矩形钢管混凝土构件弯曲性能试验研究.pdf

桥梁建设 年第 卷第 期 总第 期 文章编号 矩形钢管混凝土构件弯曲性能试验研究 杨岳华 姜 磊 刘永健 长安大学 陕西 西安 台州市沿海高速公路指挥部 浙江 台州 摘 要 为了解矩形钢管混凝土梁在弯矩作用下的受力性能及加劲肋对其弯曲性能的影响 设计制作 试件 无加劲肋 试件 设置普通加劲肋 和 试件 设置 加劲肋 共 个 矩形钢管混凝土试件 进行纯弯试验 研究各试件的荷载 位移曲线 中性轴移动规律 混凝土和钢 材应变规律 破坏模式等 并基于 规范方法计算各试件的抗弯承载力 对比填充混凝土对钢 梁抗弯承载力的影响 结果表明 在用钢量相同的前提下 试件的混凝土与钢管之间产生了滑 移 试件在横向集中荷载的作用下局部混凝土开裂严重 试件的钢管混凝土整体性较好 混凝土无滑移 填充混凝土对设 试件和 试件的抗弯承载力有显著提高 对 试件的抗弯 承载力提高很小 关键词 钢管混凝土 弯曲性能 加劲肋 纯弯试验 破坏模式 承载力 中图分类号 文献标志码 收稿日期 基金项目 国家自然科学基金项目 交通运输部建设科技项目 作者简介 杨岳华 高级工程师 研究方向 钢桥与组合结构桥梁 桥梁建设 引 言 钢管混凝土是采用混凝土与钢材形成的一种组 合材料 其轴向抗压性能好 超过了 种材料各自性 能的总和 等 等 等国 内外学者的研究表明 由于混凝土限制了钢管壁的 内凹屈曲 而钢管又对核心混凝土提供了约束作用 使得钢管混凝土具有优越的力学性能 在桥梁工程中 钢管混凝土除用于墩柱这种受 压为主的结构外 也广泛应用于拱肋结构 拱肋除 轴向受压外 在拱上立柱和拱脚支撑处 还需要承受 较大的弯矩作用 因此有必要对该部位的压弯受力 性能进行验算分析 钢管混凝土压弯受力性能十分 复杂 作为其抗弯性能的机理性分析 通常将其简化 为纯弯作用下的梁 此方法可以较好地分析钢管与 混凝土之间的剪力传递 同时对于掌握钢管与混凝 土之间的内力传递机理有重要意义 国内外对于钢管混凝土纯弯梁受力性能的研究 较少 等 进行了矩形钢管混凝土梁受弯试 验 结果表明钢 混界面性能使得钢管与混凝土之 间应力重分布 等 采用高强钢材和高强混 凝土 完成了不同截面形式钢管混凝土梁的纯弯试 验研究 并将承载力与 规范建议公式进行对 比 研究表明 公式计算结果偏于安全 等 完成了预应力矩形钢管混凝土梁受弯试验研 究 并给出了极限承载力计算公式 等 采 用足尺模型分别对圆形和矩形钢管 以及设置与不 设拉筋的试件进行了试验研究 认为以前的小比例 缩尺 试验模型得到的 种材料完全组合的假设不 能应用到足尺结构中 在钢管混凝土梁的抗弯承载 力计算时应当考虑混凝土与钢管之间的滑移影响 刘永健等 分别考虑钢 混凝土界面完全粘结和自 由滑移 种状态 对矩形钢管混凝土构件受弯性能 进行研究 结果表明界面脱粘将导致核心混凝土的 抗弯承载力过早失效 已有研究多针对钢管混凝土 梁的抗弯承载力 对钢管混凝土梁受弯界面性能的 研究较少 本文设计制作了 个矩形钢管混凝土梁试件 通过纯弯试验对比分析普通钢管混凝土试件与管内 设置普通加劲肋试件 设置 加劲肋试件的弯曲 性能 并参照美国钢结构协会 规范 计算试 件的抗弯承载力设计值 试验概况 试件设计与制作 设计制作矩形钢管混凝土梁试件 试件长 宽 钢管由 块矩形钢板焊接而成 钢 板采用 钢材 混凝土采用 共制作 个试 件 试件在钢管内壁设置纵向 加劲肋 试件在钢管内壁设置普通纵向加劲肋 试件不 设加劲肋 试件和 试件截面高 钢 管壁厚 试件截面高 钢管壁厚 加劲肋均高 开孔直径 孔 距 各试件截面构造如图 所示 