裝配式組合連續剛構橋的負彎構件實驗設計

高燕梅

(重慶交通大學 土木工程學院, 重慶 400074)

目前國內工科院校在長期的教學探索與實踐中,逐漸形成了“重視基礎、強化工程素養與創新能力培養”的工程專業人才培養新理念[1]。實驗教學對學生理論聯系實際,實踐能力、動手能力、創新能力的培養以及整個高等教育培養模式轉換起著非常重要的作用[2-3]。龔良玉等[4]指出,綜合性實驗有利于學生將所學的理論知識和研究方法有機融合,鍛煉學生動手實踐能力,促進學生開動腦筋,解決問題。王玉芹等[5]在化學實驗教學過程中指出,將科研和實驗結合是培養學生創新能力的良好途徑。李鳳蘭等[6]在機械專業中的“液壓傳動”課程實驗里指出,應該在實驗初期的設計中融入創新元素,這樣才能引發和加深學生的興趣,提高教學水平。本文結合當今橋梁發展的兩大趨勢:鋼-混凝土組合梁橋[7-8]和裝配式施工方法[9],為了增強學生動手能力和科研能力,培養創新性思維,促進學生對現代橋梁結構體系、關鍵構造、裝配式施工方法的掌握,結合課題組科研項目,設計了新型的、采用全裝配式施工的鋼-混凝土組合連續剛構橋負彎矩區段力學性能的實驗。

1 裝配式鋼桁-混凝土組合連續鋼構橋

針對目前鋼-混凝土組合橋梁中現澆混凝土橋道板收縮徐變大、預壓應力難以施加等問題,結合當今橋梁發展的兩大趨勢，提出了盡量減少混凝土現澆工作,并對預制安裝好的橋道板先施加足夠的縱向預壓應力,再與鋼梁焊接為一體的全裝配式鋼-混凝土組合連續剛構橋(見圖1)[10]。

圖1 裝配式鋼桁-預應力混凝土組合連續剛構橋

本次實驗依托跨徑40 m+70 m+40 m鋼桁-混凝土連續剛構橋——廣佛肇高速公路青岐涌大橋,為考察其負彎矩區段的靜力性能、開裂特征和其中剪力鍵的工作性能以及施工方法的可行性,制作了一根采用預制預應力混凝土橋道板的鋼-混凝土組合梁,進行負彎矩作用下的力學性能實驗。

2 實驗梁設計

2.1 模型設計

為盡量簡化模型,使實驗梁受力明確、方便觀測檢算,本實驗梁采用計算跨徑L=7 000 mm、梁高h=770 mm等截面簡支組合梁,與依托工程負彎矩最小的截面采用應力相似的原理進行模擬。采用在下端兩點頂升鋼桁梁的方式來模擬實橋負彎矩區段,梁兩端頂面設置一端鉸支,另一端滑動支座(如圖2)。

圖2 實驗梁加載設計

實驗梁的結構尺寸擬定如下:鋼桁采用工廠全焊接法拼裝,總高度630 mm,上下弦采用Π型截面,上弦頂板寬300 mm,下弦底板寬330 mm。考慮到上弦截面僅在施工階段單獨承受荷載,待組合梁形成后上弦與混凝土橋道板共同受力,所以上弦頂板厚度僅取8 mm,而下弦底板厚16 mm。為方便腹桿與上下弦桿之間的焊接,斜桿和豎桿采用[型截面,板厚16 mm。實驗梁總體布置見圖3。

圖3 實驗梁總體布置

預制混凝土橋道板分7塊預制,標準長度1 000 mm/塊,肋板式截面,高140 mm,頂寬500 mm。其中預埋5根縱向預應力鋼束管道,預應力度12.6 Mpa(見圖4和圖5)。

