新型钢混组合梁桥结构分析与研究*

新型钢混 组合梁桥结构分析与 研究 *

孙武云 1， 李港 2， 蒋鹤 3

1 云南武倘寻高速公路有限责任公司 云南 昆明 651500 ；

2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司 湖北 武汉 430056；

3.云南交投集团公路建设有限公司 云南 昆明 651500

摘 要：为研究云南武倘寻高速公路某桥采用内衬混凝土的组合梁桥负弯矩区的力学性能，设计两根简支试验梁，第一根为无内衬混凝土的组合箱梁试件（NRS）；第二根为有内衬混凝土的组合箱梁试件（NRC），分别开展负弯矩静力加载试验，同时基于有限元（FEM）模拟分析，对二者的抗弯和抗剪性能进行对比研究。结果表明：设置波形钢-混凝土组合腹板后，试件的刚度和承载力都得到显著提升，腹板与上翼缘板、下翼缘板之间的连接也得到了明显加强且抗剪承载力显著提升。设置内衬混凝土后，1/2跨的弯曲裂缝居多，且分布均匀，通过调整预应力筋的用量可有效控制裂缝，但内衬混凝土会吸收一小部分预应力，降低顶板和底板的预应力导入度，应在设计中加以注意。

关键词：新型组合梁桥；内衬混凝土；负弯矩静力加载试验；抗弯刚度；抗剪承载力

1 概述

作为一种新型的桥梁结构形式，利用厚度只有混凝土腹板1/40~1/30的波形钢腹板代替混凝土腹板的连接作用，这是波形钢腹板组合梁最大的特色^[1]-[3]。其传统优势主要体现在：相比传统混凝土箱梁刚构桥，其梁体整体重量较轻、柔度较大，地震的激励效应可得到有效降低；波形钢腹板纵向刚度几乎为零，对施加于翼缘混凝土板中的预应力以及混凝土顶底板的收缩、徐变效应不产生约束作用，可大幅度增加预应力施加效率，降低材料成本并提高桥梁整体的耐久性。

但值得注意的是，在常规设计中，大跨径波形钢腹板组合梁桥在负弯矩墩梁固结区的受力情况极为复杂，钢腹板同时受到混凝土顶、底板及横隔板的约束，容易在波形钢腹板与顶、底板混凝土的连接处产生滑移破坏^[4]-[6]。本文中设计采用波形钢腹板里衬混凝土的新截面形式，有效解决了大跨径波形钢腹板组合梁桥负弯矩区钢混连接破坏的问题，优化了结构设计，改善了墩梁固结区的受力性能。

为研究云南武倘寻高速公路某新型组合梁桥墩梁固结腹板处设置内衬混凝土后的力学性能，开展新型组合梁桥结构负弯矩区试验研究。针对无内衬混凝土传统组合箱梁（NRS）和有内衬混凝土传统组合箱梁（NRC）两个缩尺试件，进行对比分析。同时基于有限元（FEM）模拟分析，对二者的抗弯性能、抗剪性能等进行对比研究。

2 负弯矩模型试验

2.1试件设计

原型结构为大跨连续刚构桥，由于缩尺后模型宽度较小，如果仍采用单箱双室截面形式，存在钢筋布置复杂、绑扎困难等问题；若采用单箱单室截面则加工更为方便，且在保证腹板总厚度相同的情况下对构件纵向抗弯性能几乎没有影响。综合考虑实验室加工技术、试验目的及工程实际后，确定将试验构件简化为单箱单室截面，仍能较好模拟原型结构的受力性能。

选取墩梁固结处梁段作为局部模型研究，缩尺比例为1:12.5。试件长2.944m，宽1.6m，高0.52m，波形钢腹板材料选用Q345B；顶、底板混凝土选用C50，混凝土顶板和底板内受力钢筋和构造钢筋均选用8mmHRB335钢筋；波形钢板与混凝土顶、底板之间均采用PBL键穿筋的方式连接；梁跨中混凝土核心部分由原结构简化而来。两个试件（NRC和NRS）的具体尺寸及节段模型局部构造如下图所示。

