鋼—ECC組合橋梁負彎矩區受彎性能研究

賴世錦,左海平,張 釗,梁慶慶

（柳州鐵道職業技術學院,廣西 柳州 545616）

0 引言

鋼—混凝土組合連續梁橋結構因具有剛度大、自重輕、跨越能力強等優點，在實際工程中得以廣泛應用[1]。然而，鋼—混連續梁橋負彎矩區混凝土易開裂，降低橋梁的耐久性[2]。因此，提高橋梁負彎矩區混凝土抗裂性能是研究的熱點。

現有技術中出現調整混凝土澆筑順序、調節負彎矩下支座、強配筋法、施加預應力法等方法[3]，在一定程度上解決負彎矩區混凝土的開裂問題，但未能克服混凝土抗拉強度低、韌性差等本質力學性能缺陷。相比于普通混凝土，超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）具有更高的抗拉強度和韌性，出現鋼－UHPC組合連續梁橋結構[4]，該結構方式能有效克服混凝土易開裂的缺陷，然而，UHPC的控裂性能已無法滿足使用需求，亟須變形及控裂性能更優的混凝土材料來進一步優化。工程水泥基復合材料（Engineering Cementitious Composite，ECC）具有更高的拉伸延展性、更強的裂縫抑制能力、良好的自愈合能力、抗侵蝕性強等優異特性[5]。將ECC應用于鋼—混連續梁橋負彎矩區，有望從根本上攻克鋼—混連續梁橋負彎矩區易開裂的問題，提升鋼—混連續梁橋在大跨徑及復雜環境作用下的適用性。

基于此，為研究鋼—ECC組合梁負彎矩區受彎性能，該文對鋼—ECC組合梁負彎矩區建立了有限元模型，基于荷載－撓度曲線驗證了有限元模型的正確性。在此基礎上，研究了ECC翼緣板縱筋配筋率、ECC翼緣板ECC強度及工字鋼梁翼緣強度等因素對鋼—ECC組合梁負彎矩區受彎性能的影響。

1 試驗概況

1.1 試件設計

該文對樊健生等[6]開展的鋼—ECC組合梁（編號SEB-1）負彎矩區四點彎曲試驗進行有限元模擬。該次模擬的組合梁試件尺寸及配筋等信息如圖1。試件長寬高分別為3 200 mm、600 mm及250 mm。鋼梁采用Q235級的H型工字鋼，ECC翼緣板縱筋采用HRB335鋼筋，直徑為12 mm或8 mm，橫筋采用HPB235鋼筋。組合梁布置有兩列抗剪栓釘，縱向間距50 mm，高度為45 mm，直徑為8 mm。組合梁采用加載梁進行靜力單調4點彎曲加載，加載方式示意圖如圖2所示。

圖1 試件設計（mm）

圖2 加載方式示意圖（mm）

1.2 材料性能

鋼—ECC組合梁試驗前測得其立方體抗壓強度為55.8 MPa，抗拉強度為3.7 MPa，其彈性模量為22.05 GPa。鋼材及鋼筋的材料力學性能參數見表1。

表1 材料力學參數

2 有限元模型的建立

該文采用有限元軟件ABAQUS建立鋼—ECC組合梁有限元模型。為了保證有限元分析的收斂性，該次模擬采用位移加載，加載點和支座位置設置剛性墊塊，墊塊頂面中心設置參考點與墊塊頂面中心耦合，位移荷載加載到參考點上。支座處采用簡支梁約束。ECC翼緣板、工字型鋼梁及栓釘均采用C3D20R二次減縮積分單元，縱筋和橫筋均采用T3D2桁架單元。所有鋼筋及栓釘與ECC翼緣板之間采用內置約束，栓釘與鋼梁之間采用綁定約束。鋼—ECC組合梁有限元網格劃分及模型如圖3所示。

