UHPC-窄幅钢箱组合梁负弯矩下受力性能研究_黄荆.pdf

第4 8卷 第3期2 0 2 3年6月 广西大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fG u a n g x iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)V o l.4 8N o.3J u n.2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 1-2 9;修订日期:2 0 2 3-0 3-1 8 基金资助:国家自然科学基金项目(5 2 0 6 8 0 1 2);广西自然科学基金项目(2 0 2 1 G X N S F AA 2 2 0 1 0 1)通讯作者:郑艳(1 9 7 3),女,山东临沂人,桂林理工大学教授;E-m a i l:2 0 0 8 0 6 4g l u t.e d u.c n。引文格式:黄荆,莫时旭,郑艳,等.UH P C窄幅钢箱组合梁负弯矩下受力性能研究J.广西大学学报(自然科学版),2 0 2 3,4 8(3):5 0 6-5 1 8.D O I:1 0.1 3 6 2 4/j.c n k i.i s s n.1 0 0 1-7 4 4 5.2 0 2 3.0 5 0 6U H P C窄幅钢箱组合梁负弯矩下受力性能研究黄荆1,莫时旭1,2,郑艳1,2*,刘晓贝1(1.桂林理工大学 土木与建筑工程学院,广西 桂林5 4 1 0 0 4;2.广西建筑新能源与节能重点实验室,广西 桂林5 4 1 0 0 4)摘要:为了研究超高性能混凝土(u l t r a-h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e,UH P C)窄幅钢箱组合梁负弯矩下的受力性能,设计了1根普通混凝土 窄幅钢箱组合梁和4根UH P C窄幅钢箱组合梁试件,并进行了反向加载试验,以分析翼板材料、配筋率、UH P C钢纤维掺量对组合梁受力性能的影响。结果表明:随着钢纤维掺量的增加,试件的裂缝数量不断减少,裂缝呈现短而细的特征,组合梁的抗裂性能得到了不同程度的提高;配筋率显著影响结构的刚度以及极限荷载,随着配筋率从1%增加到2%,试件的刚度增强了4 3.1%,极限荷载提高了1 1.1%;开裂前弹性阶段UH P C水泥基体的刚度大约是普通混凝土的1.5倍。最后,基于UHP C窄幅钢箱组合梁结构形式,提出了UHP C窄幅钢箱组合梁开裂荷载及屈服荷载的计算方法。关键词:组合梁;超高性能混凝土;负弯矩;开裂荷载;承载力中图分类号:TU 3 9 8.9 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 1-7 4 4 5(2 0 2 3)0 3-0 5 0 6-1 3S t u d yo nt h em e c h a n i c a l b e h a v i o ro fU H P C-n a r r o ws t e e lb o xc o m b i n a t i o nb e a mu n d e rn e g a t i v eb e n d i n gm o m e n tHUANGJ i n g1,MOS h i x u1,2,Z HE N GY a n1,2*,L I UX i a o b e i1(1.C o l l e g eo fC i v i l a n dA r c h i t e c t u r eE n g i n e e r i n g,G u i l i nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,G u i l i n5 4 1 0 0 4,C h i n a;2.G u a n g x iK e yL a b o r a t o r yo fN e wE n e r g ya n dB u i l d i n gE n e r g yS a v i n g,G u i l i n5 4 