正負彎矩荷載作用下的鋼-混凝土組合梁靜力性能分析*

馬觀領 倪永軍 羅鑫源

(北京交通大學土木建筑工程學院 北京 10089)

鋼-混凝土組合梁是由鋼梁和混凝土板通過剪力連接件組成的構件，這種結構充分利用了混凝土材料的受壓性能和鋼梁的受拉性能，有效地避免了混凝土受拉情況的出現，具有自重小，剛度大，承載能力高等優勢，已經被廣泛應用于工程實際當中[1]。鋼-混凝土組合連續梁橋主要有2種受力狀態：跨中承受正彎矩荷載和支點處承受負彎矩荷載。前者為最有利受力狀態，由鋼梁承受拉力、混凝土承受壓力，因此混凝土一般不會產生開裂問題；而后者則為不利受力狀態，混凝土在該受力狀態下會承受拉力，導致混凝土板發生開裂，使板內鋼筋與大氣接觸，影響結構的耐久性[2]。

目前，國內外對組合梁承受正彎矩荷載的受彎性能研究較多，而對組合梁負彎矩荷載作用下的研究相對較少，尤其是關于界面滑移規律的研究較少。承受負彎矩荷載的組合梁由于早期混凝土的開裂及后期混凝土退出工作狀態，都會影響到截面的剛度和界面滑移的分布。即使在低應力水平下，這些梁的力學行為也表現出很強的非線性[3]。聶建國等[4]對組合梁負彎矩區的工作性能進行了研究，得出配筋率、力比，以及栓釘連接件間距是影響負彎矩區混凝土板裂縫寬度主要因素的結論。同時，即便按照完全剪力連接設計的組合梁，滑移效應仍在一定程度上產生了附加曲率，從而使得截面剛度有一定程度的降低。劉勁等[5]對鋼-混凝土組合梁在負彎矩作用下的抗彎剛度進行了模擬研究，研究表明剪力連接度對剛度影響最大，縱筋率的影響其次，其余參數影響不大。

本文通過試驗，對比分析正負彎矩2種荷載模式下組合梁的破壞模式和受力性能，研究組合梁在負彎矩作用下的滑移沿跨長范圍內的分布及混凝土板開裂對組合梁滑移的影響。

1 試驗設計

試驗設計了2片鋼-混凝土組合簡支梁試件，編號為SCB1和SCB2，2個試件的參數均相同，詳細尺寸與配筋圖見圖1。

圖1 試件梁基本尺寸與配筋(單位：mm)

試件計算跨徑為3 400 mm，混凝土板采用C50強度等級的混凝土，工字型鋼梁采用Q345E鋼板，栓釘直徑×長度為10 mm×60 mm，混凝土板內縱筋等級為HRB400。將鋼梁和鋼筋籠在鋼梁廠分別焊接完成后，運送至施工現場進行現場澆筑，鋼梁和栓釘的焊接均滿足相應的規范要求，待混凝土澆筑養護28 d之后將成品試件運至試驗室，澆筑后的成品梁見圖2。根據材料性能試驗，混凝土軸心抗壓強度實測值為52.34 MPa，鋼筋的屈服強度實測值為448 MPa，鋼板和栓釘的主要成分和力學參數見表1。

圖2 試件梁澆筑完成

表1 鋼板和栓釘的化學成分及力學參數

2 加載方案

2片試件梁的加載均在中國鐵道科學研究院的軌道實驗室進行，加載儀器采用四通道電液伺服加載試驗系統，最大加載能力為1 000 kN，加載方式為跨中豎向集中加載，SCB1為正彎矩加載，SCB2為負彎矩加載。

正彎矩加載程序分為預載、正式加載2個階段，負彎矩加載考慮到混凝土板易開裂故而只有正式加載。正彎矩荷載作用下預載過程按照每級10 kN加至40 kN后卸載至0 kN，以消除非彈性應變的影響。正式加載為分級加載，經初步計算和數值模擬分析，組合梁承受正彎矩(負彎矩)的極限承載力為343.25 kN(279.6 kN)，施加荷載分級按極限承載力的1/20～1/10(15 kN)進行加載，每級荷載施加之后持荷2 min，采集位移、應變等各項數據。試驗過程中及時記錄裂縫的發展，尤其是負彎矩作用下應觀察首條裂縫的出現從而確定開裂荷載值。正式加載過程中不卸載。

3 量測內容

鋼筋和栓釘的應力由預埋在混凝土內部的應變片測得，應變片布置見圖3，另在跨中和1/4跨處鋼梁和混凝土板上布置應變片量測截面應力，在梁端、1/8跨、1/4跨、3/8跨及跨中位置的組合梁交界面處布置位移計量測界面滑移，在1/4跨、跨中及3/4跨處布置位移計以量測撓度，具體布置見圖4。

圖3 鋼筋和栓釘應變片布置圖(單位：mm)

圖4 應變片和位移計整體布置圖(單位：mm)