圖3 ABAQUS有限元模型

參考蔡向榮等提出的受壓本構模型[7]及Han等提出的ECC受拉本構模型[8]，采用塑性損傷模型模擬ECC在四點彎曲荷載下的力學行為，鋼筋采用雙折線彈塑性本構。

3 有限元模型驗證

圖4為靜力單調荷載下鋼—ECC組合梁的荷載－跨中撓度曲線的有限元模擬結果與試驗結果對比。有限元模擬的荷載－跨中撓度曲線和試驗曲線較為吻合，曲線趨勢基本一致，但試驗組合梁后期出現下降趨勢，這是由于實際試驗中，鋼梁存在初始缺陷，破壞前發生下翼緣屈曲，從而導致承載力下降。該文有限元分析得到的鋼梁在靜力單調荷載下的極限荷載為160.0 kN，試驗鋼—ECC組合梁在靜力單調荷載下的極限荷載為171.0 kN，有限元模擬結果比試驗結果高出6.9%，誤差滿足要求。有限元分析結果和試驗結果的對比驗證了該文建立的有限元模型的合理性。

圖4 有限元分析與試驗荷載撓度曲線對比

4 鋼—ECC組合梁負彎矩區受彎性影響因素分析

4.1 不同配筋率

以文獻[6]的鋼—ECC組合梁試驗為基準，研究1.0%、2.0%、3.0%及4.0%四組配筋率對鋼—ECC組合梁負彎矩區受彎性能的影響。ECC翼緣板縱筋四種配筋率靜力單調荷載下荷載-跨中撓度曲線如圖6所示。由圖5可知，隨著翼緣板縱筋配筋率的增大，鋼—ECC組合梁負彎矩區的承載力隨之增大：配筋率從1.0%增加到2%時，承載力提升3.1%；配筋率從2.0%增加到3%時，承載力提升1.7%；配筋率從3.0%增加到4%時，承載力提升2.0。由此可見，在1.0%~2%之間屈服和極限荷載提升較為明顯。

圖5 配筋率影響下的荷載-撓度曲線

圖6 ECC抗拉強度影響下的荷載-撓度曲線

4.2 ECC強度

探究2.7 MPa、3.7 MPa、4.7 MPa及5.7 MPa四組ECC抗拉強度對鋼—ECC組合梁受彎性能的影響，四種強度對應靜力單調荷載下鋼—ECC組合梁負彎矩區的荷載-跨中撓度曲線如圖6所示，隨著ECC抗拉強度的增大，鋼—ECC組合梁負彎矩區的承載力略有增大，但不明顯，ECC在負彎矩區主要是利用其控裂能力。

4.3 工字鋼梁翼緣強度

以文獻[6]的試驗為基準，保持原有模型參數不變，選取374.5 MPa、424.5 MPa、474.5 MPa及524.5 MPa四組工字鋼梁強度，研究分析工字鋼梁強度對鋼—ECC組合梁負彎矩區受彎性能的影響。四種工字鋼梁翼緣強度靜力單調荷載下鋼—ECC組合梁負彎矩區的荷載-跨中撓度曲線如圖7所示。隨著工字鋼強度的增大，鋼—ECC組合梁負彎矩區的承載力隨之增大；工字鋼梁翼緣強度從354.5 MPa增加到414.5 MPa時，承載力提升6.2%，工字鋼梁翼緣強度從414.5 MPa增加到474.5 MPa時，承載力提升8.2%，工字鋼梁翼緣強度從474.5 MPa增加到534.5 MPa時，承載力提升5.0%，鋼梁翼緣強度在314.5~474.5 MPa之間承載力提升較為明顯。

5 結語

采用有限元軟件對鋼—ECC組合梁負彎矩區進行模擬分析，將有限元模擬分析得到的荷載—跨中撓度曲線與試驗進行對比，有限元模擬與試驗結果吻合良好，驗證了建模方法的合理性，分析了鋼—ECC組合梁負彎矩區在不同配筋率、工字鋼梁翼緣板強度及ECC強度等因素對結構受彎性能的影響，得到以下結論：

（1）隨著ECC翼緣板縱筋配筋率的提高，鋼—ECC組合梁負彎矩區的承載力增大，當配筋率取值2.0%左右時，結構受彎性能較好。

（2）隨著ECC抗拉強度的增大，鋼—ECC組合梁負彎矩區的承載力略有增大，但增長幅度不大。ECC在結構中主要提升結構延性，設計時不建議通過增大ECC抗拉強度來提高鋼—ECC組合梁負彎矩區的承載力。

（3）隨著工字鋼梁翼緣強度的提高，鋼—ECC組合梁負彎矩區的承載力隨之增大，當鋼梁翼緣強度取值474.5 MPa左右，效果較好。