充填式钢箱-混凝土组合梁抗裂性能研究.pdf

第 卷 第 期 年 月湖南交通科技 ，收稿日期：?基金项目：国家自然科学基金项目（；）作者简介：李胜（）男，工程师，主要从事道路桥梁设计工作。文章编号：?（）?充填式钢箱 混凝土组合梁抗裂性能研究李胜，李建斌，曾妙，莫时旭（益阳市交通规划勘测设计院有限公司，湖南 益阳 ；桃江县交通运输局，湖南 益阳 ；湖南工艺美术职业学院，湖南 益阳 ；桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 ）摘要：为研究充填式钢箱 混凝土组合梁抗裂性能，对 片部分充填混凝土和 片全截面充填混凝土的钢箱组合梁进行静载试验。观察梁的裂缝形成过程，统计裂缝发展数量，得到荷载 裂缝宽度曲线、荷载 挠度曲线等相关试验数据。试验表明：配筋率越高，则其控制裂缝的宽度相对越小，裂缝数量相对越多，裂缝扩展速率越缓慢。部分充填式比全截面充填式钢箱组合梁的变形更小、刚度更大，在实际工程设计中，合理控制混凝土填充高度，有利于发挥材料的受力性能。关键词：充填式钢箱 混凝土；抗裂性能；配筋率；裂缝扩展；组合梁中图分类号：文献标志码：引言组合结构广泛适用于大跨度桥梁、建筑等工程领域，钢箱 混凝土组合梁主要由充填混凝土的钢箱梁、钢筋混凝土板和抗剪连接件构成，被认为是 世纪最具创新空间的结构形式之一。然而，支座负弯矩区混凝土板在各种力的作用下容易开裂，为了将裂缝对组合结构的不利影响降到最低，需要将裂缝宽度控制在一定范围内。通过大量试验，许多研究者提出了有关组合梁裂缝形成及扩展的理论，建立了相关计算公式及数理统计方法 。年，聂建国等 建议将连接件横向钢筋间距、钢筋力比作为影响裂缝宽度的主要参数；年，周安等 推导给出考虑预应力度、混凝土收缩及钢纤维影响的组合梁开裂弯矩计算公式，并进行了相关理论研究；年，樊健生等 提出滑移效应及混凝土开裂引起组合梁负弯矩区截面刚度下降，横向钢筋间距对裂缝有影响。但是，国内外关于充填式钢箱 混凝土组合梁 裂缝扩展规律的研究文献较少，试验数据还很有限。本次试验对片部分充填式和 片全截面充填式钢箱组合梁进行了静力加载试验，重点对充填式钢箱组合梁裂缝扩展规律及受力性能进行研究。试验研究 试件设计本文设计了根部分充填钢箱 混凝土简支梁（、）和 根全截面充填钢箱 混凝土简支梁（）。试件梁全长均为 ，下部均采用 的矩形截面钢梁，上部采用 的混凝土翼板截面，钢梁顶部和混凝土翼板交接处通过栓钉连接，片梁的抗剪连接度均为。、和 具体截面形式见图，试验参数见表 。试验选用的主要材料：混凝土均按 配制，钢箱由 钢板焊接制作，纵筋选用 型钢筋，箍 筋 选 用 型钢筋。试验梁对比参数见表 和表。加载方案试验梁加载系统如图 所示，试件采用油压千斤顶于跨中反向加载，加载点间距 。试验正式加载前按照理论破坏荷载的 进行预压，设备检测正常后再进行正式加载。正式加载每级荷载间隔为 ，每加一级荷载等待 ，待稳定后用裂缝观测仪进行观测，记录裂期李胜，等：充填式钢箱 混凝土组合梁抗裂性能研究（）和 （）图 钢箱组合梁截面（单位：）表 试件设计参数试件编号钢箱顶、底板厚度 中隔板厚度 腹板厚度 钢箱全高 中隔板高度 顶板宽度 抗剪连接度砼翼板配筋率 横向钢筋间距 纵向钢筋 表 混凝土试块的试验数据试件编号混凝土翼板 钢箱内填混凝土 试验时 试验时 表 钢材试验数据试件编号以下钢筋直径对应的强度 以下钢板厚度对应的强度 屈服强度 抗拉强度 缝扩展进程，数据稳定后立刻采集试验数据。待试验梁达到极限荷载后缓慢卸载至 ，在加载至极限荷载时需记录翼板裂缝发展情况和钢梁腹板屈曲情况，在试验过程中连续采集试验数据。为观察混凝图 试验梁加载系统土翼板裂缝的发展过程，在混凝土板上用不同颜色的彩色笔描绘出裂缝的发展方向，同时按裂缝发展的先后顺序对其进行编号，记录裂缝数量，并量测裂缝宽度。本试验需要记录的主要内容包括：挠度值、位移值、典型截面的应变值、裂缝位置及裂缝宽度等。试验中测量的关键截面如图 所示。图 试验中关键测试截面位置（单位：）湖南交通科技 卷 试验结果 钢筋应变个试件跨中截面钢筋的荷载 应变曲线如图所示，个试件在加载初始阶段处于弹性阶段，钢筋应变随荷载呈线性增加。从钢筋的平均应变来看，个试件都有一个较明显的转折点，出现在 荷载左右，和 均出现在 荷载左右，后两者比前者提高了 。