鋼桁結(jié)合梁主橋受拉狀態(tài)及疲勞性能研究

1受拉區(qū)混凝土板圖4蕪湖兩座公車的下層是鐵路橋，上層是公路橋。上層公路橋采用混凝土橋面板與鋼桁梁共同作用的板桁結(jié)合梁。該橋正橋由北向南跨度為:(120m+2×144m)+(3×144m)+(3×144m)+(180m+312m+180m)+(2×120m)。正橋總長2193.70m。其中主橋主跨180m+312m+180m為矮塔斜拉橋。主橋邊跨各中間墩附近的上層結(jié)合梁為受拉區(qū)?；炷量估瓘?qiáng)度很低。若不能有效地控制混凝土板中的裂紋寬度,不僅會降低結(jié)合梁的剛度,使鋼梁中的應(yīng)力增大,而且有害氣體、污水會透過混凝土裂紋腐蝕鋼筋、栓釘和鋼梁,造成不良后果。因此,受拉區(qū)的處理是蕪湖橋板桁結(jié)合梁的重要課題之一。對受拉區(qū)混凝土板,下列兩種方案可供選擇:方案一,全部工地現(xiàn)澆高配筋混凝土,以高配筋代替預(yù)應(yīng)力,以混凝土裂紋寬度限值代替混凝土拉應(yīng)力限值。方案二,預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土板+工地后澆微膨脹混凝土。預(yù)制混凝土板不可能無窮大,縱向、橫向都會有接頭,而且,為了使混凝土板與鋼梁相結(jié)合,鋼梁上部有栓釘?shù)膮^(qū)域,混凝土必須是現(xiàn)澆的。預(yù)制混凝土板之間的鋼筋接頭正好可放在這些現(xiàn)澆混凝土帶中。無論采用哪種方法,都要求設(shè)計(jì)荷載下疲勞200萬次后混凝土板中裂紋寬度能控制在0.20mm以下,鋼構(gòu)件與鋼筋能有效結(jié)合,共同工作。為比較,共制作了4根不同的大型結(jié)合梁,在負(fù)彎矩作用下,每梁先做了200萬次疲勞試驗(yàn),然后又做了極限承載力試驗(yàn),以了解不同疲勞次數(shù)下,結(jié)合梁剛度的變化,鋼梁、鋼筋和混凝土中應(yīng)力的分布,混凝土板中裂紋的分布和發(fā)展、破壞情況等。2預(yù)應(yīng)力筋張拉4根梁取名T1、T2、T3和T4,外形、鋼構(gòu)件和支承條件都相同。梁長6.8m,截面總高60.2cm,其中鋼構(gòu)件高44.2cm,混凝土板厚16cm、寬100cm。鋼構(gòu)件為工字型截面,用14MnNbq焊接而成。上翼緣□350×20,腹板□382×20,下翼緣□400×20。在兩個(gè)支點(diǎn)和兩端加載點(diǎn)處腹板上設(shè)有豎向加勁肋。T1、T2梁的混凝土板為一次澆灌成型的普通C50混凝土,兩者只有栓釘布置不同。T3、T4則各由6塊預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土板(普通C50)和一條縱向、兩條橫向后澆C50補(bǔ)償收縮(微膨脹)混凝土條帶組成。每塊預(yù)制混凝土板內(nèi)側(cè)做成鋸齒型,齒深5cm,以增加新、老混凝土之間的抗剪能力。兩預(yù)制塊之間的橫向距離,即現(xiàn)澆混凝土縱向條帶的寬度,齒頭間為19cm,齒根間為29cm。橫向后澆補(bǔ)償收縮混凝土條帶的寬度,T3為35cm,T4為60cm。此寬度考慮了預(yù)制塊縱向鋼筋在此處連接所需的最小長度?；炷恋牧⒎襟w強(qiáng)度于每梁疲勞試驗(yàn)始日測定?