波纹钢腹板组合箱梁拟平截面假定的试验验证及破坏分析

1、波纹钢腹板组合箱梁拟平截面假定的试验验证及破坏分析袁世雷，李浪，王清远基金项目：国家杰出青年基金资助项h (10925211);教育部创新团队计划资助项目(irt1027)作者简介：袁世雷(1986-),男,硕士生.研究方向:工程结构耐久性与修补.e-mail :y utianflying 通讯联系人：王淸远.e-mail: wangqy,彭泽维(四川大学，四川，成都610065)摘要：为硏究波纹钢腹板组介箱梁的抗弯性能，以深圳南山大桥为原型，根据相似理论制作了缩比尺寸为1:20 的试验梁，研究了波纹钢腹板组合箱梁的开裂形式、裂缝开展、位移和应变受力响应情况。结果表明，波纹钢腹 板组合箱梁首先

2、在底板边缘及混凝土底板与波纹钢腹板连接处出现弯曲裂缝，破坏时最人裂缝宽度达5mm。在循 坏荷载作用下，组合箱梁的位移响应曲线符合三折线模型。底板开裂前后组介箱梁顶板应变响应曲线呈直线发展 且加卸载段基本重合，混凝十底板应变响应曲线斜率在开裂前有细微变化，开裂后再次呈直线发展，加卸载段曲 线并不重合，波纹钢腹板组合箱梁在承受弯曲荷载作用时基本吻合拟平截面假定。关键词：波纹钢腹板组合箱梁；裂缝；挠度；拟平截而假定；中图分类号：u443.35 ;tu39x+.9文献标识码：athe test of quasi plane assumption and failure of box girders w

3、ithcorrugated steel webyuan shijei, li lang,ming qingpeng zg-wei(sichuan univ.、sichuan. chengdu 610065, china)abstract: according to the similarity theory made test beams which were in shenzhen nan shan bridge as the pmtotypc and the shrinkage ratio was 1:20. crack form, cracking developing, displac

4、ement and strain stress response were studied. it turned out that the first bending crack appeared in the bottom edge and concrete floor and corrugated steel web connection, the maximum crack width was 5mm when destmetion. in cyclic loads, the combination of tlie displacement response curve with thr

5、ee broken line model. the strain response of box gird er roof is linear .loading iind unloading section are coincidence concrete floor strain response curve slope have small change before cracking and clurnge to be linear after cracking under bending load, the box girders with corrugated steel web a

6、re accord with the quasi plane assumptionkey words: box girders with conugated steel web; crack; deflection; quasi plane assumption波纹钢腹板纽合箱梁桥是-种新型的桥梁形 式，最初由法国提出并设计建造了世界上第i座波 纹钢腹板组合箱梁桥-cognac桥，其后波纹钢腹板 组合箱梁作为一种新型的桥梁形式得到了迅速的发 展。在传统混凝土腹板箱梁屮，顶底板往往根据抗 弯要求进行设计，需在腹板中布置预应力索及普通 钢筋，但是受构造及施工条件的制约，无法仅仅通 过减小混凝十厚度

7、來降低箱梁的自重。因此，采 用钢腹板取代混凝土腹板不仅可有效地降低箱梁的 自重、充分发挥混凝土和钢材的力学性能，而h-外 形美观，抗震性能较好®,从而使得这种新型的钢 混凝土组合箱梁桥具有很好的经济和社会效益回， 受到越来越多的国际关注。我国学者宋建永等人 通过一系列的试验和理论分析，建立了波纹钢腹板 体外预应力组合箱梁抗弯全过程分析方法；郝国容 等人罔通过波纹钢腹板的纵向刚度和其组合截血的 轴向刚度得出了波纹钢腹板组合箱梁的抗弯刚度公 式。同时对于波纹钢腹板组合箱梁中剪力连接件的 粘结滑移9。,及其波纹钢腹板的静态和疲劳性能 进行了试验分析和研究目前，对于波纹钢腹板组合箱梁的静态和

8、疲劳 性能的研究较多，对其抗弯加载过程中的拟平截而 假定的理论推导有一定的研究成果2列，但对于波 纹钢腹板组合箱梁的循环加载响应及其拟平截面假 定的试验验证研究较少。木文通过两根波纹钢腹板 组合箱梁的循环加载试验，研究了波纹钢腹板组合 箱梁的弯曲破坏过程，验证了弯曲加载过程中组合 箱梁的拟平截血假定理论，具有重要的应用价值。1试验概况1.1试验材料试验用混凝十配合比参照混凝土常用工程速 查手册设计：水泥：砂：石：水为1:1.03:3.16:0.42, 水灰比0.42,砂率25%,其屮水泥为峨眉牌普通硅 酸盐水52.5r,天然细砂,骨料粒径为2.75-31.5 mm。实测28天时混凝土的强度为5