在曲线首次转折前，混凝土与钢箱梁协同作用良好。随着荷载继续增加，组合梁进入塑性阶段，混凝土翼板开裂至退出工作，导致跨中截面钢筋的应变发生突变。继续加载，当荷载接近塑性极限时，钢箱梁与混凝土翼板出现脱离现象。最后试件进入破坏阶段，此时中支座处混凝土板出现密集的贯通裂缝。由图 可知，其他条件相同的情况下，适当提高配筋率和增加混凝土充填高度，能提高组合梁的开裂荷载。图 钢筋荷载 应变 跨中荷载 挠度曲线不同配筋率和不同填充混凝土高度的各试件跨中截面荷载 挠度曲线如图 所示，该曲线基本反映了组合梁的承载能力、延性和刚度性能。梁和 梁两者的唯一区别是配筋率，前者配筋率为 ，后者配筋率为 ；由试验结果可知，两者的极限荷载比较接近，但前者相对应的挠度略小于后者。梁和 梁两者的唯一区别在于前者截面的混凝土填充高度是后者的一半；由试验结果可知，后者的极限荷载仅比前者高 ，但相对应的挠度前者只有后者的 ，这表明在其他条件相同的情况下，部分充填混凝土组合梁变形更小、刚度更大。图 试验梁跨中荷载 挠度 裂缝扩展及分布规律个试件的裂缝分布如图 所示，由裂缝发展实测记录和裂缝分布图得出，个试件的初始裂缝对应的荷载为 左右，第 条裂缝出现的位置在负弯矩区附近或跨中部位。随着千斤顶加载，第条裂缝出现在距第条裂缝某侧约 处，、和 第 条裂缝对应的荷载分别为 、。荷载继续增加，个试件在负弯矩区 条贯通裂缝中间开始出现 条新裂缝，新裂缝基本对称布置，且间距仍为 。当荷载接近 时，个试件均不再产生贯通裂缝，只是在原裂缝处逐渐出现斜裂缝，裂缝略成八字形。当荷载接近极限荷载时，新裂缝不再出现。（）（）（）图 个试验梁试件的裂缝分布由图 可知，裂缝分布与 和期李胜，等：充填式钢箱 混凝土组合梁抗裂性能研究 有所不同，因此在其他条件相同的情况下，适当提高配筋率和增加混凝土充填高度，可使斜裂缝和八字形裂缝更多且裂缝间距更小。个试件的主要控制裂缝间距平均宽度在 左右，与试件横向钢筋间距较接近，只是 和 在各控制裂缝之间产生的斜裂缝更多。裂缝数量与裂缝宽度个试件在不同荷载下的裂缝数量和最大裂缝宽度分别如图 、图 所示。由图 和图 可知，随着荷载增加，个试件的裂缝数量和最大裂缝宽度的发展趋势和发展轨迹基本一致，在钢筋还未屈服之时，个试件的裂缝宽度发展均比较缓慢。但不同配筋率和不同填充混凝土高度的组合梁，其裂缝的宽度和裂缝扩展速率也有差别。配筋率高的 ，其控制裂缝的宽度相对最小，裂缝数量最多。配筋率越高，其混凝土翼板的裂缝扩展速率越缓慢。图 试验梁荷载 裂缝数量图 试验梁荷载 最大裂缝宽度 结论）适当提高配筋率和增加混凝土充填高度，能提高组合梁的开裂荷载。试验表明，和 开裂荷载均出现在 荷载左右，比 开裂荷载提高 。）的极限荷载仅比 高 ，但 的挠度只有 的 ，这表明在其他条件相同的情况下，部分充填式比全截面充填式钢箱组合梁的变形更小、刚度更大，在实际工程设计中，合理控制混凝土填充高度，有利于发挥材料的受力性能。）配筋率越高，其控制裂缝的宽度相对越小，裂缝数量相对越多，裂缝扩展速率越缓慢。适当提高配筋率，可以将裂缝宽度有效控制在相对安全的范围内。参考文献：赵国藩，李树瑶，廖婉卿 钢筋混凝土结构的裂缝控制 北京：海洋出版社，江见鲸混凝土结构工程学 北京：中国建筑工业出版社，聂建国，张眉河钢 混凝土组合梁负弯矩区板裂缝的研究 清华大学学报：自然科学版，（）：周安，戴航，刘其伟 钢箱 预应力混凝土组合梁负弯矩区结构性能试验研究 土木工程学报，（）：樊健生，聂建国，张彦玲 钢 混凝土组合梁抗裂性能的试验研究 土木工程学报，（）：莫时旭，郑艳，钟新谷，等 钢箱 混凝土组合梁受力性能有限元分析 广西大学学报（自然科学版），（）：莫时旭，钟新谷，舒小娟，等 钢箱 混凝土组合梁试验研究与承载能力计算 工业建筑，（）：，莫时旭，钟新谷，郑艳，等 钢箱 混凝土组合梁力学性能分析与试验研究 哈尔滨商业大学学报（自然科学版），（）：，：，（）：张彦玲，樊健生，李运生 连续组合梁桥裂缝发展规律分析及裂缝宽度计算 工程力学，（）：苏庆田，杨国涛，吴冲 钢箱组合梁混凝土裂缝特征试验 中国公路学报，（）：李胜，莫时旭，郑艳，等 部分充填式钢箱 混凝土组合梁裂缝特征试验 广西大学学报（自然科学版），（）：莫时旭，林飞扬，胥海宁 充填式钢箱 砼组合梁抗弯性能试验研究 南京工业大学学报（自然科学版），（）：，