钢-UHPC组合梁与钢-普通混凝土组合梁抗弯性能对比试验研究

刘君平1,徐 帅2,陈宝春1

(1.福州大学土木工程学院,福建,福州 350116;2.湖州市交通规划设计院,浙江,湖州 313000)

摘 要:采用超高性能混凝土(UHPC)板与钢梁结合的钢-UHPC组合梁,具有自重轻、抗裂性和耐久性好的优点,对于钢-混凝土组合梁的发展具有重要意义。为了解钢-UHPC组合梁与钢-普通混凝土组合梁抗弯性能的差别,本文以某钢-普通混凝土简支组合梁桥为工程背景,进行了钢-UHPC组合梁桥的试设计,在此基础上,制作钢-UHPC组合梁和钢-普通混凝土组合梁模型进行抗弯性能的对比试验研究。结果表明,两种组合梁的受力特点类似,破坏模式均表现为钢梁底板先屈服,然后桥面板顶部混凝土被压碎。在极限抗弯承载力相等的情况下,钢-UHPC组合梁的桥面板厚度可以减小28%,且延性更好。钢-UHPC组合梁桥面板的剪力滞效应、钢梁与桥面板间的水平相对滑移均小于钢-普通混凝土组合梁。此外,钢-UHPC组合梁弹性阶段抗弯刚度与钢-普通混凝土组合梁相差不大,但由于组合梁总高度减小,后期刚度小于钢-普通混凝土组合梁刚度。研究结果可为钢-UHPC组合梁的进一步研究与工程应用提供参考。

关键词:钢-混凝土组合梁;超高性能混凝土(UHPC);桥面板;受弯性能;试验研究

钢-混凝土组合梁是通过抗剪连接件将钢梁和混凝土翼缘板组合而成,利用了混凝土抗压强度高和钢材抗拉性能好的优点,具有结构受力合理且经济效益较好的特点,在桥梁工程中得到了广泛应用[1―2]。但同时也存在普通混凝土桥面板较厚、自重较大、负弯矩区域混凝土易开裂等缺陷,影响了结构的经济性和耐久性[3―4]。特别是当钢-普通混凝土组合梁用作大跨度桥梁的主梁结构时,以上问题更为突出,成为制约组合梁桥面进一步发展的主要技术瓶颈。

究其原因,在于传统的钢-混凝土组合梁采用普通混凝土作为桥面板。普通混凝土是由水泥石、细骨料和粗骨料组成的非均质材料,在承受荷载以前就已含有微裂纹,而且存在宏观的缺陷,如夹渣、气泡、孔穴等,从而造成其强度低、韧性差、孔隙率高,在荷载和环境作用下容易出现损坏。另外,在不良环境及交通磨耗下极易损伤劣化,耐久性能差,导致强度与结构安全度降低。

为改变上述钢-普通混凝土组合梁的不足,一种比较有效的办法就是采用超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)替代普通混凝土,形成钢-UHPC组合梁。超高性能混凝土是一种高强度、高耐久性、高韧性、高密实度的混凝土材料[5-11],最常用的如活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete,RPC)。与普通混凝土相比,UHPC以细砂为骨料,掺入大量硅灰等矿物掺合料、高效减水剂和微细钢纤维形成,其抗压强度可达到200 MPa,抗弯拉强度可达到20 MPa。

由于UHPC优良的材料性能,其非常适合应用于桥梁工程中,目前全世界已建成的UHPC桥梁有100多座,以梁桥为主[12―19],但 UHPC应用于钢-混凝土组合梁桥的报道还很少见到。对于钢-UHPC组合梁的理论研究,国内已经开展一些,文献[20―21]进行了钢-RPC简支组合梁受力性能的数值分析,认为钢-RPC组合梁的极限承载力明显高于钢-普通混凝土组合梁,正弯矩作用下的钢-RPC组合梁抗弯极限承载力可根据简单塑性理论进行分析,RPC翼缘板比普通混凝土翼缘板可减薄15%以上,并能进一步增大组合梁的跨度。文献[22]进行了栓钉在RPC中的推出试验研究,认为栓钉直径是抗剪承载力的决定因素,RPC基本不会发生破坏。文献[23]对负弯矩作用下的钢-RPC组合梁极限承载力进行了数值分析,认为在负弯矩区采用RPC可明显提高开裂荷载。

