改善型波形钢腹板PC组合梁抗弯强度试验研究

逯彦秋，安关锋，程进

（1.广州市市政集团有限公司广东广州510060；2.同济大学土木工程学院，上海200092）

改善型波形钢腹板PC组合梁抗弯强度试验研究

逯彦秋1，2，安关锋1，程进2

（1.广州市市政集团有限公司广东广州510060；2.同济大学土木工程学院，上海200092）

传统的波形钢腹板PC组合梁，在荷载长期作用下，易产生挠度过大的问题，从而影响桥梁安全。为了改善这一情况，提出了一种新型的波形钢腹板PC组合梁——改善型波形钢腹板PC组合梁，并依据传统力学理论，采用实验结合有限元方法，对改善型波形钢腹板PC组合梁的抗弯性能进行研究。研究结果表明：改善型波形钢腹板PC组合梁较传统波形钢腹板PC组合梁具有更大的抗弯极限承载力、更大的抗弯刚度、更好的抗裂性等等，并且能较大程度地改善传统波形钢腹板PC组合梁挠度过大问题。

组合结构；波形钢腹板；剪力连接件；PBL；改善型波形钢腹板组合梁；力学性能

波形钢腹板PC组合箱梁是20世纪80年代发展起来的一种新型的组合结构［1-3］，其优点［4-6］是：减轻了自重，降低了造价；提高了预应力的导入效率；提高了桥梁的抗震性能等。但是该结构的最大缺陷［7-9］是：1）施工工艺复杂，施工困难；2）在荷载长期作用下，梁整体刚度减小，梁挠度过大。

针对上述问题，文中对原有波形钢腹板PC组合梁进行了改进，将组合梁的波形钢板腹向下延伸至箱梁混凝土底板处，并焊上水平底板钢板，将混凝土底板全部包裹在波形钢腹板及钢底板之内。这样既方便了施工（在浇筑混凝土底板时，波形钢板与底板钢板起到模板作用）；同时又提高了梁的刚度，改善了梁挠度过大问题。

1 实验研究

1.1 实验梁尺寸

在实验室内制做一片改善型波形钢腹板PC组合实验梁，编号为SYL-A。梁截面形式见图1；梁长816 cm，高60 cm，顶板宽100 cm、厚15 cm；底板宽为70 cm、板厚均为15 cm；箱梁沿纵向设置2道中横隔板，横隔板厚16 cm；混凝土采用C40；钢筋骨架由Φ8、Φ10、Φ14、Φ16及预应力钢筋组成；试验梁采用的波形钢腹板厚2.5 mm，弯折角度36°，波长54.2 cm，波高8.8 cm，钢材采用优质Q235。

图1 改善型波形钢腹板组合梁梁截面形式Fig.1 Sectional drawing of prestressed concrete composite box girder with corrugated steel webs

1.2 加载方案

采用跨中两点对称单调加载方式进行加载。加载工况共分2种，第1种为弹性工况，第2种为弹塑性工况。其中，弹性工况的最大荷载约为极限荷载的30%，通过弹性工况的加载及卸载可以检查支座、位移计、应变测量系统等有无异常状况。试验装置见图2。

图2 实验梁安置Fig.2 Planting test specimen

1.3 实验过程

在整个加载过程中，可清楚听见梁发出的清脆响声。当加载到约400 kN时，梁进入屈服阶段。随着荷载的逐渐增加，梁的挠度逐渐增大，当荷载达到约516 kN时，随着“砰”的一声巨响，梁瞬间破坏。组合梁混凝土顶板被压溃，混凝土剥落后，内部钢筋受压屈曲，梁纯弯段处，混凝土顶板表层受局部挤压崩开，钢筋有鼓出现象。在整个加载过程中，波形钢腹板没有出现屈曲，波形钢腹板与混凝土翼缘板之间没有出现滑移现象。