；炷恋?8天實(shí)測彈性模量Ec如下:T1、T2:3.72,4.20,4.35(×104MPa)T3、T4:預(yù)制混凝土:4.17,4.33,3.90(×104MPa)后澆混凝土:4.10,4.85,4.62(×104MPa)混凝土板中的橫向配筋率都為2.77%(箍筋中心距為14cm)。T1、T2的縱向配筋率為3.23%。T3、T4平均縱向配筋率為3.69%,包括每預(yù)制塊兩根?25預(yù)應(yīng)力筋。預(yù)應(yīng)力筋張拉時(shí)混凝土齡期為26～28天。每根預(yù)應(yīng)力筋的控制張拉力為33.5t,實(shí)測錨固損失約8%,張拉完畢預(yù)制板中的平均預(yù)應(yīng)力約為9MPa。橫向后澆混凝土帶中,預(yù)制混凝土板間縱向鋼筋的連接,T3為彎小鉤搭焊(上層為雙面焊,下層為單面焊),T4則采用封閉式彎鉤捆扎連接。連接件采用?22的栓釘,焊接前栓釘長105mm。其中T2為多釘試件,共240釘,分4排布置。其余3梁每梁104釘,分兩排布置。當(dāng)梁兩端各作用1t荷載時(shí),按第一狀態(tài)計(jì)算,T1、T3、T4伸臂段的栓釘,每釘將受到0.105t的剪力。T2的栓釘受力則減半。T2見圖1,T3見圖2。梁截面特性見表1。表中狀態(tài)一指通常情況,狀態(tài)二是指不計(jì)混凝土的抗拉作用(已開裂),但計(jì)入鋼筋的作用,鋼構(gòu)件與鋼筋仍有效結(jié)合。盡管混凝土的實(shí)測28天彈性模量Ec都比規(guī)范規(guī)定的3.55×104MPa大,但考慮到疲勞過程中混凝土的持續(xù)彈性模量變化較大,故表1中狀態(tài)一的截面特性按彈模比n=6換算成鋼。3靜力試驗(yàn)“零荷載+0.圖3為試驗(yàn)示意圖,與文獻(xiàn)的試驗(yàn)相比,本試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是除彎、剪復(fù)合段外還有較長的純彎段。由表1可知,混凝土開裂前后兩種狀態(tài)下,4根梁的中性軸都位于鋼構(gòu)件腹板。疲勞試驗(yàn)時(shí),兩端荷載由同一臺疲勞機(jī)上接出的兩個(gè)油壓千斤頂施加,以保持兩端荷載同步。每運(yùn)行若干萬次后,做一次靜力測試。靜力測試的荷載,從0分級加至當(dāng)前已完成的疲勞試驗(yàn)荷載的上限值Pmax。靜力測試內(nèi)容如下:1.0荷載下結(jié)合梁的自振頻率;2.各級荷載下各截面的豎向位移;3.各級荷載下鋼梁、混凝土、鋼筋中的應(yīng)力;4.各級荷載下鋼梁與混凝土板結(jié)合面上的相對滑移;5.各級荷載下混凝土板表面的裂紋寬度;6.最終荷載下混凝土板表面的裂紋分布。自振頻率由測振系統(tǒng)(光線示波器、拾振器、放大器組成)測得,撓度由百分表測得,兩端由傳感器監(jiān)控。鋼梁和鋼筋上的應(yīng)力由應(yīng)變片測得,混凝土表面的應(yīng)變則電測和機(jī)測同時(shí)進(jìn)行。全部電測由采集儀讀取并直接輸入計(jì)算機(jī)。鋼與混凝土的相對滑移由千分表測得。該千分表底端安在鋼梁上,而指針則指在同一截面的混凝土板上伸出的小鋼片上。裂紋寬度用兩種方法測量,一是將數(shù)字顯微鏡放在裂紋上觀察。該法能看出裂紋的絕對寬度,但精度不夠高。