（a）NRC试件（单位：mm）

（b）NRS试件（单位：mm）

图1 节段模型整体尺寸

（a）试件预应力筋分布图（单位：mm） （b）波形钢板构造

图2 节段模型局部构造

2.2 试验过程及结果

（1）NRS试件：仅节点锚固区域设置内衬混凝土，于正式加载前预先张拉顶板预应力筋，单根预拉力1.20✕10³N，上翼缘混凝土预压应力为1.73✕10⁷Pa左右。

各级递增荷载为5✕10⁴N，当增至4✕10⁵N时，跨中应变归零，随后保持稳定，直至荷载增至1.3✕10⁶N时，节点区南侧开裂，缝宽0.02mm。荷载增至1.6✕10⁶N时，节点区域北侧发出连续小脆响，试件刚度显著减小，多条均匀平行斜裂缝在下翼缘板侧向从下至上、从两边至中心逐渐延伸。荷载增至2.2✕10⁶N时不再增加，转为位移控制连续加载，由于斜裂缝的出现，北侧下翼缘板混凝土逐渐脱落，下翼缘板内钢筋及连接件被暴露于外界，波纹钢腹板的变形加大，变形后的栓钉刚好能够穿过斜裂缝。在距离节点区域北侧30cm左右位置出现塑性铰。加载点处反力达到2.4✕10⁶N后发生卸荷现象，钢混连接部位失效而导致试件损毁，试验终止。试验过程中采集到的混凝土顶板钢筋应变最大接近1800 ，即顶板钢筋未完全屈服。

（2）NRC试件：腹板全长设置内衬混凝土，于正式加载前预先张拉顶板预应力筋，单根预拉力1.20✕10³N，上翼缘混凝土预压应力为1.73✕10⁷Pa左右。

各级递增荷载为5✕10

⁴N，加载初期无明显现象，当加载至1.4✕10⁶N时，北侧发出脆响，增至1.5✕10⁶N时，跨中出现首条裂缝，缝宽0.02mm并继续延伸。荷载增至2✕10⁶N时，最大缝宽约0.2mm，荷载继续增至2.2✕10⁶N时，中性轴不断抬高，有裂纹出现在下翼缘板上。2.4✕10⁶N后进行连续加载，加载2.5✕10⁶N和2.9✕10⁶N时，北侧PBL键钢筋出现巨大响声，加载3.5✕10⁶N时，响声位于南侧。加载3.6✕10⁶N时，北侧出现5~6次栓钉断裂声，此时试件外表面仅出现弯曲裂缝和挠度变形。荷载接近4✕10⁶N时，混凝土逐渐剥离节点区，继而南侧施荷区被压溃，试件承载力降低直至破坏，试验结束。本试件破坏形态为弯曲破坏见图4。

表1 主要试验结果

3 有限元计算

建立试验简支梁负弯矩节段试验模型的仿真模型见图3，并开展参数分析^[7][8]。用shell单元模拟波纹钢腹板、混凝土顶板；用solid单元模拟混凝土端板、横隔板、内衬。FEM计算表明，NRS失效模式为底板与钢腹板连接处混凝土被破坏；NRC的失效模式为底板加载点位置混凝土被压溃；有腹板内衬混凝土的NRC相比NRS试件抗弯承载力显著提升，这说明确保构造措施充分的条件下，内衬混凝土在和腹板协同工作的同时，还能加强腹板同混凝土顶底板间的连接，因此，内衬混凝土情况，结构抗弯承载力由连接件控制，有腹板内衬时，转为由截面抗弯控制，这与试验结论是相吻合的，有限元和试验对比结果如图4。

