問題,影響了結構的承載能力和耐久性。因此,有必要對負彎矩區混凝土板開裂機理進行細致研究,以利于采取有效措施防止裂縫的產生或發展,來保證組合結構橋梁優越性的充分發揮,促進它在我國的應用和發展。

本文在試驗的基礎上,對鋼—混凝土組合連續梁有關裂縫的問題進行了研究。

2 試驗研究

本次試驗共進行3根(SCB1,SCB2,SCB3)鋼—混凝土組合梁的模型試驗。考慮到實驗室空間和加載設備的能力,根據簡化塑性理論進行截面設計,將試驗梁設計成2×2.9 m的兩跨連續組合梁,采用完全剪力連接,試件編號分別為SCB1,SCB2和SCB3。試驗梁截面形式如圖1所示。

試驗加載裝置如圖2所示。每級荷載加載完成時,要仔細查看試驗梁是否出現裂縫。在小于0.7Pu(Pu為塑性極限荷載)前每間隔5 kN量測混凝土的最大裂縫寬度;其后連續加載至梁的破壞。同時通過混凝土和鋼梁上的電阻應變片和位移計自動量測各點的應變值或變形值。

試驗中可以發現,在荷載達到大概0.17Pu時,首先在中支座負彎矩截面附近的混凝土翼緣上表面中部出現第一條裂縫,并向板邊緣發展。裂縫在寬度小于0.7 mm以前發展緩慢,鋼筋處于彈性階段;當裂縫寬度大于0.7 mm以后,部分梁的鋼筋已經屈服,裂縫發展迅速,很快超過1.6 mm,同時梁的剛度急劇下降,達到或接近極限承載力。

3 開裂彎矩

現行的組合梁的彈性分析方法是把組合梁截面換算成同一種材料的截面,再根據材料力學的公式進行計算。

在計算中采用以下假定:

1)變形符合平截面假定;2)鋼材與混凝土為理想的彈性體;3)鋼與混凝土相互之間的連接是可靠的,雖有較微小的滑移,可忽略不計;4)受拉區混凝土不提供抗拉作用。

截面換算根據總正應力不變和正應變相同的條件,將面積為Ac,彈性模量為 Ec,在應力σc時有應變εc的混凝土部分換算成彈性模量為 Es,在應力為σs時有應變εs的等價鋼截面As,即:

其中,αE為鋼材的彈性模量Es與混凝土彈性模量Ec的比值,即Es/Ec在此等價原則下退出的截面面積和應力的等價關系為:

式(3)的意義是:若將由等價鋼截面求得的鋼材的應力σs除以αE,則又可還原到原來的混凝土應力σc。

式(4)的意義是:根據應變相同且總內力不變的條件,將混凝土單元的面積 Ac除以αE即可將混凝土截面部分換算成與之等價的鋼截面。

開裂彎矩:

其中,ftk為混凝土的軸心抗拉強度;I0為中支座截面對中性軸的慣性矩。

模型梁開裂荷載實測值與計算值對比如表1所示。

表1 模型梁開裂荷載對比表 kN

4 結語

結果表明,影響組合梁裂縫的因素比較復雜,需要采取有效的措施加以控制。同時,結合試驗和理論分析,進一步完善了鋼—混凝土連續組合梁混凝土翼緣開裂彎矩和最大裂縫寬度的計算方法,計算結果與實測值吻合較好。

[1]聶建國.鋼—混凝土組合梁結構:試驗、理論與應用[M].北京:科學出版社,2005.

[2]王連廣.鋼與混凝土組合結構理論與計算[M].北京:科學出版社,2005.

[3]王 剛,王福建.應用Goodman彈性夾層法對雙層組合梁彈性階段變形的理論分析[J].中國鐵道科學,2006,27(5):66-70.

[4]GB 50010-2002,混凝土結構設計規范[S].