1.4 实验结果

1.4.1 荷载情况

实验主要结果见表1。表中Pcr、Py及Pu分别为开裂荷载、屈服荷载及极限荷载；My、Mu分别为屈服荷载作用下的弯矩及极限荷载作用下的弯矩；δy为屈服荷载作用下所产生的跨中挠度，δu为极限荷载作用下所产生的跨中挠度，δu／δy称为延性系数。

表1 实验主要结果Table 1 Main experiment results

1.4.2 梁截面纵向应变沿梁高的分布

图3为试验梁跨中截面的纵向应变沿截面高度的分布情况。

图3 梁截面应变沿截面高度的分布图Fig.3 Strain distribution on beam section along beam section height

从图3中可以看出，钢腹板纵向应变沿梁截面高度分布较为均匀，且值较小，几乎为0；包裹在箱梁底板处钢板纵向应变也几乎为0。这说明底板处混凝土对波形钢板约束作用很小，混凝土底板对钢板的约束作用可以不计，在设计计算中底板处波形钢腹板可以按照传统波形钢腹板组合梁理论进行计算，而不必考虑混凝土底板对其约束影响；文献［10］对此进行了研究，也得出相同结论。另外还可以看出，在弹性状态下，混凝土顶板沿截面高度应变分布均近似符合平截面假定。

1.4.3 钢腹板与混凝土顶底板间相对滑移

图4为试验梁SYL-A的波形钢腹板与混凝土顶底板界面间相对滑移曲线。图中数字3-1、3-3、3-5、3-8、3-9、及3-10为试验梁安装的导杆引伸仪编号。从图中可以看出，混凝土顶底板与钢翼缘板之间的滑移值很小，当外荷载达到极限荷载时，位于梁端顶板处的滑移达到最大值，但是也未超过0.8 mm，并且在整个实验过程中未发生连接破坏。

图4 波形钢腹板与混凝土顶底板界面间滑移曲线Fig.4 Cures of faulted bedding plane between the corrugated steel web and the concrete upper／lower slab

1.4.4 剪力滞效应分析

图5为跨中截面梁顶板的纵向应变沿梁宽分布情况，其中横坐标0为截面中心线位置，正、负坐标分别代表中心线两侧。

图5 梁跨中截面混凝土顶板应变分布图Fig.5 Strain distribution on mid-span section along beam section width

从图5中可以看出，当荷载较小时，混凝土顶横向应变分布较均匀。当是荷载较大时，顶底板不同位置处应变差别较大，剪力滞效应较明显。因此，在设计计算较宽箱梁时，剪力滞效应该引起足够重视。

2 有限元研究

本文采用大型通用有限元分析软件Marc进行计算分析。几何模型按照构件的实际尺寸建立，考虑到结构的对称性，为了简化计算，在所有对称面上施加了对称约束条件，建立了实际结构的一半模型。为避免局部应力集中导致计算不收敛，在梁端及加载点建立了弹性垫块。

2.1 单元选择

实验梁的混凝土顶底板采用分层壳单元，普通钢筋和预应力钢筋均在分层壳中设置为钢筋层。波形钢腹板采用壳单元，横隔板采用实体单元。由于按照完全剪力连接设计，故忽略连接界面的滑移，采用共用节点的方式模拟波形钢腹板单元与混凝土单元的连接。

2.2 本构关系

有限元分析中材料取值，由实验测得。材料强度的实测值见表2。

混凝土的等效受压应力－应变关系曲线采用Hongnestad公式，受拉采用线性软化模型。钢材本构关系采用二折线形式的弹性－强化模型，强化模量Es＇＝0.01Es，Es为钢材初始弹性模量。

表2 材性试验结果Table 2 Results of material performance test MPa

2.3 有限元分析结果

有限元计算时加载方式采用力加载，曲线终点为计算终止点。计算后得到的位移云图见图6。有限元计算与实验所得荷载－跨中位移曲线如图7所示。

从图7可以看出，在整个加载过程中，实验梁明显分为两个受力阶段，即弹性阶段和塑性阶段。其中，在弹性阶段中，有限元计算值与实验值完全符合，计算曲线与实验曲线几乎完全重合；在塑性阶段，实验值偏大，有限元计算值偏小，但偏差值在计算误差范围之内。因此，在整个实验梁受力过程中，可以认为有限元计算结果相与实验所得结果，在承载力，位移等方面吻合较好，有限元计算较为精确。

