裝配式組合連續(xù)剛構橋的負彎構件疲勞實驗設計研究

高燕梅, 劉 東, 楊未蓬, 儲 兵

(1. 重慶交通大學 土木工程學院, 重慶 400074； 2. 重慶市酉陽縣隆達公路建設投資有限公司, 重慶 409800)

隨著鋼-混凝土組合結構在橋梁、房建、剪力墻等實際工程中的廣泛應用,其疲勞性能以及其中栓釘?shù)钠谛阅芤苍絹碓绞艿疥P注[1-5]。2012年聶建國等[6]在總結前人在組合梁疲勞性能研究成果的基礎上,指出當前研究主要集中于組合梁中栓釘?shù)钠谛阅?對組合梁的整梁疲勞實驗及其在疲勞荷載作用下的剛度退化規(guī)律研究較少。劉小潔等[7]進行了3根簡支鋼-混凝土組合箱梁的實驗,指出重復荷載會使組合梁剛度下降,抗剪剛度越大,組合梁抗疲勞性能越好。張大付等[8]建立了3種不同剪力連接度的組合箱梁有限元分析模型,指出橋面板厚度及跨徑對組合箱梁的疲勞性能影響較大。劉誠等[9]建立了多尺度有限元模型,驗證了岳陽洞庭湖大橋的鋼-UHPC組合橋面系中栓釘連接件的疲勞性能的可靠性。針對目前常用鋼-混凝土組合橋梁中現(xiàn)澆混凝土橋道板收縮慢慢變大、預壓應力難以施加等問題,課題組結合當今橋梁發(fā)展的兩大趨勢：鋼-混凝土組合梁橋和裝配式施工方法,提出了“裝配式鋼-混凝土組合連續(xù)剛構橋”[10]。

1 裝配式鋼桁-預應力混凝土組合連續(xù)剛構橋

該橋總體布置見圖1。該橋主要特征在于將栓釘剪力連接件水平預埋于預制混凝土橋道板內(圖1(a)),待橋道板安裝就位后,先對其張拉縱向預應力鋼束,再用剪力連接件將豎鋼板與鋼梁焊接為一體。其優(yōu)勢在于可以減小混凝土現(xiàn)澆工作,且受拉區(qū)混凝土橋道板有效預應力度提高,施工工期縮短且施工安全。對此新結構,已開展了負彎矩作用下組合梁靜力性能實驗[11-12]和PCSS剪力連接件推出實驗[13-14],為掌握此新結構的負彎矩區(qū)段,特別是預制拼接混凝土橋道板和PCSS剪力連接件在疲勞荷載作用下的力學性能,本文對其負彎矩作用下的疲勞性能實驗模型進行設計研究。

圖1 裝配式鋼桁-預應力混凝土組合連續(xù)剛構橋總體布置

本次實驗依托跨徑40 m+70 m+40 m鋼桁-混凝土連續(xù)剛構橋——廣佛肇高速公路青岐涌大橋(見圖1),為考察其負彎矩區(qū)段鋼桁、預制混凝土橋道板的疲勞性能(如圖1(a))綠色框線所示區(qū)域),以及其中剪力連接件特別是剪力連接件豎鋼板與鋼桁之間的焊縫工作性能,按1/4縮尺比設計制作了一根采用預制預應力混凝土橋道板的變截面鋼-混凝土組合梁,進行負彎矩作用下的疲勞性能實驗。

2 實驗梁設計

2.1 模型設計

該模型設計與青岐涌橋負彎矩最小截面采用應力相似的原理進行模擬，并結合國內外疲勞實驗的經(jīng)驗,同時考慮實驗室場地條件和加載條件下盡量簡化模型、方便觀測,按1/4縮尺比確定模型橋采用長l=8 m、根部梁高1.44 m、支點梁高0.59 m的變截面組合梁(見圖2)。

鋼桁采用工廠全焊接法拼裝,根部最高處1.3 m,支點高度0.45 m,上下弦采用Π型截面,上弦頂板寬300 mm,下弦底板寬400 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,下弦底板厚取10 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,板厚為6 mm、14 mm和20 mm。

圖2 裝配式鋼桁-預制混凝土組合梁疲勞實驗模型

橋道板采用矮肋截面,分9塊預制,標準長度950 mm/塊,板高0.14 m，頂面寬 0.7m,混凝土標號C50,鋼板材料均為Q345,其中預埋7根縱向預應力鋼束管道,預應力度為10.2 Mpa；混凝土橋道板底面預埋水平栓釘剪力連接件,采用圓頭焊釘Φ10 mm×80 mm,材質為ML15,課題組已經(jīng)針對該剪力連接件進行了推出實驗,得到了其抗剪性能[13-14]。