上述研究表明,采用 UHPC板替代传统钢-混凝土组合梁中的普通混凝土桥面板,形成钢-UHPC组合梁,在桥梁工程中具有良好的应用前景。而且,UHPC非常适合预制构件,从快速施工角度来说,钢-UHPC组合梁也具有重要的工程意义。为了解钢-UHPC组合梁与钢-普通混凝土组合梁受弯性能的差别,本文进行两种组合梁受弯性能的对比试验,相关结果可为钢-UHPC组合梁的应用提供参考。

1 试验方法

1.1 试件的设计与制作

某钢-普通混凝土组合梁桥单跨跨径12.04 m,主梁高950 mm,其中,钢梁采用Q235型钢,规格为 HN700×300×13×24,桥面板为 C40混凝土整体现浇,板厚 250 mm。本文以此简支梁桥为工程背景,进行了钢-UHPC组合梁桥的试设计,保持原桥的钢梁不变,只桥面板采用UHPC材料替代原普通混凝土,桥面板厚度根据与原组合梁桥抗弯承载力相等原则确定,同时参考《钢-混凝土组合桥梁设计规范》(GB 50917―2013)[24]有关桥面板厚度的规定。计算结果表明,由于 UHPC材料抗压强度很高,UHPC桥面板厚度由规范规定的最小值确定,即180 mm。试设计的钢-UHPC组合梁横截面如图 1所示,试设计过程中仅考虑了UHPC材料的强度区别,不考虑其他性能,经过结构计算,试设计钢-UHPC组合梁桥满足相关规范要求。

图1 钢-UHPC组合梁桥试设计横截面
Fig.1 Trial design on cross section of steel-UHPC composite girder bridge

以应力等效原则对两种组合梁的梁长和截面尺寸进行缩尺,纵向缩尺比例均为1∶2.4,横截面缩尺比例均为 1∶2.0,缩尺后两种组合梁跨度为5200 mm,净跨为5000 mm。为只考虑桥面板厚度的影响,试件的钢梁高度保持不变,所以两种组合梁的总高度分别为475 mm和440 mm,桥面板宽度均为600 mm,钢梁采用Q235型钢,规格为HN350×175×7×11;钢-普通混凝土组合梁桥面板采用 C40混凝土整体现浇,钢-UHPC组合梁桥面板采用6块90 mm厚UHPC预制板,再现浇UHPC湿接缝,预制板外露预留钢筋长度按普通混凝土结构考虑;两种组合梁桥面板的纵向和横向配筋率相同,纵向配筋率为0.93%,横向配筋率为1.01%;栓钉布置两排,直径为φ16,间距为 110 mm。具体构造尺寸分别如图2和图3所示。

图2 组合梁立面图
Fig.2 Elevation of composite girders

图3 组合梁横截面尺寸
Fig.3 Cross section details of composite girders

实测钢材fy=253 MPa、fu=369 MPa;普通混凝土立方体抗压强度fcu为60.5 MPa,弹性模量为36.05 GPa;UHPC立方体抗压强度为 133.3 MPa,抗折强度为17.4 MPa,弹性模量为38.81 GPa。

1.2 试件的加载与测试

试验梁两端分别置于混凝土台架的钢圆棒上,一端自由滑动,一端焊接铁条限制其横向移动,以模拟试验梁的固定铰支座和活动铰支座。试验装置如图4所示,加载设备为一台1000 kN油压千斤顶,千斤顶置于试验梁的中点正上方,通过分配梁对组合梁混凝土翼缘板进行跨中两点对称加载。试验加载前进行试件的几何对中,然后预加载进行物理对中,卸去预加荷载,仪表清零后单调分级加载。试验加载制度为:弹性阶段内每级加载为1/10计算极限荷载,进入非线性阶段后,每级加1/20计算极限荷载,每级加载持续2 min。

图4 试验加载装置
Fig.4 Test set-up

试验梁的应变和位移测点如图5所示,在组合梁纯弯段跨中a-a截面和邻近加载处b-b截面各布置一圈应变片,用以测试加载过程中钢梁与混凝土翼缘板的应力分布情况;同时,在弯剪段c-c截面布置应变片测试翼缘板的剪力滞效应。在组合梁跨中下端及两端上部布置位移测点,测试组合梁的下挠变形及钢与混凝土之间的滑移;同时,在组合梁的两端支点部位布置倾角仪,用以测试组合梁两端转角随荷载变化情况。