试验加载及量测 试验采用 压力试验机进行加载 油缸 自下往上顶升 加载点设置在钢管混凝土梁下底板 上 支点设置在钢管混凝土梁上顶板梁端 加载时 先以压力控制加载 当试件与油缸充分接触且加载 图 试件截面构造 矩形钢管混凝土构件弯曲性能试验研究 杨岳华 姜 磊 刘永健 压力达到 后 以 的速度匀速加载 当压力达到 时 改为以位移控制加载 按 的速度匀速加载 直至结构破坏 试 验加载如图 所示 图 试验加载 分别在梁跨中和加载点处布置位移计 在跨中 钢管腹板表面沿高度方向等距布置 个应变测点 在跨中钢管顶 底板表面等距布置 个应变测点 并 在对应位置的混凝土内部布置埋入式应变传感器 分别测量钢管和混凝土的应变 加载过程中对测试 数据进行实时采集 试验结果分析 荷载 位移曲线 根据试验测得的荷载和位移值绘制各试件的荷 载 位移曲线 如图 所示 由图 可知 个试件 在加载初期均处于线性变形状态 试件的斜率 明显大于其他 个试件 说明 试件的抗弯刚度 较大 试件和 试件的抗弯刚度基本相同 当 荷载超过 后 试件和 试件的位移 急剧增加 而 试件的位移增长相对较慢 试 件和 试件的极限抗弯承载力较接近 且最后的 下降段较明显 试件的极限抗弯承载力最大 且 破坏时的压力下降不明显 以上分析结果说明 在 相同用钢量的前提下 钢管内设置加劲肋的抗弯刚 图 荷载 位移曲线 度因钢材截面抗弯模量的减小而减小 钢管内设置 普通加劲肋可以适当提高梁的极限承载力 中性轴移动规律 通过钢管侧面 个测点和顶 底面 个测点测 得的应力变化规律 绘制各试件截面中性轴位置随 荷载的变化曲线 如图 所示 由图 可知 试件加载到 试件和 试件加载到 时 中性轴开始向上移动 说明 试件的受拉 区混凝土更容易开裂 当加载至 后 中性轴 上移速度变缓 说明此时钢管受力得到更好发挥 当 荷载达到 后 中性轴上移速率又加快 说明 此时钢材已进入屈服阶段 受拉区混凝土急剧开裂 个试件的中性轴上移速度 试 件内的受拉区混凝土因产生滑移而更不易开裂 图 中性轴位置随荷载变化曲线 受拉区混凝土和钢材应变规律 在试件跨中布置一端焊接在钢板壁内侧的混凝 土埋入式应变计和粘贴于钢板壁外侧的应变片同步 测试混凝土和钢材的应变值 跨中截面钢管内受拉 区混凝土和钢管底面钢板的拉应变随荷载变化规律 如图 所示 由图 可知 试件的混凝土拉 桥梁建设 图 受拉区混凝土和钢材应变随荷载变化规律 应变明显比其他 个试件要小 说明试件内的混凝 土与钢管壁之间产生了滑移 试件和 试件 的混凝土拉应变随加载不断增加 且变化规律相近 说明钢管内设置加劲肋可以提高钢管与混凝土之间 的界面粘结性能 钢管混凝土梁的组合作用更好 当 荷载超过 后 试件的混凝土拉应变急 剧增长 由图 可知 荷载小于 时 试件的应变增长最慢 试件比 试件稍慢 此外 同是跨中截面受拉区 试件的混凝土和钢 板的应变增长规律基本相同 而 试件和 试 件所测得的混凝土和钢板的应变相差较大 这可能 是由于 试件的开孔混凝土榫产生的局部应力 不均匀 以及 试件产生了混凝土与钢板的滑移 影响所致 跨中截面弯矩与位移关系 各试件跨中截面弯矩与位移关系曲线如图 所 示 由图 可知 整个加载过程可以划分为 个阶 段 粘结阶段 滑移 抗剪 阶段 屈服强化阶段 和破坏阶段 当跨中截面弯矩小于 时 个试件均处于第 阶段 且 个试件的弯矩和跨中 位移的关系曲线基本重合 当弯矩大于 后 试件进入第 阶段 试件的中性轴不再上 移 说明受拉区混凝土不再开裂 而是与钢管壁之间 产生了滑移 试件和 试件的受拉区混凝土 继续开裂 加劲肋起到了剪力连接键的作用 钢管与 