圖4 預制混凝土橋道板內鋼筋布置

圖5 預制完成的一塊橋道板

水平栓釘剪力連接件位于混凝土橋道板與鋼桁之間,用于傳遞混凝土橋道板與鋼桁之間的水平剪力,按完全抗剪聯結設計,采用圓頭焊釘Φ10 mm×80 mm,材質為ML15,課題組已經針對該剪力連接件進行了推出試驗,得到其抗剪性能[11-12]。

實驗梁的施工工序:預制橋道板的同時預埋水平栓釘剪力連接件；安裝預制橋道板(見圖6)；處理橋道板板間環氧水泥漿接縫；張拉預應力鋼束(見圖7)；將橋道板下端剪力連接件豎鋼板與鋼桁梁焊接聯結。板間無需設置企口或扣環現澆混凝土接縫構造,而代之以涂抹環氧水泥漿聯結,簡單快捷。

圖6 安裝預制橋道板

2.2 加載程序設計

由于本次實驗的目的是考察采用預制預應力混凝土橋道板的鋼-混凝土組合梁在負彎矩作用下,預制預應力混凝土橋道板與鋼梁共同工作的性能、預制橋道板開裂特征及噸位、組合梁剛度性能及破壞特征,所以設計加載程序時,將其分為3階段加載:彈性階段加載實驗、開裂階段加載實驗以及破壞階段加載實驗。其中彈性階段按照實橋在極限使用狀態時的應力設計,因此推算出實驗梁彈性階段最大加載噸位約為180 kN。

圖7 張拉板內縱向預應力

加載時采用分級循環加載的方式,可考察循環荷載作用下,實驗梁的彈性恢復性能和裂縫閉合情況,并且可以依據有限的實驗,獲得更多的數據。最后加載至破壞,考察梁的裂縫、應變和撓度的規律,以及梁的破壞特征。

計算得實驗梁的開裂荷載為220 kN左右,在下弦桿屈服強度后達到620 kN停止加載。加載工況見表1。

表1 實驗梁加載工況

2.3 測點布置設計

為獲得實驗梁在負彎矩作用下的撓度,應變及剪力連接件滑移特征,設計的實驗梁測點位置見圖8。測試內容如下:(1)不同加載工況時,橋道板、鋼桁上下弦關鍵截面撓度和應變；(2)不同加載工況時,鋼桁上弦和混凝土橋道板之間的滑移；(3)開裂荷載大小,裂縫閉合及重新開展數據；(4)破壞過程及破壞特征。

3 實驗結果

實驗梁在彈性階段時,180kN荷載作用下,進行了3次加載卸載。結果表明實驗梁處于良好的彈性工作階段:(1)撓度應變與加載力呈線性關系；(2)卸載后殘余值幾乎為0；(3)循環荷載作用下,各次數據吻合較好；(4)混凝土橋道板均未發現開裂現象。實驗梁加載到230kN時,橋道板頂面出現第一條可見受力裂縫,位置在加載點附近。卸載時,裂縫可以閉合,再加載時,開裂時間提前,且裂縫長度增加。此時預制橋道板間接縫未出現開裂。

實驗梁破壞特征:加載至636 kN時,鋼桁有啪的一聲清脆異響,持荷不行,下弦跨中有下撓現象(見圖9(a)),豎桿明顯屈服現象(見圖9(b))；跨中3片橋道板早已斷成塊狀,③、④板縫寬2mm,④、⑤板縫寬1.4 mm,實驗梁破壞，停止加載。

4 結論

實驗設計是實驗思想的具體體現。本次實驗設計中,針對新的科研問題,在明確實驗目的的基礎上,有針對性地設計出了簡潔適用、操作性強的實驗模型和方案,并通過實驗掌握了新橋型的靜力性能。在實驗設計過程中,加深了學生對理論知識的理解,激發了學生對專業的興趣,鍛煉了學生動手實踐能力,使學生能夠自主進行實驗設計,并提高分析解決問題的能力、工程實踐能力和科研創新水平,是培養研究生的良好途徑。

圖8 測點布置(單位:mm)

參考文獻(References)

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