1 0 0 4,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e rt os t u d yt h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro fUH P C-n a r r o ws t e e lb o xc o m p o s i t eb e a mu n d e rn e g a t i v eb e n d i n g m o m e n t,o n en o r m a lc o n c r e t e-n a r r o w s t e e lb o xc o m p o s i t eb e a ma n d f o u rUH P C-n a r r o ws t e e l b o xc o m p o s i t eb e a ms p e c i m e n sw e r ed e s i g n e da n d r e v e r s el o a d i n gt e s t sw e r ec o n d u c t e do nt h et e s tb e a m st oa n a l y z et h ee f f e c t so ff l a n g em a t e r i a l,r e i n f o r c e m e n t r a t e,a n dt h es t e e l f i b e rc o n t e n to fUH P Co nt h em e c h a n i c a lb e h a v i o ro f t h ec o m p o s i t eb e a m.T h e r e s u l t s s h o wt h a tw i t h t h e i n c r e a s e o f s t e e l f i b e r c o n t e n t,t h e n u m b e r o f c r a c k si n t h e s p e c i m e n sk e e p sd e c r e a s i n g,t h ec r a c k ss h o ws h o r ta n df i n ec h a r a c t e r i s t i c s,a n dt h ec r a c kr e s i s t a n c eo f t h e c o m p o s i t eb e a mi s i m p r o v e d t od i f f e r e n t d e g r e e s.T h e r e i n f o r c e m e n t r a t e c a ns i g n i f i c a n t l y a f f e c t t h e s t r u c t u r a l s t i f f n e s s a n d u l t i m a t e l o a d,w i t h t h e i n c r e a s e o fr e i n f o r c e m e n t r a t e f r o m1%t o2%,t h e s t i f f n e s so f t h e s p e c i m e n s i s i n c r e a s e db y4 3.1%a n d第3期黄荆,等:UHP C窄幅钢箱组合梁负弯矩下受力性能研究t h eu l t i m a t e l o a db y1 1.1%.A t t h ee l a s t i cs t a g eb e f o r ec r a c k i n g,t h es t i f f n e s so fUH P Ci sa b o u t1.5t i m e sh i g h e rt h a nn o r m a lc o n c r e t e.F i n a l l y,b a s e do nt h es t r u c t u r a lf o r m