2.2 加載方案設計

為了方便加載,將制作好的實驗梁倒置,其動荷載的施加和后期靜荷載的施加均采用美國MTS設備進行(見圖2)。

2.2.1 加載方案

為了模擬實橋在疲勞荷載作用下的受力,取實橋成橋狀態(tài)即自重和二期恒載作用下混凝土板應力作為實驗梁疲勞荷載作用下限值。取實橋正常使用狀態(tài)時汽車荷載作用下混凝土板應力變化量,作為疲勞加載的應力幅。當組合梁作用200萬次循環(huán)荷載未發(fā)生破壞時,再采取提升疲勞荷載上限的方式,模擬實橋的超載作用。為考察實驗梁在正常荷載作用下的工作狀態(tài)以及超限荷載作用下的疲勞損傷累計規(guī)律,先后進行154～220 kN循環(huán)加載200萬次,154～244 kN循環(huán)加載50萬次,154～272 kN循環(huán)加載30萬次,154～320 kN循環(huán)加載30萬次的疲勞實驗,期間均進行靜力加載以測得靜力撓度和應變狀態(tài)。

2.2.2 加載頻率的確定

通過計算鋼桁組合梁的自振頻率為32.008 Hz,綜合考慮疲勞實驗機的工作性能，同時避免反力架發(fā)生共振,疲勞荷載實際作用頻率為3 Hz。

2.2.3 測點布置

為獲得實驗梁在疲勞荷載作用下的撓度、應變及剪力連接件滑移特征,實驗梁的測點位置設計見圖3。

圖3 實驗梁測點布置

為了研究在疲勞加載節(jié)段組合結構的受力性能,在鋼和混凝土相應的位置布置了動態(tài)應變測點(見圖3(a)),其中D1—D5為混凝土動態(tài)應變片測點,D6—D13為混凝土動態(tài)應變片測點,D15—D16為跨中動態(tài)撓度測點。為了在每次動態(tài)加載期間測得實驗梁當前階段更詳實的撓度值和應變值,在對應位置上布置了位移計和應變片(見圖3(b)—(d))。

3 實驗結果

實驗梁在154～220 kN疲勞加載200萬次前后,荷載與撓度均呈現(xiàn)為線性關系,荷載達220 kN時的撓度均約為4.2 mm,殘余撓度比在1.5%以內(見圖4(a))，橋道板無開裂現(xiàn)象,PCSS剪力連接件的滑移值約為0.019～0.026 mm,殘余滑移量為4.5%～8.1%,滑移量較小(圖4(b)),表明該階段實驗梁處于彈性工作階段,狀態(tài)良好,可以繼續(xù)進行超載疲勞實驗。

實驗梁1.5倍正常使用疲勞荷載幅下作用50萬次,2倍正常使用疲勞荷載幅下作用30萬次和3倍正常使用疲勞荷載幅下作用30萬次。在154～320 kN疲勞荷載加載階段時,在最大荷載320 kN進行靜力加載時,5號混凝土板上發(fā)現(xiàn)了1條長為11 cm、寬為0.06 mm的橫向受力裂縫,說明橋道板已達到開裂應變,進入塑性；但跨中的撓度在5.74～6.0 mm范圍內,撓度波動仍比較平穩(wěn)(見圖5(a))；PCSS剪力連接件的滑移值在0.02～0.028 mm范圍內,殘余滑移量4.5%～7.2%(見圖5(b)),表明該階段橋道板已經(jīng)開裂,但實驗梁整體剛度尚可,PCSS剪力連接件滑移仍處于彈性階段,工作性能良好。

圖4 200萬次疲勞加載后實驗梁特征值

圖5 310萬次疲勞加載后實驗梁特征值

4 結論

對組合實驗梁進行了正常使用荷載作用下200萬次疲勞加載,1.5倍正常使用疲勞荷載幅下作用50萬次,2倍正常使用疲勞荷載幅下作用30萬次和3倍正常使用疲勞荷載幅下作用30萬次。實驗結果表明,在正常使用(200萬次)疲勞荷載作用下,實驗梁處于彈性工作階段,狀態(tài)良好；在3倍超限(310萬次)疲勞荷載作用下,雖然預制橋道板已經(jīng)出現(xiàn)開裂,但實驗梁整體剛度尚可,PCSS剪力連接件滑移仍處于彈性階段,工作性能良好。