4 彎矩加載過程與結果分析

4.1 加載過程

試件梁在正彎矩加載時的破壞形態為鋼梁下翼緣發生屈服之后混凝土被壓潰，試件梁在達到破壞時跨中撓度已超過跨徑的1/50，為安全起見，停止加載，得到最終極限承載力Pu=426 kN。

加載初期，試件梁基本處于彈性工作狀態，跨中撓度隨荷載的增大呈線性增加；當荷載達到85 kN(0.2Pu)時，試件梁內部發生輕微的響聲，觀察組合梁界面處并未發現分離情況，由此推斷是混凝土板內部鋼筋與混凝土之間發生相互作用的結果。繼續加載，當荷載達到320 kN(0.75Pu)時，試件梁進入塑性階段，鋼梁底部下翼緣板發生屈服，試件梁撓度呈非線性變化；當荷載達到340 kN(0.8Pu)時，跨中混凝土板底部出現第一條裂縫。繼續加載，裂縫逐漸擴展并增多至數條，緊接著混凝土板頂部出現混凝土剝離，當接近極限荷載時，混凝土板發生大面積剝落，鋼梁產生了較大的變形，試件梁梁端界面也出現了分離的情況，最終加載破壞形態見圖5。

圖5 正彎矩加載破壞形態

4.2 結果分析

1) 荷載撓度曲線。試件梁的1/4跨、跨中和3/4跨的撓度隨荷載變化曲線見圖6。

圖6 正彎矩加載下荷載-撓度曲線

由圖6可知，鋼-混凝土組合梁在正彎矩加載情況下與普通混凝土梁的撓度變化大致相同，呈現明顯的3個階段：彈性工作階段、彈塑性工作階段和破壞階段。在彈性工作階段，結合面處無分離產生，組合梁中鋼梁與混凝土板共同受力，撓度與荷載呈線性增加。當鋼梁下翼緣發生屈服以后，組合梁開始進入彈塑性工作階段，此時荷載-撓度曲線的斜率逐漸減小，表明在同樣的荷載等級之下，產生的撓度逐漸增大，由于鋼梁發生屈服，此時卸載后試件梁將存在殘余撓度。繼續加載，當跨中混凝土表面的壓應變達到極限壓應變時，混凝土板開始出現壓潰現象，此時荷載不再增加，而撓度則大幅增加，組合梁已宣告破壞。

2) 截面應變曲線?？缰泻?/4跨的截面應變隨截面高度分布見圖7。

圖7 跨中和1/4跨位置截面應變分布

由圖7可知，無論是跨中位置還是1/4跨位置，在加載初期均滿足平截面假定，應變與截面高度呈線性分布。隨著加載的進行，截面的中性軸也在時刻發生變化，在加載初期，組合梁處于彈性工作階段，混凝土板與鋼梁協同工作，中性軸基本位于結合面處；繼續加載，鋼梁下翼緣發生屈服，組合梁處于彈塑性工作階段，此時中性軸微微上移；隨著界面滑移的增大，當鋼-混凝土結合面發生分離的時候，鋼梁與混凝土板獨立工作，在各自的截面內均存在中性軸。

3) 界面滑移曲線。不同荷載大小下，半跨范圍內沿梁長方向的相對滑移分布(以混凝土板相對鋼梁向左滑移為正)見圖8。由圖8可知，不同位置處相對滑移均隨著荷載的增大而增大，且由于結構的對稱性，跨中處基本無相對滑移產生，只在組合梁發生破壞時產生些許的滑移量。且最大滑移量發生在1/8跨處，最大滑移值為1.25 mm，最大滑移量并未發生在理論研究中的梁端處，這一現象已被多數研究所證實，文獻[6]將這一現象歸結為栓釘布置與外荷載彎矩不協調的原因。

圖8 不同荷載情況下相對滑移隨梁長的分布

5 負彎矩加載過程與結果分析

5.1 加載過程

與正彎矩加載相比，承受負彎矩的組合梁更易開裂和破壞，實際工程中，混凝土板一旦開裂將會導致板內鋼筋和栓釘的銹蝕，從而降低組合梁的承載能力。

試驗中，初始加載時，結構基本上處于彈性工作階段，混凝土板表面基本無裂縫產生。加載至80 kN(0.26Pu)的時候混凝土底部出現第一條肉眼可見裂縫，用裂縫觀測儀測得裂縫寬度為0.1 mm，見圖9a)。繼續加載至105 kN(0.34Pu)的時候試件產生清脆響聲，混凝土板底部共計產生4條裂縫，且裂縫不斷開展并向上延伸，裂縫在混凝土板底部和上部的寬度分別為0.12 mm和0.07 mm。繼續加載，裂縫不斷增加，但主要集中在1/4跨至3/4跨之間，裂縫數量增加到一定程度后不再增加，而裂縫寬度持續開展，且跨中的裂縫寬度增加地最快。當加載到225 kN(0.72Pu)時，跨中混凝土板上部裂縫寬度達到0.5 mm，并延伸至與鋼梁交界處，見圖9b)。荷載增加到270 kN(0.87Pu)時，跨中裂縫寬度達到1 mm，混凝土板跨中寬度最大的裂縫已經基本橫向貫通，縱向跨中下撓明顯。加載至292 kN(0.94Pu)時，跨中裂縫寬度快速開展至2 mm，此時結構已經接近破壞，記錄的極限荷載Pu為311.6 kN。最終加載破壞形態見圖10，從圖10b)可見，鋼梁存在橫向位移，可知鋼梁腹板存在面外失穩現象。