o fUH P C-n a r r o ws t e e lb o xc o m b i n a t i o nb e a m,t h ec a l c u l a t i o n m e t h o d so fc r a c k i n gl o a da n dy i e l d l o a do fUH P C-n a r r o ws t e e lb o xc o m b i n a t i o nb e a ma r ep r o p o s e d.K e yw o r d s:c o m p o s i t eb e a m;u l t r a-h i g hp e r f o r m a n c ec o n c r e t e;n e g a t i v eb e n d i n gm o m e n t;c r a c k i n g l o a d;b e a r i n gc a p a c i t y0 引言钢 混凝土组合结构由于自重轻、跨越能力强、抗震性能好等优势,得到了越来越广泛的应用。该种结构充分发挥了钢材以及混凝土材料的优势,在两者的协调下,经济、技术优势显著,但随着钢 混凝土组合结构的推广及应用,其弊端也逐渐显露。在大跨度桥梁中,由于负弯矩区翼板受拉,而混凝土材料抗拉性能较差,导致负弯矩区易开裂,且开裂后,混凝土翼板即退出工作,因此影响了组合梁的整体承载能力。同时,钢梁易局部屈曲失稳,导致组合梁的整体刚度降低,耐久性下降,因此,如何提高负弯矩区开裂性能,优化裂后受力特征,提高钢梁承载能力成为该种桥型研究的关键1-2。为了解决组合梁负弯矩区的开裂问题,国内外学者进行了大量的研究。目前,提高负弯矩区抗裂性能的主要方法有预应力法、优化施工顺序等。周安等3对5根简支组合梁进行了负弯矩作用下的静载试验,试验结果表明体内预应力可有效提高连续组合梁负弯矩区的抗裂性,并得出组合梁预应力混凝土翼板的开裂弯矩计算方法。文献4-7 为研究体外预应力对抗裂性能的影响,完成了3根反向加载的简支组合梁和3根两跨的连续组合梁静力加载试验,试验结果表明,体外预应力可以有效改善组合梁的开裂弯矩、界面滑移等综合受力性能。M a r c e l a等8研究了在预应力作用下钢 混凝土复合梁预应力解析模型,并通过A B AQU S软件建立了预应力梁的数值模型,发现预应力可以有效的延缓组合梁的开裂。邵长宇9建立了考虑施工与运营全过程的大型精细空间数值分析模型,表明优化施工顺序可以在一定程度上避免裂缝的产生。聂建国等1 0提出了抗拔不抗剪连接新技术,模型试验结果表明采用抗拔不抗剪的连接件在几乎不削弱负弯矩区组合梁整体刚度和极限承载能力的同时,可以显著地提高负弯矩区混凝土板的抗裂性能。近年来,随着材料技术的革新,新型材料的出现为组合梁负弯矩区的抗裂问题提供了新的解决方法。超高性能混凝土(UH P C)是一种基于最大密实度堆积理论配置,具有超高强度、高韧性、高耐久性和高冲击性的新型水泥基复合材料1 1。同时,通过在UH P C水泥基体中掺加大量的钢纤维,使得材料的裂后延性、受拉强度得到了很大的提升,在自然养护条件下,UH P C材料的抗拉强度可以达到8 1 5M P a。UH P C材料与钢筋的黏结强度为2 6 8 7M P a1 2,UH P C与普通混凝土(n o r m a l c o n c r e t e,N C)材料之间具有很好的协同效果,自然养护条件下,早期龄期阶段UH P C-N C界面即可达到8 8.5%9 5.0%的抗剪强度,为UH P C材料与N C材料的结合应用创造了条件1 3。目前,国内外学者针对UH P C在结构方面的应用展开了大量的研究。卜一之等1 4基于平截面假定和双折线UH P C拉伸本构模型,提出了计算UH P C结构实际应力分布的截面应力法,以此来计算钢UH P C结构的开裂荷载。刘新华等1 5设计3根不同负弯矩区接口形式的钢UH P C组合梁,采用转角的形式进行全过程静力加载试验,结果表明,钢 混组合梁负弯矩区采用UH P C可以明显地提高负弯矩区的开裂性能。