图3 有限元模型示意图

（a）NRS （b）NRC

图4 负弯矩节段模型荷载－跨中位移对比

4 试验结果分析

4.1跨中荷载-挠度曲线

对比两个试件的荷载-挠度曲线见图5所示，NRC在初始刚度、开裂后刚度、极限承载力、变形能力等方面均优于NRS，二者的开裂荷载比较接近。再结合其破坏模式：前者表现为典型的弯曲破坏，后者为连接滑移破坏。可以看出：腹板内衬混凝土在提升PC组合梁抗剪承载力的同时，还显著增强了截面整体性，加强了混凝土顶、底板与腹板之间的连接。

图5 荷载-挠度曲线

4.2截面应变分布

不同荷载水平作用下两试件1/2跨位置应变沿竖向的分布规律存在差异，在图6中，纵轴“高度”通过实际加载时试件各部分的位置确定，即0点代表混凝土顶板顶面、高度520点处则为混凝土底板底面。腹板无内衬混凝土试件，截面应变分布满足“拟平截面假定”条件，其分布规律同传统截面波形钢腹板组合梁接近。腹板内衬混凝土试件腹板与混凝土上翼缘板间发生相对位移，但可近似认为符合“平截面”假定条件，其应变分布规律同普通钢-混凝土组合梁接近。

1. 
   

2. NRS试件 （b）NRC试件

图6 中断面的应变竖向分布图

4.3滑移分布

图7为两个试件腹板与顶板相对滑移沿梁长的分布，曲线横坐标“到支座距离”的原点位置为北侧支座处。可以看出，内衬混凝土增强了腹板的轴向刚度，使得NRC的滑移分布更接近于普通的钢-混凝土组合梁：支座附近最大，跨中接近于0。而NRS腹板无内衬混凝土，仅于两端分别锚固在混凝土节点区与梁端混凝土隔板中，这两处连接明显强于其他部分，因此1/2跨、支座附近滑移较小，1/4跨处滑移较大。

总体上看，NRC试件的承载力虽然远远高于NRS试件，但极限状态下其滑移量却远远小于NRS试件，这也证实了腹板内衬混凝土对于界面抗剪连接的补强作用。

（a）NRC试件 （b）NRS

图7 试件滑移分布

5 结论

通过试验对比了两种不同构造形式的预应力组合梁在负弯矩和剪力共同作用下的受力性能，可得结论如下：

1. 设置内衬混凝土后，试件的初始刚度、开裂后刚度、极限承载力都有明显提升，钢腹板和顶、底板之间的连接也得到了显著加强。

2. 设置内衬混凝土后，1/2跨的弯曲裂缝居多，且分布均匀，通过调整预应力筋的用量可有效控制裂缝，但内衬混凝土会吸收一小部分预应力，降低顶板和底板的预应力导入度，应在设计中加以注意。

3. 波形钢腹板设置内衬混凝土后，波形钢腹板预应力组合梁的截面应变分布以及顶板-腹板滑移分布都变得与传统组合梁更接近。

参考文献：

[1]徐君兰,顾安邦.波形钢腹板组合箱梁桥的结构与受力分析[J].重庆交通学院学报,2005(02):1-4+34.

[2]牛黎明. 波形钢腹板PC 组合箱梁桥腹板几何参数研究[D].兰州交通大学,2010.

[3]邓勇.波形钢腹板组合梁应用与研究进展[J].国防交通工程与技术,2009,7(06):1-4.

[4]王达磊,贺君,陈艾荣等.内衬混凝土波折钢腹板梁抗弯性能试验研究[J].同济大学学报(自然科学版),2012,40(9):1312-1317

[5]聂鑫. 钢—混凝土组合刚构桥关键结构受力性能研究[D].清华大学,2013.

[6]雷聪,万水,王毅力.波形钢腹板组合梁与钢桁腹组合梁的安全性能和使用性能研究[J]. 世界桥梁,2015,43(04):30-36.

[7]田飞. 钢—预制混凝土板组合连续梁桥的结构性 能与试验研究[D].东南大学,2016.

[8]郭超然. 大跨波形钢腹板连续组合梁桥优化构造试验研究[D].清华大学，2016.