波鋼—鋼筋混凝土組合橋面板承載力試驗研究

趙豪俊 徐海燕 許加其

0 引言

隨著我國經濟快速發展，對公路橋梁的要求越來越高，橋面板作為橋梁的重要組成部分，直接影響了橋梁能否正常使用?，F有橋面板出現大量的劣化情況［1］，在分析了各種橋面板加固的方法［2］，以及現有鋼—混凝土組合橋面的應用后，結合波紋鋼這一材料，上官興教授提出了波紋鋼—鋼筋混凝土新型橋面板。

由于對這種橋面板無參考資料，所以本文通過探索性試驗的形式對這種組合橋面板進行了研究。由于受到場地，設備等條件的影響，試驗工程采用應力等效原則［3］并參考大量前人做組合板的試驗［4-6］。研究波形鋼—鋼筋混凝土組合橋面板作為單向板，在簡支狀態下兩點對稱加載的受力性能和破壞形態。

1 試件的制作

1.1 試件規格

試驗設計一塊與實橋橫截面1∶1比例的波形鋼—鋼筋混凝土組合橋面板試件，試件以長度為2 800 mm，寬度為600 mm，高度為150 mm，厚度為6 mm的波形鋼板為底板，并在其內部鋪設HRB335鋼筋。組合橋面板構件全長2 800 mm，跨徑2 500 mm，板寬600 mm，板厚260 mm，其中波形板高150 mm，混凝土翼板高110 mm，在構件的內部鋪設。試驗材料:425號普通硅酸鹽水泥，最大粒徑25 mm的連續級配的碎石，中砂，二級粉煤灰，超量系數取1.3，聚羧酸系列減水劑，減水率為28%，水灰比為3.1。

1.2 鋼筋布置

試驗中選取的鋼筋為直徑16 mm的HRB335鋼筋，由于對這種異形板的認識不夠，故按照鋼筋混凝土的構件來布置鋼筋的位置:

1)為了協助底部鋼板和混凝土抵抗下部拉應力，提升構件的剛度和抗彎承載力，在波形鋼底板肋端縱向焊接2根鋼筋。

2)由于下部鋼板和鋼筋提供足夠的拉應力，為防止其出現超筋破壞，在上部混凝土中縱向布置7根鋼筋，協助上部混凝土受壓。

3)對于用在實際中的橋面板來說，必須考慮橫向分布的問題，故在鋼板的頂部布置橫向分配筋，對集中荷載作用點的集中力分散，而且還可以防止溫度應力和收縮應力的影響，還能固定上層縱筋。將其橫向布置在鋼板以上，與上部縱向鋼筋焊接，間距為100 mm，保護層厚度為25 mm，共29根。

4)當波形鋼板作為連續板使用時，在其橫向方向也會承受很大的彎矩，但是在多個波段的連接處由于截面高度不夠可能引起橫向抗彎承載力不足，故在構件波形鋼翼板之上橫向焊接600 mm長的鋼筋，以提升其橫向抗拉能力，提升整體的受力性能。布置同橫向分布筋，共29根。

5)由于鋼—混凝土組合結構中鋼板和混凝土的連接僅僅是依靠它們之間的化學粘結力，所以組合結構很容易發生縱向的剪切破壞，對于這種情況一般是依靠鋼板上的抗剪連接件的作用，但是在這個構件的鋼板中沒有抗剪連接件，就沿板長方向布置了豎向鋼筋，以抵抗它們的剪切滑移，同時，這些豎筋在剪跨段還能抵抗斜截面的破壞。豎筋分兩種，高度為134 mm和229 mm。高度134 mm豎筋布置在跨中位置共9根，間距100 mm，直接焊接在底部鋼板上，高度229 mm豎筋分別布置在構件的兩側各10根。

6)為了提升構件的抗剪承載力，在剪跨段布置了4根彎起鋼筋，彎起角為45°，布置在構件兩端，底部與鋼板焊接。

2 試驗測試和加載程序

2.1 試驗測試

鋼板和混凝土表面均貼應變片，內部鋼筋的應變片在澆筑混凝土前進行粘貼，其余則在模型制作完后再粘貼。數據采集采用DH3815N靜態自動電阻應變儀，電腦自動采集數據。

2.2 試驗加載

試驗加載采用500 t液壓式壓力試驗機通過分配梁進行，具體加載程序如下:

1)預加載:

0 kN→50 kN→100 kN，共重復加載三次，以消除非彈性變形，同時檢查儀表和機器的工作狀態。

2)靜載:

0 kN→400 kN按每級50 kN加載，以后每級按30 kN加載，觀察板的變形和是否有裂縫出現。

3)靜力破壞試驗:

參照加載程序2)，加載到設計荷載后，繼續加載至破壞。在各級荷載作用下，持荷5 min，進行應變和位移的測量，并仔細觀察變形及裂縫情況。

3 試驗現象和結果分析

前期按50 kN加載，構件處于彈性工作階段，當加載至400 kN時，按每級30 kN加載，當荷載達到460 kN時，底部鋼板的應變達到1 261個微應變，達到了鋼板的屈服應變值，底部鋼板進入屈服階段，繼續加載，在荷載達到640 kN時，構件的左端出現了縱向相對滑移0.11 mm，再加一級荷載到670 kN時，距腹板高30 mm的波形鋼腹板位置達到屈服，并且突然發出縱向化學粘結破壞響聲。荷載到達730 kN之前，組合板的跨中撓度一直在緩慢增加，但在730 kN停荷時，跨中撓度在持續的增大，由此判斷此時構件達到屈服，730 kN為構件的屈服荷載。為了防止構件的突然損壞破壞下部百分表，故撤掉百分表后繼續加載至構件破壞。當荷載達到1 070 kN時，構件跨中區波形鋼翼緣上部混凝土出現微小裂縫，前后對稱。當荷載達到1 150 kN時，左側剪跨區混凝土出現45°的斜裂縫，之后，對稱位置斜裂縫相繼出現，當荷載達到1 210 kN時跨中純彎段受壓區混凝土壓碎，承載力下降，構件并無大的下撓現象(見圖1)。

圖1 組合面板跨中截面應變沿截面高度分布圖

構件的撓度曲線在730 kN之前近似為一條直線，說明構件一直處在彈性階段，在730 kN時構件在停荷狀態下，撓度不斷增大，進入彈塑性階段。從圖2中可以看出，曲線的斜率在變小，這是因為下部混凝土達到極限強度產生了開裂，波形鋼板和混凝土產生了滑移，以及下部的部分波形鋼板已經進入屈服階段造成了構件的剛度降低，所以撓度曲線斜率在變小。

圖2 構件撓度變化曲線

構件在屈服荷載時的撓度為10.41 mm，是計算跨徑的L/250。而根據JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范的要求，鋼筋混凝土受彎梁式構件的最大撓度不應超過計算跨徑的L/600，當按照規范的要求使用時，此構件的正常使用極限為400 kN，撓度為4.51 mm。由于構件為鋼—混凝土組合結構，按照GB 50017-2003鋼結構設計規范的要求，主梁的容許撓度值可以達到計算跨徑的L/400，此時正常使用的極限為520 kN，撓度為6.51 mm，又因為構件將作為板結構來使用，所以在運用橋梁規范時，可將范圍適當擴大。

最終的破壞特征:跨中撓度迅速的增大，在撤掉百分表之前，下撓為10.41 mm。兩端的波形板和混凝土之間的縱向剪切滑移量一端為0.23 mm，另一端無滑移，滑移量較少。構件跨中上部混凝土出現多條微小裂縫，長度最長6 cm。構件剪跨區混凝土對稱出現微小斜裂縫，自下向上沿45°方向向加載點處延伸，長度最長為15 cm。最終跨中區混凝土被壓碎，總體判斷為構件正截面受彎破壞。

4 結語

1)隨著荷載增加，直到達到屈服荷載時，波形鋼板和混凝土的應變沿截面高度分布基本保持直線，基本滿足平截面假定，因此在波形鋼—鋼筋混凝土組合橋面板的抗彎承載力計算時可以采用平截面假定。

2)在荷載作用的初期，下部波形鋼板和上部受壓區鋼筋、混凝土變形相協調，處于彈性工作狀態，組合截面的應變沿高度方向呈現明顯線性變化(見圖3)，由此可知，組合結構的整體工作性能良好。

圖3 底部鋼板荷載—應變曲線

3)在荷載大于150 kN后，波形鋼底部測點的曲線有明顯的轉折，此時底部鋼板的應變只用500個微應變，應力103 MPa，尚未達到屈服階段，但是下部混凝土的拉應力卻達到了17.25 MPa，遠遠大于混凝土的抗拉強度標準值2.55 MPa，表明此時底部混凝土已經出現了開裂，開裂部分的混凝土退出工作，將所承受的拉應力傳給底部鋼板，使底部鋼板的應力增加，應變也就增大了。

4)加載直至破壞荷載1 210 kN，在這個過程中，波形鋼翼緣上部混凝土出現微小裂縫，波形鋼腹板陸續達到屈服，最終上緣混凝土被壓碎構件破壞。

本文對波紋鋼—鋼筋混凝土組合橋面板的應用提供了一定的實驗依據。

［1］ 韓學義.關于混凝土橋面板裂縫［J］.東北公路，2001(6):13-15.

［2］ 姚國文.橋涵維護與加固技術［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［3］ 姚振綱，劉祖華.建筑結構試驗［M］.上海:同濟大學出版社，1998.

［4］ 聶建國.鋼—混凝土組合梁結構［M］.北京:科學出版社，2005.

［5］ 聶建國，余志武.鋼—混凝土組合梁在我國的研究及應用［J］.土木工程學報，1999(12):66-68.

［6］ 易衛華.閉口型壓型鋼板—混凝土組合板的試驗研究［D］.北京:清華大學土木工程系，2003.