钢桁结合梁主桥受拉状态及疲劳性能研究

钢桁结合梁主桥受拉状态及疲劳性能研究

1受拉区混凝土板图4芜湖两座公车的下层是铁路桥，上层是公路桥。上层公路桥采用混凝土桥面板与钢桁梁共同作用的板桁结合梁。该桥正桥由北向南跨度为:(120m+2×144m)+(3×144m)+(3×144m)+(180m+312m+180m)+(2×120m)。正桥总长2193.70m。其中主桥主跨180m+312m+180m为矮塔斜拉桥。主桥边跨各中间墩附近的上层结合梁为受拉区。混凝土抗拉强度很低。若不能有效地控制混凝土板中的裂纹宽度,不仅会降低结合梁的刚度,使钢梁中的应力增大,而且有害气体、污水会透过混凝土裂纹腐蚀钢筋、栓钉和钢梁,造成不良后果。因此,受拉区的处理是芜湖桥板桁结合梁的重要课题之一。对受拉区混凝土板,下列两种方案可供选择:方案一,全部工地现浇高配筋混凝土,以高配筋代替预应力,以混凝土裂纹宽度限值代替混凝土拉应力限值。方案二,预应力预制混凝土板+工地后浇微膨胀混凝土。预制混凝土板不可能无穷大,纵向、横向都会有接头,而且,为了使混凝土板与钢梁相结合,钢梁上部有栓钉的区域,混凝土必须是现浇的。预制混凝土板之间的钢筋接头正好可放在这些现浇混凝土带中。无论采用哪种方法,都要求设计荷载下疲劳200万次后混凝土板中裂纹宽度能控制在0.20mm以下,钢构件与钢筋能有效结合,共同工作。为比较,共制作了4根不同的大型结合梁,在负弯矩作用下,每梁先做了200万次疲劳试验,然后又做了极限承载力试验,以了解不同疲劳次数下,结合梁刚度的变化,钢梁、钢筋和混凝土中应力的分布,混凝土板中裂纹的分布和发展、破坏情况等。2预应力筋张拉4根梁取名T1、T2、T3和T4,外形、钢构件和支承条件都相同。梁长6.8m,截面总高60.2cm,其中钢构件高44.2cm,混凝土板厚16cm、宽100cm。钢构件为工字型截面,用14MnNbq焊接而成。上翼缘□350×20,腹板□382×20,下翼缘□400×20。在两个支点和两端加载点处腹板上设有竖向加劲肋。T1、T2梁的混凝土板为一次浇灌成型的普通C50混凝土,两者只有栓钉布置不同。T3、T4则各由6块预应力预制混凝土板(普通C50)和一条纵向、两条横向后浇C50补偿收缩(微膨胀)混凝土条带组成。每块预制混凝土板内侧做成锯齿型,齿深5cm,以增加新、老混凝土之间的抗剪能力。两预制块之间的横向距离,即现浇混凝土纵向条带的宽度,齿头间为19cm,齿根间为29cm。横向后浇补偿收缩混凝土条带的宽度,T3为35cm,T4为60cm。此宽度考虑了预制块纵向钢筋在此处连接所需的最小长度。混凝土的立方体强度于每梁疲劳试验始日测定。混凝土的28天实测弹性模量Ec如下:T1、T2:3.72,4.20,4.35(×104MPa)T3、T4:预制混凝土:4.17,4.33,3.90(×104MPa)后浇混凝土:4.10,4.85,4.62(×104MPa)混凝土板中的横向配筋率都为2.77%(箍筋中心距为14cm)。T1、T2的纵向配筋率为3.23%。T3、T4平均纵向配筋率为3.69%,包括每预制块两根Ø25预应力筋。预应力筋张拉时混凝土龄期为26～28天。每根预应力筋的控制张拉力为33.5t,实测锚固损失约8%,张拉完毕预制板中的平均预应力约为9MPa。横向后浇混凝土带中,预制混凝土板间纵向钢筋的连接,T3为弯小钩搭焊(上层为双面焊,下层为单面焊),T4则采用封闭式弯钩捆扎连接。连接件采用Ø22的栓钉,焊接前栓钉长105mm。其中T2为多钉试件,共240钉,分4排布置。