圖9 跨中混凝土板裂縫

圖10 負彎矩加載破壞形態

5.2 結果分析

1) 荷載撓度曲線。試件梁1/4跨、跨中和3/4跨處的最終荷載-撓度曲線見圖11。對比圖6和圖11不難發現，負彎矩加載情況下試件梁的撓度隨荷載變化與正彎矩加載情況下的變化基本一致，均呈3個階段變化。

圖11 負彎矩加載下荷載-撓度曲線

從開始加載至板內縱筋屈服之前，組合梁基本處于彈性工作階段，此時撓度隨荷載呈線性增加；當板內鋼筋屈服之后，撓度開始快速增加，荷載-撓度曲線漸趨平緩；繼續加載，此時鋼梁為主要受力部件，混凝土板抗力基本為0，加載至鋼梁下翼緣屈服之后，組合梁的撓度急劇增加，同時混凝土板裂縫擴展迅速，至此已不適合加載，試件宣告破壞。

2) 截面應變曲線?？缰泻?/4跨位置處截面應力分布見圖12。由圖12a)可知，跨中位置截面，初始加載時混凝土板全部處于受拉狀態，結合面處的鋼梁翼緣也處于受拉狀態，且在鋼梁部分內存在一條明顯的中性軸，鋼梁的變形符合平截面假定，而組合截面不滿足平截面假定。結合面處的混凝土應變始終約為0，這種結合面處2種材料變形的不協調性，易將引起界面滑移的產生。由圖12b)可知，加載初期1/4跨截面的變形基本滿足平截面假定，由于所測混凝土和鋼梁應變值并非完全位于結合面處，因此,2種材料的應變值產生了1處“平臺”，且這個“平臺”隨著荷載的增大而不斷增大。

圖12 跨中和1/4跨位置截面應變分布

3) 界面滑移曲線。不同荷載大小下，半跨范圍內沿梁長方向的相對滑移分布(以混凝土板相對鋼梁向左滑移為正)見圖13。由圖13可知，不同位置處相對滑移均隨著荷載的增大而增大，且在跨中處有最大滑移量，最大值為5.25 mm。由跨中截面應變分布可知，結合面處2種材料的應變的不協調性是跨中產生最大滑移的關鍵所在。該試驗結果與文獻[7]中所測得的最大滑移位置不一致，文獻[7]中所得最大滑移位置位于支座附近。

圖13 不同荷載情況下相對滑移隨梁長的分布

4) 鋼筋應變?？缰泻?/4跨的縱筋應變隨荷載的分布見圖14，由圖14可知，鋼筋荷載-應變關系存在彈性、屈服和強化3個階段，且在相同荷載下跨中縱筋的應變大于1/4跨的縱筋應變。由于加載過程中混凝土開裂及應力重分布的原因，1/4跨鋼筋在100 kN荷載處短暫出現應變減小的情況，但總的來看應變仍逐漸增大。

圖14 鋼筋應變隨荷載變化曲線

6 結論

1) 試驗完成了2片鋼-混凝土組合梁靜載試驗，其中一片組合梁施加正彎矩荷載，另一片組合梁施加負彎矩荷載，對2種試驗情況進行了分析和對比。在正彎矩荷載作用下，加載過程表現為典型的彎壓破壞模式，且組合梁的受力經歷了3個階段：彈性工作階段、彈塑性工作階段和破壞階段。隨著荷載的增大，鋼梁下翼緣首先發生屈服，待跨中混凝土上表面壓潰時，組合梁達到破壞。在負彎矩荷載作用下組合梁也經歷了類似的3個階段，但破壞更具突然性，極限承載能力也遠低于正彎矩荷載作用之下的極限承載力。

2) 試驗對2種荷載作用下的裂縫發展模式進行了對比。正彎矩荷載作用下，只在加載后期臨近破壞時，跨中混凝土表面才有裂縫出現；而負彎矩作用下，加載初期即有裂縫出現，且裂縫擴展較為迅速。實際工程中一旦出現混凝土板開裂的情況，將極易引起鋼筋和栓釘的銹蝕，因此應加大檢測和養護力度，對已出現的裂縫，應及時采取灌漿進行修補。

3) 2種荷載模式下，結合界面處的滑移分布不一致，正彎矩荷載作用下，相對滑移最大值出現在靠近梁端處，而非梁端處，本次試驗結果與前人試驗結果一致。負彎矩荷載作用下，由于跨中結合面處混凝土和鋼梁翼緣2種材料變形的不協調性，以及混凝土板在跨中最先發生開裂，導致了滑移最大值出現在跨中處。