第二種方法是跨裂紋裝上千分表,由千分表讀數(shù)可知裂紋寬度的變化。該法精度較高,但只能測得裂紋寬度的相對值,即相對于零荷載下的裂紋寬度增量。疲勞試驗(yàn)過程中的靜力測試直接在疲勞機(jī)上進(jìn)行,不需移動試驗(yàn)梁。但由于疲勞機(jī)的加載能力有限,極限承載力試驗(yàn)則另做加力架測試。極限承載力試驗(yàn)的測試方法和內(nèi)容與疲勞試驗(yàn)過程中靜力測試相類似。4t3梁的相對滑移疲勞試驗(yàn)概況見表2?；炷涟逯兄饕鸭y都為橫向。圖4、圖5分別描出了T2和T3的裂紋發(fā)展情況。T1的與T2相似,T4的與T3相似。各梁的最大裂紋寬度見表3。由上述圖表可見,T1、T2梁的裂紋分布均勻細(xì)小,而T3、T4分布不均勻,最大裂紋都在新、老混凝土受拉交接面上,預(yù)制混凝土板中無裂紋出現(xiàn)。新、老混凝土受剪交接面上也無裂紋出現(xiàn)。圖6、圖7是T2、T3不同疲勞次數(shù)后的P-u曲線,P為荷載,u為梁兩端(1-1和7-7截面)撓度的平均值,圖中虛線是狀態(tài)一和狀態(tài)二的線彈性理論計(jì)算值。0萬次加載時(shí),各梁P-u曲線都呈現(xiàn)出一定程度的非線性,T1、T2較T3、T4明顯。0萬次較小荷載下(10t以下),P-u曲線呈線性,且接近于第一狀態(tài)的計(jì)算值,隨著荷載的增加或疲勞次數(shù)的增加和混凝土板中裂紋的出現(xiàn),P-u曲線逐漸向右偏轉(zhuǎn)。200萬次后,所有梁的撓度都介于第一、第二狀態(tài)之間。其中T1、T2較接近第二狀態(tài),而T3、T4較接近第一狀態(tài)。圖8是4根梁200萬次疲勞后的梁端P-u曲線對比。從這些曲線可見,梁端撓度T3、T4明顯比T1、T2小,這說明T3、T4梁的剛度明顯比T1、T2梁大。鋼梁、鋼筋和混凝土板中的應(yīng)變也都隨著疲勞次數(shù)的增加逐漸向第二狀態(tài)靠攏,但直到200萬次后,ε仍小于第二狀態(tài)計(jì)算值,說明混凝土還在起作用。尤其是T3、T4,200萬次后P-ε曲線還較接近第一狀態(tài)。各梁不同疲勞次數(shù)后,各截面鋼梁與混凝土板結(jié)合面上的相對滑移21t靜載下全部小于0.04mm,而且T2梁與其他3根梁相比,相對滑移也無明顯的差別。這說明設(shè)計(jì)荷載下T1、T3、T4梁的栓釘已足夠,不必再增加。5極限承載力試驗(yàn)按第二狀態(tài)計(jì)算,混凝土中的上層鋼筋離中性軸的距離較鋼構(gòu)件下翼緣遠(yuǎn),因此上層鋼筋應(yīng)率先屈服。按鋼筋屈服應(yīng)力335MPa計(jì)算,則上層鋼筋屈服時(shí)的荷載T1、T2約為62t,T3、T4約65t。不計(jì)材料的強(qiáng)化,按屈服應(yīng)力340MPa估算,則全截面屈服的荷載T1、T2為85.5t,T3、T4為87.7t。極限荷載是指梁喪失承載力前達(dá)到的最大荷載。加載過程中達(dá)到極限荷載后,荷載會自動下降而變形不斷增加,因此極限荷載時(shí)的撓度、混凝土裂紋寬度等一般無法讀取。表4列出了極限承載力試驗(yàn)概況。三根梁的極限承載力很接近,分別為97t、96t和97.5t,差別小于2%,說明預(yù)應(yīng)力對極限承載力并無影響。每一根梁卸載后都有較大的殘余變形。