其余3梁每梁104钉,分两排布置。当梁两端各作用1t荷载时,按第一状态计算,T1、T3、T4伸臂段的栓钉,每钉将受到0.105t的剪力。T2的栓钉受力则减半。T2见图1,T3见图2。梁截面特性见表1。表中状态一指通常情况,状态二是指不计混凝土的抗拉作用(已开裂),但计入钢筋的作用,钢构件与钢筋仍有效结合。尽管混凝土的实测28天弹性模量Ec都比规范规定的3.55×104MPa大,但考虑到疲劳过程中混凝土的持续弹性模量变化较大,故表1中状态一的截面特性按弹模比n=6换算成钢。3静力试验“零荷载+0.图3为试验示意图,与文献的试验相比,本试验的优点是除弯、剪复合段外还有较长的纯弯段。由表1可知,混凝土开裂前后两种状态下,4根梁的中性轴都位于钢构件腹板。疲劳试验时,两端荷载由同一台疲劳机上接出的两个油压千斤顶施加,以保持两端荷载同步。每运行若干万次后,做一次静力测试。静力测试的荷载,从0分级加至当前已完成的疲劳试验荷载的上限值Pmax。静力测试内容如下:1.0荷载下结合梁的自振频率;2.各级荷载下各截面的竖向位移;3.各级荷载下钢梁、混凝土、钢筋中的应力;4.各级荷载下钢梁与混凝土板结合面上的相对滑移;5.各级荷载下混凝土板表面的裂纹宽度;6.最终荷载下混凝土板表面的裂纹分布。自振频率由测振系统(光线示波器、拾振器、放大器组成)测得,挠度由百分表测得,两端由传感器监控。钢梁和钢筋上的应力由应变片测得,混凝土表面的应变则电测和机测同时进行。全部电测由采集仪读取并直接输入计算机。钢与混凝土的相对滑移由千分表测得。该千分表底端安在钢梁上,而指针则指在同一截面的混凝土板上伸出的小钢片上。裂纹宽度用两种方法测量,一是将数字显微镜放在裂纹上观察。该法能看出裂纹的绝对宽度,但精度不够高。第二种方法是跨裂纹装上千分表,由千分表读数可知裂纹宽度的变化。该法精度较高,但只能测得裂纹宽度的相对值,即相对于零荷载下的裂纹宽度增量。疲劳试验过程中的静力测试直接在疲劳机上进行,不需移动试验梁。但由于疲劳机的加载能力有限,极限承载力试验则另做加力架测试。极限承载力试验的测试方法和内容与疲劳试验过程中静力测试相类似。4t3梁的相对滑移疲劳试验概况见表2。混凝土板中主要裂纹都为横向。图4、图5分别描出了T2和T3的裂纹发展情况。T1的与T2相似,T4的与T3相似。各梁的最大裂纹宽度见表3。由上述图表可见,T1、T2梁的裂纹分布均匀细小,而T3、T4分布不均匀,最大裂纹都在新、老混凝土受拉交接面上,预制混凝土板中无裂纹出现。新、老混凝土受剪交接面上也无裂纹出现。图6、图7是T2、T3不同疲劳次数后的P-u曲线,P为荷载,u为梁两端(1-1和7-7截面)挠度的平均值,图中虚线是状态一和状态二的线弹性理论计算值。0万次加载时,各梁P-u曲线都呈现出一定程度的非线性,T1、T2较T3、T4明显。0万次较小荷载下(10t以下),P-u曲线呈线性,且接近于第一状态的计算值,随着荷载的增加或疲劳次数的增加和混凝土板中裂纹的出现,P-u曲线逐渐向右偏转。200万次后,所有梁的挠度都介于第一、第二状态之间。其中T1、T2较接近第二状态,而T3、T4较接近第一状态。图8是4根梁200万次疲劳后的梁端P-u曲线对比。从这些曲线可见,梁端挠度T3、T4明显比T1、T2小,这说明T3、T4梁的刚度明显比T1、T2梁大。钢梁、钢筋和混凝土板中的应变也都随着疲劳次数的增加逐渐向第二状态靠拢,但直到200万次后,ε仍小于第二状态计算值,说明混凝土还在起作用。尤其是T3、T4,200万次后P-ε曲线还较接近第一状态。