9、4.5 mpa。波纹钢腹板为秦皇岛首钢板材有限公司牛产 q345qc,其基本力学性能如表1所示，其中瓦为钢 材弹性模量，不为屈服强度，/为极限抗拉强度，p 为泊松比。表1波纹钢腹板基本力学性能tab.l mechanical properties of corrugated steel webes (gpa)fy (mpa)/(mpa)2014205700.31.2试件设计项目尺寸项目尺寸梁长1600净跨1400梁高355腹板高度213钢翼缘宽42钢翼缘板m2顶板宽度520顶板厚度45底板宽度330底板厚度60波形板宽22波形板高度11波形板厚2斜直边夹角30.7剪力连接件孔径6剪力连接件孔距

10、26.5顶部连接件高16底部连接件高度13表2试验箱梁主要尺寸单位：mmtab.2 main size(mm)木试验是以深圳南山人桥为原型，按1:20进行 缩比，制作了长1600 mm,高355 mm,顶板宽520 mm,底板宽330 mm。波纹钢腹板梁的具体尺寸如 表2所示，其中顶板及底板均匀布置6 mm直径的构 造钢筋hpb235。试验用波纹钢腹板梁的尺寸、截而 形式和腹板设计如图1所示。(a)波纹钢腹板梁示意图seir2q：晋180酬13301|p p!loql 525350 丄 52501600(b)横截面尺寸,22 j 19 j 22 j 19 才(c)波纹钢腹板尺寸图1波纹钢腹板梁

11、及部件尺寸示意图fig.l the main size of corrugated steel web tested1.3测点布置和加载方案试件加载前，首先在顶板和底板跨中处各粘贴 3个应变片，同时在腹板上布置应变花测其在加载过 程中的应变变化情况，具体测点布置如图la所示。 加载时在梁底放賈3个位移计测其加载点和跨中处 的位移。卸栽().2 kn/niinofig.2 scheme of test set up试验梁通过分配梁采用四点加载方式进行循 环加载，其中弯段保持为350 mm,力谶示意图和具 体的加载步骤如图2所示,其中p汕为30kn, pmax 为120 kn。每级加载5 kn,持

12、载3 min,待仪器数值 稳定后记录每级荷载下的位移和应变，加载速度为2试验现象2.1裂缝宽度分析试验加载前期，首先在加载点下的箱梁底板上 出现裂缝，裂缝扩展后在腹板与底板的连接处也出 现均匀分布的裂缝。随着加载的进行，裂缝条数逐 渐增加，至100 kn时箱梁底板共出现5条裂缝，其中 四条集中于两个加载点之间。当荷载加至120 kn时, 裂缝条数发展到19条，裂缝发展后最终与支座处的 斜裂缝交汇至破坏，加载过程中裂缝宽度川裂缝观 测仪实时记录如图3所示。(a)初始宽度(b)最终宽度图3加载前后裂缝宽度观测fig.3 cracks development in the test2.2裂缝长度分析

13、试验加载过程中，实时记录各裂缝的发展情 况，最初裂缝长度均小于20 mm,随着加载的进行, 跨中处裂缝发展迅速，至破坏时贯穿整个底板，如 图4a所示。同时发现在加载过程中，支座处裂缝斜 向缓慢发展至加载点，并与跨中处裂缝贯通导致试 验梁破坏，如图4b所示。(a)跨中处裂缝(b)支座处裂缝图4箱梁裂缝发展fig.4 development of crack3试验结果及分析3.1荷载挠度曲线图及分析由箱梁跨屮及加载点布置的位移计采集的位 移数据绘制荷载-位移曲线图。跨中位置的荷载-位 移曲线如图5所示。在加载的初期波纹钢腹板组合 梁荷载-挠度滞回曲线可简化为三折线模型，当荷载 达到80-90rn时