刘君平等1 6制作了钢UH P C组合梁以及钢N C简支梁模型,进行对比试验,发现在极限抗弯承载力相等的情况下,钢UH P C组合梁的桥面板厚度可以减小2 8%,且延性相比于钢N C简支梁具有较大的提高,但两者弹性阶段的抗弯刚度相似。为了解决负弯矩区开裂以及钢箱屈曲等问题,本文提出一种新的组合梁形式,即UH P C窄幅钢箱组合梁,通过在梁翼板采用UH P C部分替代N C材料来改善其开裂性能,在钢箱中填充不掺钢纤维的705广西大学学报(自然科学版)第4 8卷UH P C材料,改善钢箱屈曲的现象。本文以配筋率和钢纤维掺量为变量,研究该种组合梁的受力性能,为该种梁型的应用提供理论基础。1 试验概述1.1 试件设计本文共设计制作了4根试验梁(UH P C层厚度为5 0mm,强度等级为C 4 0混凝土层厚度为5 0mm)和1根钢 混凝土参照梁(C 4 0混凝土层厚度为1 0 0mm),其中,试验梁标号分别为S U C B 1S U C B4,参照梁标号为S N C B,试验梁参数见表1。表1 试验梁参数T a b.1 T e s tb e a mp a r a m e t e r s试验梁编号UH P C翼板钢纤维体积分数/%翼板类型配筋率/%充填混凝土高度与钢箱高度比S N C BN C20.5S U C B 10UHP C+N C20.5S U C B 21UHP C+N C20.5S U C B 32UHP C+N C20.5S U C B 42UHP C+N C10.5 试件的梁长度为30 0 0mm,钢箱的高度为3 0 0mm,钢箱均采用Q 2 3 5级钢板焊接而成,顶板厚度为2 0mm,底板以及腹板厚度为1 0mm,钢箱通过6mm的隔板将其分开,形成单箱双室结构,在隔板下部填充不掺钢纤维的UH P C材料。钢箱与翼板采用栓钉连接,根据极限平衡法,按3%的配筋率进行统一布置。翼板宽度为6 0 0mm,总厚度为1 0 0mm,其中UH P C层和N C层的厚度均为5 0mm。各梁均采用HR B 4 0 0级钢筋以及HR B 3 0 0级箍筋进行配筋,试验梁的设计如图1所示。S N C B为参照梁,S U C B 1S U C B 4在参照梁的基础上,以UH P C层钢纤维掺量以及翼板配筋率为变量进行设计,试验梁翼板如图2所示。本文设计的试件由于利用了UH P C超高的抗拉强度,因此,未在桥面板内设置切缝。(a)立面图(b)截面图图1 试验梁的设计F i g.1 D e s i g no f t e s tb e a m805第3期黄荆,等:UHP C窄幅钢箱组合梁负弯矩下受力性能研究(a)S N C B(b)S U C B 1(c)S U C B 2(d)S U C B 3(e)S U C B 4图2 试验梁翼板F i g.2 T e s tb e a mw i n g1.2 试验材料根据最大密实度堆积理论设计UH P C的配合比,本文所采用的UH P C配合比见表2。采用的钢纤维直径为0.1 80.2 2mm,长度为1 3mm,钢纤维的力学参数见表3。表2 U H P C配合比T a b.2 U H P Cm i xr a t i o水泥粗砂中砂细砂硅灰减水剂水10.20.80.20.30.0 20.2 3表3 钢纤维的力学参数T a b.3 M e c h a n i c a l p a r a m e t e r so f s t e e l f i b e rD/mmL/mmL/DFt/MP aEf/G P a密度/(gc m-3)0.1 80.2 21 35 9.0 97 2.2 228 5 02 1 07.8 0 在每批试件浇筑的同时,制作6个尺寸为1 0 0mm1 0 0 mm1 0 0mm(长度宽度高度)的立方体试件测试材料的抗压强度,制作6个尺寸为1 0 0mm1 0 0mm3 0 0mm(长度宽度高度)的棱柱体试件以测试材料的抗折性能,材料的力学性能见表4。