图5 试验梁的测点布置
Fig.5 Measuring points placement of test girders

2 试验结果与分析

2.1 破坏过程和破坏模式

钢-普通混凝土组合梁在加载初期,钢梁和混凝土翼板呈现出良好的组合作用,当荷载达到250 kN时,试验梁发出响声,表明钢梁和混凝土之间的自然粘结开始局部发生破坏。荷载加至 270 kN时,钢梁下缘受拉屈服,至 420 kN时,混凝土翼板第一批可见横向裂缝出现在加载点附近底面,至460 kN时,加载板附近混凝土鼓起并局部被压碎,同时,跨中挠度急剧增大,荷载迅速下降,试验梁破坏。试验结束后,钢梁与混凝土翼缘板交界面无明显相对掀起和错动,板顶没有出现纵向裂缝和劈裂现象。

对于钢-UHPC组合梁,其在试验加载初期,钢梁和UHPC板同样呈现出良好的组合作用。由于钢梁与UHPC的接触面要小,荷载加至210 kN时,两者之间的自然粘结开始局部发生破坏,且钢梁下翼缘受拉屈服。荷载加至400 kN时,UHPC板第一批横向裂缝出现在加载点附近底面。加至 440 kN时,纯弯段中部板边缘UHPC开始被压碎。荷载加到 457 kN时,纯弯区域中部发展出一条横向压碎带,挠度迅速增大,荷载快速下降,试验梁破坏。试验结束后,钢梁与UHPC板界面未出现明显相对滑动和掀起。试验全过程中,湿接缝处的UHPC工作良好,没有产生纵向开裂现象。

图6为两种组合梁的破坏模式,都是以跨中纯弯段翼缘板顶部混凝土的压碎作为组合梁的破坏状态。对比两种组合梁的破坏形态,可以发现,钢-普通混凝土组合梁是加载点处的混凝土呈片状压碎状态,压碎范围较大,而钢-UHPC组合梁是在纯弯段中部出现压碎,破坏程度要小很多,而且压碎范围较小,呈带状并贯通顶面,破坏时的脆性现象得到明显改善。

图6 两种组合梁的破坏模式
Fig.6 Failure mode of two kinds of composite girders

图7为两种组合梁混凝土桥面板裂缝的具体分布情况,UHPC翼缘板的裂缝数量更多,且裂缝宽度更小,表明UHPC中钢纤维对于混凝土翼缘板的裂缝控制具有重要意义。其中,钢-UHPC组合梁和钢-普通混凝土组合梁出现第一批可见裂缝时的荷载分别为400 kN和420 kN,对应的UHPC和混凝土的压应变分别为3380 με和2194 με。由于UHPC板厚比混凝土板厚减小了35 mm,使得钢-UHPC组合梁的总高度比钢-普通混凝土组合梁低了35 mm,从而导致前者出现第一批裂缝的荷载小于后者。

图7 两种组合梁的裂缝发展及分布
Fig.7 Concrete cracks growth and distribution of two composite girders

2.2 荷载-挠度曲线

图8为两种组合梁的实测荷载-跨中挠度曲线,图中,Py为钢梁屈服时的荷载,Pu为组合梁破坏时的极限荷载。从图可以看出,两者的荷载-挠度曲线变化趋势基本一致,大致可分为三个阶段:弹性阶段-从开始受力到试验梁钢梁屈服、弹塑性阶段-从试验梁钢梁屈服到桥面板开裂、破坏阶段-从桥面板开裂到破坏。

在弹性阶段,组合梁刚度主要由钢梁提供,混凝土翼缘板厚度的影响不大,故两者曲线基本吻合,钢-普通混凝土组合梁的屈服荷载为 264.55 kN(0.56Pu),钢-UHPC组合梁的屈服荷载为231.60 kN(0.49Pu)。在弹塑性阶段,钢梁屈服导致组合梁刚度逐渐降低,呈现出非线性关系,由于钢-UHPC组合梁总高较小,且UHPC弹性模量只是普通混凝土的1.08倍,整体刚度较小,故钢-UHPC组合梁挠度发展速度明显大于钢-普通混凝土组合梁。在破坏阶段,桥面板出现明显的裂缝,钢梁大部分截面受拉屈服,截面内力发生重分布,组合梁挠度增加很快,钢-普通混凝土组合梁的极限承载力为474.55 kN,钢-UHPC组合梁的极限承载力为468.60 kN,后者比前者仅降低1.25%,由挠度比值δu/δy可知,后者延性要优于前者。