各梁不同疲劳次数后,各截面钢梁与混凝土板结合面上的相对滑移21t静载下全部小于0.04mm,而且T2梁与其他3根梁相比,相对滑移也无明显的差别。这说明设计荷载下T1、T3、T4梁的栓钉已足够,不必再增加。5极限承载力试验按第二状态计算,混凝土中的上层钢筋离中性轴的距离较钢构件下翼缘远,因此上层钢筋应率先屈服。按钢筋屈服应力335MPa计算,则上层钢筋屈服时的荷载T1、T2约为62t,T3、T4约65t。不计材料的强化,按屈服应力340MPa估算,则全截面屈服的荷载T1、T2为85.5t,T3、T4为87.7t。极限荷载是指梁丧失承载力前达到的最大荷载。加载过程中达到极限荷载后,荷载会自动下降而变形不断增加,因此极限荷载时的挠度、混凝土裂纹宽度等一般无法读取。表4列出了极限承载力试验概况。三根梁的极限承载力很接近,分别为97t、96t和97.5t,差别小于2%,说明预应力对极限承载力并无影响。每一根梁卸载后都有较大的残余变形。残余变形的大小与卸载时间有关。达极限承载力后若立即卸载,则残余变形相对较小;若不立即卸载,使劲加压,想维持荷载(尽管荷载还在下降)则残余变形会很大。混凝土板中主要裂纹都为横向。T1、T2梁的裂纹细小均匀,在荷载60t前主要表现为增大原裂纹宽度,60t～80t间出现了一些新裂纹,80t以后几乎无新裂纹出现。T3、T4梁开始只在后浇混凝土中有裂纹,40t后预制块中开始出现裂纹。在新、老混凝土的受拉交界面上裂纹宽度很大;新、老混凝土的受剪交接面上始终无裂纹出现,说明锯齿形交接方式很成功。当荷载较小时,梁端挠度介于第一、二状态之间。当荷载达到50t～60t左右后,梁端的挠度开始超过第二状态的线弹性计算值。图9、图10分别是T2、T3的P-u曲线。钢梁上、下翼缘的p-ε曲线都明显呈现出非线性,当荷载较小时,ε小于第二状态线弹性计算值,到荷载较大时,ε大于第二状态计算值。钢筋的应变与此类似。钢-混凝土结合面上的滑移值都较小。由于混凝土开裂的影响,滑移值的增加与荷载并不完全同步。在80t荷载下全部滑移值都不大于0.3mm。由Ø22栓钉的P-u曲线可知,当u=0.3mm时,栓钉所受的剪力在10t左右。从这些数据可见,极限状态下,尽管混凝土严重开裂,不能帮助钢梁抗拉,但混凝土能有效地卡住栓钉,使钢梁与钢筋仍成为一个整体,共同工作。6次级疲劳试验综上所述,可得出如下结论:(1)对于芜湖桥受拉区结合梁,本试验研究提供的两种方案,即:一次成型高配筋混凝土-钢结合梁(T1,T2)和预应力预制混凝土+后浇微膨胀混凝土-钢结合梁(T3、T4)都是可行的。(2)T1、T2梁混凝土裂纹分布均匀,裂纹宽度细小。T3、T4梁在新、老混凝土受拉交界面上的裂纹宽度较大,后浇微膨胀混凝土中也出现了一些细小的裂纹,疲劳试验全过程中预应力预制块中无裂纹出现。200万次疲劳试验后,混凝土上表面的裂纹宽度,T1、T2梁静载21t(σc=7.38MPa)下小于0.15mm,T3、T4梁静载15t(σc=5.18MPa)下小于0.20mm。(3)200万次疲劳试验后,所有梁的挠度、应变(钢梁、钢筋)都小于第二状态线弹性计算值,说明混凝土开裂后还能起一定的作用。T3、T4梁的挠度、应变明显小于T1、T2梁,说明T3、T4梁的刚度较T1、T2梁大。(4)直至200万次疲劳试验结束,钢与混凝土结合面上的相对滑移,21t静载下4根梁都小于0.04mm;极限承载力试验中,当静载达80t时,也都不大于0.3mm。说明试件栓钉的设计合理、安全、可靠,芜湖桥受拉区结合梁可照此设计。(5)极限状态下,尽管混凝土严重开裂,丧失抗拉