殘余變形的大小與卸載時(shí)間有關(guān)。達(dá)極限承載力后若立即卸載,則殘余變形相對較小;若不立即卸載,使勁加壓,想維持荷載(盡管荷載還在下降)則殘余變形會很大。混凝土板中主要裂紋都為橫向。T1、T2梁的裂紋細(xì)小均勻,在荷載60t前主要表現(xiàn)為增大原裂紋寬度,60t～80t間出現(xiàn)了一些新裂紋,80t以后幾乎無新裂紋出現(xiàn)。T3、T4梁開始只在后澆混凝土中有裂紋,40t后預(yù)制塊中開始出現(xiàn)裂紋。在新、老混凝土的受拉交界面上裂紋寬度很大;新、老混凝土的受剪交接面上始終無裂紋出現(xiàn),說明鋸齒形交接方式很成功。當(dāng)荷載較小時(shí),梁端撓度介于第一、二狀態(tài)之間。當(dāng)荷載達(dá)到50t～60t左右后,梁端的撓度開始超過第二狀態(tài)的線彈性計(jì)算值。圖9、圖10分別是T2、T3的P-u曲線。鋼梁上、下翼緣的p-ε曲線都明顯呈現(xiàn)出非線性,當(dāng)荷載較小時(shí),ε小于第二狀態(tài)線彈性計(jì)算值,到荷載較大時(shí),ε大于第二狀態(tài)計(jì)算值。鋼筋的應(yīng)變與此類似。鋼-混凝土結(jié)合面上的滑移值都較小。由于混凝土開裂的影響,滑移值的增加與荷載并不完全同步。在80t荷載下全部滑移值都不大于0.3mm。由?22栓釘?shù)腜-u曲線可知,當(dāng)u=0.3mm時(shí),栓釘所受的剪力在10t左右。從這些數(shù)據(jù)可見,極限狀態(tài)下,盡管混凝土嚴(yán)重開裂,不能幫助鋼梁抗拉,但混凝土能有效地卡住栓釘,使鋼梁與鋼筋仍成為一個(gè)整體,共同工作。6次級疲勞試驗(yàn)綜上所述,可得出如下結(jié)論:(1)對于蕪湖橋受拉區(qū)結(jié)合梁,本試驗(yàn)研究提供的兩種方案,即:一次成型高配筋混凝土-鋼結(jié)合梁(T1,T2)和預(yù)應(yīng)力預(yù)制混凝土+后澆微膨脹混凝土-鋼結(jié)合梁(T3、T4)都是可行的。(2)T1、T2梁混凝土裂紋分布均勻,裂紋寬度細(xì)小。T3、T4梁在新、老混凝土受拉交界面上的裂紋寬度較大,后澆微膨脹混凝土中也出現(xiàn)了一些細(xì)小的裂紋,疲勞試驗(yàn)全過程中預(yù)應(yīng)力預(yù)制塊中無裂紋出現(xiàn)。200萬次疲勞試驗(yàn)后,混凝土上表面的裂紋寬度,T1、T2梁靜載21t(σc=7.38MPa)下小于0.15mm,T3、T4梁靜載15t(σc=5.18MPa)下小于0.20mm。(3)200萬次疲勞試驗(yàn)后,所有梁的撓度、應(yīng)變(鋼梁、鋼筋)都小于第二狀態(tài)線彈性計(jì)算值,說明混凝土開裂后還能起一定的作用。T3、T4梁的撓度、應(yīng)變明顯小于T1、T2梁,說明T3、T4梁的剛度較T1、T2梁大。(4)直至200萬次疲勞試驗(yàn)結(jié)束,鋼與混凝土結(jié)合面上的相對滑移,21t靜載下4根梁都小于0.04mm;極限承載力試驗(yàn)中,當(dāng)靜載達(dá)80t時(shí),也都不大于0.3mm。說明試件栓釘?shù)脑O(shè)計(jì)合理、安全、可靠,蕪湖橋受拉區(qū)結(jié)合梁可照此設(shè)計(jì)。(5)極限狀態(tài)下,盡管混凝土嚴(yán)重開裂,喪失抗拉