图8 跨中荷载-挠度曲线
Fig.8 Load-deflection of mid-span curves

2.3 荷载-应变曲线

图9(a)、图9(b)分别为跨中截面钢梁下翼缘和混凝土翼缘板顶部的荷载-应变曲线,从图中可以看出,在弹性阶段,两种组合梁应变的变化规律基本相同。在弹塑性阶段,钢-UHPC组合梁钢梁下翼缘应变发展速度明显快于钢-普通混凝土组合梁。对于混凝土桥面板来说,由于UHPC板薄,在相同的荷载作用下,其应变要大于普通混凝土板。在破坏阶段,两种组合梁的钢梁下翼缘进入强化阶段,拉应变均超过了10000 με,塑性发展很充分;钢-普通混凝土组合梁翼缘板压碎时应变达到 3595 με,钢-UHPC组合梁翼缘板压碎时应变达到4692 με,塑性发展也都很充分。

总体来讲,荷载-应变关系曲线的斜率与试验梁的刚度有关,刚度越大,斜率越大。对比钢-UHPC组合梁的钢梁和 UHPC桥面板的应变发展可以发现,钢梁下翼缘以近似直线的形式增长应变,而UHPC桥面板以曲线形式增长,呈现出“钢梁弱,UHPC板强”的现象,一定程度上也表明UHPC桥面板不宜过厚。

图9 跨中荷载-应变曲线
Fig.9 Load-strain of mid-span curves

为探讨钢梁与混凝土桥面板共同工作情况,对两种组合梁跨中截面高度方向的纵向应变分布进行了测量,如图 10所示,可以看出,应变沿截面高度近似呈线性分布,基本符合平截面假定。同时,两种组合梁的滑移应变均不明显,钢梁与混凝土板保持着近似相同的曲率。

图10 跨中截面沿高度方向应变分布
Fig.10 Mid-span strain distributions in vertical direction

2.4 极限承载力对比

表1为两种试验梁的承载力对比情况,其中Pcr为对应于桥面板开始出现横向弯曲裂缝时的开裂荷载实测值,Py为对应于钢梁下翼缘达到屈服时所对应的荷载实测值,Pu为极限荷载实测值,δyδu分别为对应于PyPu的实测跨中挠度值。

表1 极限承载力对比
Table 1 Comparison of ultimate flexural capacity

注:表中的荷载为千斤顶所施加的荷载、试验梁自重及加载设备自重产生的总荷载。

从表1可以看出,在钢-UHPC组合梁桥面板比钢-普通混凝土组合梁桥面板厚度减小 28%的情况下,前者的屈服荷载Py、开裂荷载Pcr和极限荷载Pu实测值分别比后者减小12.46%、5.28%和1.25%,但是前者的变形能力更强。

2.5 桥面板剪力滞效应对比

为对比两种组合梁的剪力滞效应,实测了弯剪段 c-c截面桥面板顶面沿宽度方向的纵向应变分布,如图 11所示,可以看出,在加载初期,两种组合梁翼缘板顶面宽度方向的应变分布都比较均匀,剪力滞效应均不明显。随着荷载的增大,从板中心到板边缘,钢-普通混凝土组合梁的横向应变逐渐变小,出现较明显的剪力滞效应,而钢-UHPC组合梁横向应变分布略有变化,但剪力滞效应不明显。相比较而言,钢-UHPC组合梁的剪力滞效应要弱于钢-普通混凝土组合梁。

图11 沿板宽方向纵向应变分布对比
Fig.11 Comparison of longitudinal strain distribution in lateral direction of slab

2.6 钢梁与混凝土桥面板界面滑移对比

在试验过程中,两种组合梁均有响声发出,说明钢梁与混凝土翼缘板的交界面粘结发生破坏,有纵向滑移产生,但达到极限状态时,两种梁的自然粘结面并未全部发生破坏。为分析对比钢与混凝土翼缘板之间的滑移情况,实测了两种组合梁的梁端荷载-滑移曲线,如图12所示。从图可以看出,两种组合梁的实测滑移量都很小,钢-普通混凝土组合梁的最大滑移量为0.43 mm,而钢-UHPC组合梁为0.32 mm,这主要是由于UHPC与钢梁的自然粘结力大于普通混凝土,而且UHPC的弹性模量也略高于普通混凝土。