14、，箱梁刚度有轻微退化，但仍呈基 本保持直线发展，卸载段与加载段基本保持平行，100kn滞回曲线与120kn滞回曲线的位移值发牛较 人变动，这可能是由于底板混凝土裂缝的发展以及 腹板与底板连接处的pbl剪力连接件发牛了滑移 导致箱梁整体发牛了较大的不可恢复的塑性变形。0.30 0.45 0.60 0.75 0.90 1.05 1.20 1.35 1.50 1.65 1.80跨中挠度mm图5跨中荷载挽度曲线fig5 the loaddeflection curve of midspan加载处的荷载位移曲线，如图6所示，对比跨 中与加载点荷载-挠度曲线可知跨中荷载-挠度曲线 的包制而积更小，这与跨中

15、裂缝发展更快的试验现 彖相吻合。图6加载点处荷载挽度曲线fig.6 the load-deflection curve of load point3.2荷载-应变曲线及分析由前述试验现象及荷载挠度曲线，波纹钢腹板 组合箱梁在四点弯曲试验吋，纯弯段最先出现裂缝 口箱梁挠度发展瑕快，因此选用箱梁混凝土顶板及 底板跨中粘贴的应变片采集应变，绘制荷载应变曲 线。在弹性阶段范围内，箱梁顶板的荷载应变曲线 基本呈直线发展，如图7所示，其中t表示箱梁顶 板应变，b表示箱梁底板应变，50 kn与60 kn时 的曲线亜合，即在循坏受力过程中混凝土顶板的应 变并没有显著地改变，山混凝土底板的荷载挠度曲 线可见仍某

16、本呈宜线发展。而在50 kn循环完成后, 混凝土底板虽未开裂，但己经存在部分残余应变。 加载至60 kn循环曲线向地标轴右侧移动，即弹性 阶段混凝土受拉破坏已经开始萌生发展。应变(x 10«)图7开裂前荷载应变曲线fig.7 load-strain curve before cracking当加载至100kn与120kn时,混凝土顶板荷载 应变曲线仍基本重合，如图8所示，斯 t表示箱 梁顶板应变，b表示箱梁底板应变。箱梁混凝土顶 板虽出现细微裂缝但混凝土顶板塑性发展并不明 显，且曲线斜率也与弹性阶段曲线斜率相当。100kn 及120kn底板荷载应变曲线平直，但是由于底板 混凝土逐步退

17、出工作，底板拉力逐渐由钢筋承受， 箱梁仍基本处在弹性阶段。fig.8 load-strain curve after cracking3.3拟平截面假定普通钢混凝土梁采用“平截而假定”來计算弯 曲应力应变，但在波纹钢腹板组合箱梁中，腹板纵 向弹性模量较小，导致抗弯受力主要由混凝土顶底 板来承扌i!,这导致了“平截面假定”并不适用于波纹 钢腹板组合箱梁卩叫由波纹钢腹板跨中应变数据可知,混凝土开裂 后腹板应变基本相等，采用荷载等级为120rn时的应变数据绘制箱梁高度应变曲线图，如图9所示， 可以看到在波纹钢腹板组介箱梁皋本吻合“拟平截 血假定”，即波纹钢腹板几乎不承受弯矩，因此在 工程计算中采用忽

18、略波纹钢腹板仅考虑的混凝土顶 板及底板对波纹钢腹板组合箱梁的抗弯性能影响的 拟平截而假定是可行的，同吋由文献14的推导过 程可知，对波纹钢腹板纽合箱梁采用拟平截血假定 述行分析其精度也符合工程要求。应变（x 10）图9跨中截面纵向应变沿高度分布图fig.9 the longitudinal strain distribution over section depth in mid-span4结论木文结合实际工程背景，对缩比后的波纹钢腹 板组合箱梁进行了抗弯承载力试验研究，丄要分析 了波纹钢腹板组合箱梁在四点弯111j加载情况下受力 特点，结杲表明：1）波纹钢腹板组合箱梁在承受弯曲荷载的情 况下

19、顶底板混凝土基本符合“拟平截血假定”。2）波纹钢腹板组合箱梁在受弯时，弯矩基本 山混凝十一顶底板承担，剪力基本山腹板承担。3）波纹钢腹板组合箱梁在静载作用下故先破 坏位置主要集中在混凝十底板边缘以及顶板与腹板 交界处，因此采用预应力钢筋及加强混凝土底板与 波纹钢腹板的连接是十分必要的。参考文献：1 yang ming, sun yun, zhang shu-ren, huang qiao. development and prospect of externally prestressed box beams with cormgated steel webs j. journal of hi

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