图6 实验梁位移云图Fig.6 Displacement drawing of test beam

图7 有限元计算值与实验值Fig.7 Finite element result and test result

3 改善型波形钢腹板PC组合梁力学特性

为了对比研究改善型波形钢腹板PC组合梁力学性能。在实验室中制作另两片波形钢腹板PC组合实验梁，编号分别为SYL-B、SYL-C。该两片梁为传统型波形钢腹板组合梁，连接形式分别采用栓钉和PBL。两片梁的几何尺寸、配筋、混凝土强度等均与改善型波形钢腹板PC组合梁SYL-A完全相同；实验时，两片梁的加载方式及实验条件也与梁SYLA完全相同。

3.1 极限承载力分析

根据实验测得三片梁的极限承载力，见表3。从表3可以看出，改善型波形钢腹板组合梁较栓钉连接形式的传统型波形钢腹板组合梁极限承载力提高了18.34%，较PBL连接形式的传统型波形钢腹板组合梁极限承载力提高了11.21%。因此，从实验结果可以看出改善型波形钢腹板PC组合梁可以较大程度提高梁的极限承载力。

表3 极限荷载Table 3 Ultimate load

3.2 刚度、挠度及延性分析

处于弹性阶段时，梁SYL-A、SYL-B及SYL-C的刚度基本相同。但当混凝土开裂后三片梁的刚度有所不同，其中梁SYL-A最大，梁SYL-B最小，梁SYLC次之。

表4 实验结果Table 4 Test results

从表4可以看出（表4中符号同表1），外荷载达到屈服荷载时，梁SYL-A、SYL-B及SYL-C挠度值分别为40.97、53.54、54.49 mm；外荷载达到极限荷载时，梁SYL-A跨中最大挠度为282.3 mm，梁SYL-B跨中最大挠度为467.09 mm，梁SYL-C跨中最大挠度为479.78 mm。这表明采用PBL连接形式、栓钉连接形式的传统梁的挠度较大；而改善型波形钢腹板PC组合梁的挠度值确很小。从表4中还可以看出，传统的两片波形钢腹板PC组合梁（梁SYL-B、SYL-C）的延性系数均较改善型波形钢腹板PC组合梁（梁SYL-A）大，这些也说明改善型波形钢腹板PC组合梁刚度较传统型大。综上以上研究可知，改善型波形钢腹板PC组合梁确实改善了传统波形钢腹板PC组合梁挠度过大问题。

3.3 抗裂性分析

由于混凝土抗拉强度小，箱梁混凝土底板易开裂，钢筋易受到自然环境的腐蚀，从而影响梁的耐久性。提高混凝土结构的抗裂性，延迟混凝土开裂一直是桥梁界最为重视的内容之一。为了研究改善型波形钢腹板PC组合梁的抗裂性能。将三片梁的开裂荷载实验值列于表5。

从表5可以看出，试验梁SYL-B的开裂荷载最小，约为120 kN，试验梁SYL-A的开裂荷载最大，约为210 kN。试验梁SYL-A较SYL-B的开裂荷载提高近66%，较梁SYL-C的开裂荷载提高近51%，这说明改善型波形钢腹板PC组合梁的抗裂性最好，PBL连接形式的抗裂性稍差些，栓钉连接形式的抗裂性最差。造成此种结果的原因是改善型连接形式混凝土底板钢板对混凝土起了约束作用，延迟了混凝土开裂。由此可见，改善型波形钢腹板PC组合梁具有较传统波形钢腹板PC组合梁更好的抗裂性。