表4 材料的力学性能T a b.4 M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fm a t e r i a l s材料类型钢纤维体积分数/%抗压强度/MP a抗折强度/MP aC 4 0翼板4 1.709 2.11 4.2UH P C翼板11 1 0.01 6.721 1 4.01 9.9充填部分08 4.91.3 加载方案试验加载装置如图3所示,在梁的两端设置2个反力架,同时在梁跨中位置通过千斤顶对梁施加反向的荷载,以此实现组合梁负弯矩区的受力。在试验梁跨中位置放置加载垫块以实现单点加载。905广西大学学报(自然科学版)第4 8卷加载试验开始前进行预加载,以检测试验装置以及测量装置可否正常使用,预加载值不超过试验梁预估承载力的5%,确定设备正常工作后,采用位移控制加载,每级加载位移1mm,当钢筋开始屈服后,每级加载改为2mm,当试件进入塑性阶段后,采用每级5mm进行加载直至梁破坏。在加载过程中,每级持荷时间为1 0 1 5m i n,采用P T S-E 4 0型智能裂缝宽度观测仪量测裂缝宽度,其精度为0.0 1mm。(a)加载示意图(b)实际加载装置图3 加载装置F i g.3 L o a d i n gd e v i c e1.4 测试方案为了测试组合梁在加载过程中的应变情况,在试验梁翼板顶部布置5个应变片,间距为1 0 0mm,翼板两侧各布置4个应变片,同时在翼板两侧底面各布设1个应变片,所有应变片均布置在跨中截面处。钢箱中部前后两侧分别布置7个应变片,同时在钢箱前侧布置3个应变花,以测试其剪切情况,应变片以及应变花的钢箱测点布置如图4所示。图4 钢箱测点布置F i g.4 S t e e l b o xm e a s u r i n gp o i n t a r r a n g e m e n t2 实验现象试验梁负弯矩加载下裂缝分布如图5所示。由图可知,普通混凝土翼板组合梁开裂特点为裂缝一出现即贯通翼板,出现多条竖向贯通裂缝后,裂缝之间开始出现小的分支裂缝,最终使得各竖向裂缝之间由斜向分支裂缝贯通连接,且各分支裂缝关于板的中心线对称分布,各裂缝分布间距几乎相等,原因是由于栓钉的存在,约束了板面的相对运动,使得其产生一定的剪应力,导致了斜向裂缝的出现。UH P C翼板的组合梁裂缝发展较为规律,分支裂缝相对较少,且主裂缝间距较大,原因是UH P C中钢纤维的存在,对裂缝有一定的约束作用,当几条主裂缝出现后,随着荷载的继续增加,裂缝间的钢纤维会释放一定的拉应力,故UH P C组合梁的最终裂缝形态为多条主裂缝。随着钢纤维掺量的增加,裂缝数量有不断减小的趋势,因此,梁的抗裂性能得到了显著的提高。对比S U C B 3、S U C B 4发现,配筋率对于裂缝数量无明显的影响。015第3期黄荆,等:UHP C窄幅钢箱组合梁负弯矩下受力性能研究(a)S N C B(b)S U C B 1(钢纤维掺量0%)(c)S U C B 2(钢纤维掺量1%)(d)S U C B 3(钢纤维掺量2%)(e)S U C B 4(配筋率1%)图5 试验梁负弯矩加载下裂缝分布F i g.5 C r a c kd i s t r i b u t i o nu n d e rn e g a t i v em o m e n t l o a d i n go f t e s tb e a mS U C B 2、S U C B 3、S U C B 4试件的最终破坏形态为翼板上部裂缝宽度急剧增加,并且伴随着钢纤维撕裂拉出的声音,试验梁翼板最终破坏形态如图6所示。在加载后期,钢箱底部加载支座处以及钢箱中部肋条产生屈曲变形,试验梁钢箱屈曲形态如图7所示。图6 试验梁翼板最终破坏形态F i g.6 F i n a l f a i l u r e f o r mo f t h e t e s tb e a mw i n g图7 试验梁钢箱屈曲形态F i g.7B u c k l i n gp a t t e r no f t e s tb e a ms t e e l115广西大学学报(自然科学版)第4 8卷3 试验结果及分析3.1 荷载 挠度曲线不同钢纤维掺量试验梁荷载 挠度曲线如图8所示,其中S N C B为对照组,即钢 混凝土组合梁。由图可知,4根梁的荷载 挠度曲线变化趋势基本一致,大致可以分为3个阶段,即弹性阶段、裂缝发展阶段、屈服阶段。