混凝土仍然共同受力 当 试件弯矩达到 试件和 试件弯矩达到 时 试件进入第 阶段 此时随着弯矩的增加 跨中 位移急剧增大 说明构件达到了屈服状态 当跨中位 移达到 时 弯矩达到最大值 然后随着位移 的增加而减小 直至破坏 图 跨中截面弯矩与位移关系曲线 试件破坏模式 各试件破坏模式分别为 试件受压区钢板 屈曲明显 受拉区混凝土裂缝宽 且间距大 试件 和 试件受压区钢板也出现屈曲 但相比 试 件明显小得多 同时 个试件的混凝土均出现受压 区压碎和受拉区开裂 且裂缝与 试件相比更均 匀 此外 试件在加载位移量达到近 时完成 试验后发现在梁端混凝土出现破坏现象 试件 梁端混凝土整块挤出 挤出值平均为 说明 试件抗弯整体性较差 试件梁端混凝土开裂严 重 且梁端混凝土挤出约 试件破坏时构 件整体性较好 梁端混凝土开裂较小 且混凝土无挤 出现象 各试件破坏模式如图 所示 抗弯承载力设计计算 试件抗弯承载力设计值 与钢筋混凝土构件截面设计相似 具体要求 把 截面细分成很多小的区域 称为纤维 应变分布贯 穿整个截面 并且有 个中性轴 基于不同组成部分 矩形钢管混凝土构件弯曲性能试验研究 杨岳华 姜 磊 刘永健 图 各试件破坏模式 的应力 应变关系计算应力 使整个截面应力形成 整体来获得关于塑性中性轴的弯矩 计算简图如图 所示 图中各符号含义和抗弯承载力计算公式参 照 规范 由于 试件的混凝土与钢管产生滑移后就不 能满足上述基本假定 因此该试件的弯矩设计值应 按混凝土与钢管的粘结力来控制计算 即采用粘结 力代替受压区混凝土压力值来计算受压区高度 钢 材的强度采用强度设计值 其抗弯承载力为 式中 分别为按对称轴 组合截面中性轴计 算的钢截面塑性模量 为混凝土与钢 板的抗剪粘结强度 一般取 为组合截面塑性 中性轴到中心对称轴之间的距离 值得注意的是 即使混凝土与钢管产生了滑移 如果纯钢管截面还能发挥设计抗弯的作用 构件的 设计弯矩应当以纯钢管截面控制计算 因此 试件的抗弯承载力设计值宜按式 与纯钢截面计 算的弯矩值 两者之间取大值 试件抗弯承载力计算 试件和 试件均按 规范计算抗弯 承载力设计值 但式中的混凝土和钢材的强度采用 强度设计值 即混凝土强度设计值 代替 钢 材强度设计值 代替 试件混凝土的压力 贡献由混凝土与钢板接触面的抗剪粘结强度决定 抗弯承载力设计值由式 计算 同样钢材的强度也 采用强度设计值 根据上述原则 计算出各试件 抗弯承载力设计值 如表 所示 表 试件抗弯承载力设计值 试件 抗弯承载力 空钢管 原试件 由表 可知 试件的抗弯承载力设计值最 大 试件次之 试件最小 最大相差约 这与试验测得钢材达到设计值时的结果一致 从填 充混凝土对抗弯承载力的提高效果来看 与空钢管 相比 试件提高最大 试件次之 个试件 的抗弯承载力均提高了 以上 而 试件的提 高很小 仅为 图 计算简图 桥梁建设 结 论 本文通过 试件 试件和 试件的纯 弯试验 分析了矩形钢管混凝土梁的弯曲性能 并参 考 规范计算试件的抗弯承载力设计值 与钢 管的抗弯承载力对比 得出以下结论 在用钢量相同的前提下 个试件在弹性 阶段的抗弯承载性能相近 在荷载较大时 试件 的混凝土与钢管壁之间产生了滑移 试件在横向 力作用集中位置的管内混凝土产生了较大的开裂现 象 而只有 试件的抗弯整体性较好 普通钢管混凝土梁试件的填充混凝土对抗 弯承载力设计值的提高很小 而对于设置加劲肋的 试件 填充混凝土能显著提高其抗弯承载力 参考文献 刘永健 李 慧 张 宁 界面状态对矩形钢管混凝土 构件抗弯性能的影响 建筑科学与工程学报 钢结构设计规范 杨岳华 男 高级工程师