表5 开裂荷载Table 5 Crack load

3.4 预应力导入效率分析

由于波形钢腹板及钢翼缘板存在纵向刚度。因此，对波形钢腹板PC组合梁施加预应力时，混凝土底板、波形钢腹板及钢翼缘板等均承受预应力作用，所施加的预应力并未完全被混凝土底板承担，其中一部分预应力被钢翼缘板及波形钢腹板吸收［11-12］。较高的预应力导入效率是波形钢腹板PC组合梁优于混凝土箱梁的最为重要的优点之一［13-14］。因此，有必要研究改善型波形钢腹板的预应力导入效率。预应力导入效率是指：混凝土底板所受的有效预应力与施加于梁上的总预应力比值。不同类型的波形钢腹板PC组合梁预应力效率值，见表6。

从表6可以看出，栓钉连接形式梁预应力导入效率最高，其次是PBL连接形式的梁，但栓钉连接形式与PBL连接形式的梁预应力效率相差不大。预应力效率最低的是改善型连接形式梁。其原因是，混凝土底板钢板截面面积较大，其纵向刚度较大，其所承担的预应力也较大，因此，会较大程度的分担施加于混凝土底板上的预应力。造成PBL连接形式预应力效率低的原因是，钢翼缘板及翼缘板上焊接的肋板加大了梁的纵向刚度，使其分担了施加于梁上的预应力。因此改善型波形钢腹板PC组合梁的预应力导入效率较传统波形钢腹板PC组合梁差。

表6 预应力效率Table 6 Prestressing force efficiency

4 结论

通过以上研究表明，改善型波形钢腹板PC组合梁较传统波形钢腹板PC组合梁具有更优越的力学性能。表现为：

1）改善型波形钢腹板PC组合梁提高了梁的极限抗弯荷载，较传统波形钢腹板PC组合梁具有更高的承载能力。

2）改善型波形钢腹板PC组合梁提高了梁的刚度，改善了传统波形钢腹板PC组合梁在长期荷载作用下挠度过大问题；

3）改善型波形钢腹板PC组合梁较传统波形钢腹板PC组合梁具有更好的抗裂性好，延迟了裂缝开裂时间，从而减少了外界环境对梁钢筋腐蚀，提高了梁的耐久性，延长了梁的使用寿命。

4）在试验梁的制作过程中发现，改善型波形钢腹板PC组合梁，因为波形钢腹板及底板钢板所起到的模板作用，使得该类梁施工更为方便。

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Experimental research on flexural strength of prestressed concrete composite box girder with corrugated steel webs

LU Yanqiu1，2，AN Guanfeng1，CHEN Jin2
（1.Guangzhou Municipal Group Co.，Ltd.，Guangzhou 510060，China；2.College of Civil Engineering，Tonggi University，Shanghai 200092，China）

Large deflection may occur in the traditional prestressed concrete（PC）composite box girder with corrugated steel webs if it is under the loading action for a long time，which endangers the bridge.In order to overcome this shortcoming，a new type of PC composite box girder，is presented as an alternative solution，i.e.，the improved composite box girder with corrugated steel webs.On the basis of traditional theory of mechanics，by combining the finite element method and test method，the flexural strength of the improved composite box girder is studied.The conclusion is drawn that the improved composite box girder showed better ultimate capabilities，flexural rigidity，and the anticrack than the common composite box girder with corrugated steel webs.Therefore，this solution can overcome the shortcoming of large deflection in the traditional composite box girder with corrugated steel webs to a large extent.

composite structure；corrugated steel web；shear connector；perofbond leiste（PBL）；improved box girder bridge with corrugated steel webs；mechanical performance

10.3969／j.issn.1006-7043.201306019

http：／／www.cnki.net／kcms／doi／10.3969／j.issn.1006-7043.201306019.html

U443.3

A

1006-7043（2014）11-1345-06

2013-06-04.网络出版时间：2014-10-14.

博士后科学基金资助项目（2013M542160）.

逯彦秋（1975-），男，高级工程师，博士.

逯彦秋，E-mail：luyanqiu2008＠126.com.