从开始加载到受拉区翼板开裂为第1个阶段,即弹性阶段,荷载位移曲线呈线性分布,UH P C翼板表面未出现裂缝,组合梁的整体工作性能良好。第2个阶段为裂缝发展阶段,随着荷载的增加,翼板中开始出现裂缝,在此阶段,水泥基体退出工作,钢纤维开始发挥桥接作用,由于钢纤维的存在,试件开裂后,其荷载 挠度曲线仍呈线性发展,当裂缝宽度不断增加,UH P C翼板中纤维拉拔现象明显,随着裂缝宽度的增加,组合梁挠度增长迅速,曲线逐渐呈现非线性。第3个阶段为屈服阶段,裂缝宽度进一步增大,钢纤维开始从水泥基体中拔出,荷载保持不变,但组合梁的挠度增加显著,主裂缝宽度增加明显,但裂缝数量基本不变,钢筋屈服,钢箱底板支座处,跨中加劲肋以及跨中腹板开始屈曲。图8 不同钢纤维掺量试验梁荷载 挠度曲线F i g.8 L o a d-d e f l e c t i o nc u r v e so fd i f f e r e n t s t e e l f i b e rc o n t e n t t e s tb e a m s由图8可知,在弹性阶段,UH P C-N C组合梁相比于N C组合梁,刚度具有明显的提升。相比于N C组合梁翼板UH P C层钢纤维掺量为0、1%、2%时的开裂前刚度,分别增加了2 7.6%、3 6.9%、4 5.7%,其裂后刚度分别增加了9.6%、1 7.5%、2 2.9%。相比于普通混凝土梁,采用UH P C材料可以使刚度有较大的提升。UH P C钢纤维掺量对于开裂前的刚度影响显著,相比于普通混凝土板,UH P C翼板组合梁具有较大的提升。开裂后,其裂后弹性阶段的刚度随着钢纤维掺量的增加而增加。在第3个阶段,钢筋屈服,钢纤维不断被拉出,不断出现局部UH P C应力的重分布,相比于S U C B 1,钢纤维掺量分别为1%、2%的,其组合梁的承载力分别提升了1.1%、2.1%,因此,钢纤维掺量的增加对于组合梁的承载力提升并不显著。比较S N C B以及S U C B 1试件的荷载 挠度曲线可知,UH P C水泥基体与普通混凝土基体塑性段基本吻合,因此可认为,不掺钢纤维的试件,当其达到塑性阶段后,水泥基体与普通混凝土相似,均退出工作,不考虑其塑性阶段的承载贡献。同时,由图8可知,在开裂前弹性阶段UH P C水泥基体的刚度大约是普通混凝土的1.1 5倍。当采用不同配筋率时,不同配筋率试验梁的荷载 挠度曲线如图9所示。由图可知,配筋率为1%的组合梁试件,开裂前刚度相比于配筋率为2%的试件下降了4 3.1%,而两者的开裂后刚度几乎相等。分析原因是裂后刚度主要由钢纤维的桥接作用提供,而两者的钢纤维掺量相同,因此,其裂后刚度几乎215第3期黄荆,等:UHP C窄幅钢箱组合梁负弯矩下受力性能研究图9 不同配筋率试验梁的荷载 挠度曲线F i g.9 L o a d-d e f l e c t i o nc u r v e so f t e s tb e a m sw i t hd i f f e r e n t r e i n f o r c e m e n t r a t i o s不变。2%配筋率的试件,其屈服荷载、极限荷载相比于1%配筋率的试件分别增加了1 8.6%、1 1.1%,有较大的提升。配筋率的增加,可以对梁的裂前刚度、屈服荷载、承载力等有较为明显的提升。3.2 最大裂缝宽度发展趋势负弯矩作用下,试验梁裂缝发展如图1 0所示,荷载与UH P C层顶面的最大裂缝宽度如图1 0(a)所示。由图可知,当裂缝宽度小于0.2mm时,荷载 最大裂缝宽度曲线近似为线性。相比于普通混凝土翼板,UH P C翼板的最大裂缝宽度发展速率明显增大。将裂缝宽度为0.3mm以上的裂缝定义为主裂缝,当荷载达到组合梁的极限承载为fu的0.9倍时,各试件的主裂缝数量如图1 0(b)所示。由图可知,随着钢纤维掺量的增加,其主裂缝数量不断减少,当钢纤维掺量达到2%时,仅存在2条主裂缝,S U C B 1试件的主裂缝数量是S N C B试件的1.6倍,根据裂缝发展规律可知,当荷载超过0.5fu时,UH P C翼板中,拉应力产生的能量的释放均通过主裂缝实现,其余裂缝宽度基本不变,因此UH P C翼板中最大裂缝宽度增长较快,普通混凝土翼板中主裂缝数量较多,使翼板中能量分散较为均匀,拉应力通过多条主裂缝释放,因此其最大裂缝宽度增长相对较慢。