图12 钢与混凝土翼缘板的荷载-滑移曲线
Fig.12 Load-slip of interface between steel and concrete curves

3 结论

(1)钢-UHPC组合梁的受力特点与钢-普通混凝土组合梁类似,破坏模式表现为钢梁先屈服,然后桥面板混凝土压碎,由于钢纤维的拉结作用,混凝土破坏脆性特点得到明显改善。由于UHPC材料强度很高,组合梁呈现出“钢梁弱,UHPC板强”的现象,设计中应考虑UHPC板不宜过厚。

(2)在抗弯极限承载力相等的情况下,相比钢-普通混凝土组合梁,钢-UHPC组合梁桥面板厚度可以减薄28%,且弹性阶段抗弯刚度相差不大。

(3)钢-UHPC组合梁桥面板的剪力滞效应、钢梁与桥面板间的水平相对滑移均小于钢-普通混凝土组合梁。

(4)由于本文试验的钢-UHPC组合梁总高比钢-普混凝土组合梁小35 mm,导致其第一批裂缝更早出现,且弹塑性阶段抗弯刚度有所减小。为更好对比两者性能,下一步应在组合梁总高相同情况下,只减小UHPC板厚开展研究,同时给出相关的设计建议。

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EXPERIMENTAL STUDY ON FLEXURAL BEHAVIORS OF STEEL-UHPC COMPOSITE GIRDER AND STEEL-CONVENTIONAL CONCRETE COMPOSITE GIRDER

LIU Jun-ping1,XU Shuai2,CHEN Bao-chun1
(1.College of Civil Engineering,Fuzhou University,Fuzhou,Fujian 350116,China;2.Huzhou Traffic & Plan Design Institute,Huzhou,Zhejiang 313000,China)

Abstract:The steel-ultra-high performance concrete(UHPC)composite girder,which is composed of UHPC slab and steel girder,has the advantages of light self-weight,high cracking resistance and durability,and it is of great significance for the development of steel-concrete composite girders.To investigate the difference of mechanical performance of a steel-UHPC composite girder and steel-conventional concrete under bending,in this paper,a trial-design of steel-UHPC composite girder bridge was carried out based on the prototype structure of a practical steel-concrete simply supported composite girder bridge,according to the trial-design results,the experimental study on flexural behaviors of steel-UHPC composite girder and steel-conventional concrete composite girder were carried out.Test results show that flexural behaviors of two kinds of composite girder were similar.Both of their failure modes were that the bottom flange of steel girder was yielded first,and then the upper concrete of slab was crushed.Compared with a steel-conventional concrete composite girder,under the condition of equal ultimate flexural capacity,the slab thickness of steel-UHPC composite girder can be reduced by 28%,and the ductility is better.The shear lag effect and the relative slip between steel girder and concrete slab of steel-UHPC composite girder are much smaller than those of a steel-conventional concrete composite girder.Moreover,the flexural stiffness of the two kinds of composite girder are close in an elastic range.However,due to the decrease of total depth of a steel-UHPC composite girder,its flexural stiffness is some smaller in an elastic-plastic range.The research findings of this paper can provide a reference for further study and engineering practice.

Key words:steel-concrete composite girder; ultra-high performance concrete(UHPC); bridge deck slab;flexural behaviors; experimental study

陈宝春(1958―),男,福建人,教授,博士,博导,主要从事钢-混凝土组合结构研究(E-mail: baochunchen@fzu.edu.cn).

徐 帅(1990―),男,山西人,助理工程师,硕士,主要从事钢-混凝土组合结构研究(E-mail: 1078272956@qq.com);

作者简介:

通讯作者:刘君平(1977―),男,江西人,副研究员,博士,主要从事钢-混凝土组合结构研究(E-mail: ljp0486@163.com).

基金项目:国家自然科学基金(重点)资助项目(U1305245)

收稿日期:2017-06-11;修改日期:2017-12-11

文章编号:1000-4750(2018)11-0092-07

doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2017.06.0454

文献标志码:A

中图分类号:U443.35