由图1 0(b)可知,S U C B 1试件的主裂缝数量多于S N C B试件的,原因是,相比于普通混凝土,UH P C的水泥基体具有高强的特点,超高的强度带来更加明显的脆性现象,在不掺加钢纤维的条件下,其水泥基体的脆性相较于普通混凝土更强,因此其开裂后形成的主裂缝数量较多,且裂缝多呈现一裂即坏的特征。对比S U C B 3、S U C B 4可知,配筋率的改变对于主裂缝数量并无明显的影响。(a)试验梁荷载 最大裂缝宽度曲线(b)试验梁主裂缝条数图1 0 试验梁裂缝发展F i g.1 0 C r a c kd e v e l o p m e n t o f t e s tb e a m3.3 试验梁平截面假定的验证为了检验UH P C窄幅钢箱组合梁在负弯矩下是否满足平截面假定,将试件跨中截面的应变数据整理并绘制的试验梁截面应变分布如图1 1所示。由于翼板侧面部分裂缝穿过应变片,导致开裂后数据缺失,因此采用裂缝穿过应变片的前几级荷载的应变数据。由图可知,其截面应变分布基本呈线性变315广西大学学报(自然科学版)第4 8卷化,平截面假定成立。(a)S N C B(b)S U C B 1(c)S U C B 2(d)S U C B 3(e)S U C B 4图1 1 试验梁截面应变分布F i g.1 1 C r o s s-s e c t i o n a l s t r a i nd i s t r i b u t i o no f t e s tb e a m4 理论计算传统的钢混组合梁计算中忽略了普通混凝土的抗拉作用,认为受拉区的拉应力仅由钢筋承担,因此,针对普通混凝土梁的计算,开裂前,其基本原理是通过钢筋与混凝土的弹性模量之比,将钢筋的面积等效为混凝土的面积,再进行相应计算;开裂后,则认为混凝土完全退出工作。对于钢UH P C窄幅钢箱组合梁,由于在翼板上部铺设了5 0mm的UH P C材料,即使在开裂后,由于UH P C中钢纤维的桥接作用,仍然可以承担一部分拉应力,此时,梁负弯矩区的拉应力主要由钢筋、UH P C、钢箱受拉区承担,因此,针对本文所提出的组合梁结构,需要提出一种新的计算方法。415第3期黄荆,等:UHP C窄幅钢箱组合梁负弯矩下受力性能研究每级荷载下组合梁的抗弯刚度均按换算截面原理计算,为了保持换算前、后混凝土,UH P C翼板与充填混凝土的形心位置保持不变,混凝土、UH P C、填充混凝土的厚度保持不变。根据截面换算法,将UH P C部分等效为钢材,并假设开裂后普通混凝土不参与受力。4.1 开裂弯矩开裂前,受拉区的拉应力主要由钢箱受拉区、强度等级为C 4 0混凝土、UH P C水泥基体承担,钢筋未参与受力,钢UH P C组合梁换算截面如图1 2所示图1 2 钢U H P C组合梁换算截面F i g.1 2 S t e e l-U H P Cc o m p o s i t eb e a mc o n v e r s i o nc r o s s-s e c t i o n换算后,翼板部分以及充填部分UH P C的面积分别表示为A u t=Au t1,A c t=Ac t2,A u c=Au c1,Au t、A u t分别为翼板UH P C层换算前、后截面面积;Ac t、A c t分别为C 4 0混凝土翼板部分换算前、后的截面面积;Au c、A u c分别为充填部分UH P C换算前、后的截面面积;1为钢板的弹性模量Eb与UH P C材料的弹性模量Eu的比值;2为钢板的弹性模量Eb与C 4 0混凝土的弹性模量Ec的比值。换算后组合梁的总面积为A0=As 1+As 2+As 3+As 4+A u t+A c t+A u c,(1)式中:As 1、As 2、As 3、As 4分别为钢箱顶板、钢箱腹板、横隔板以及钢箱底板的面积;A0为换算后组合梁的总面积。假设钢UH P C组合梁的中性轴位于充填混凝土上部,梁截面参数分布如图1 3所示。图1 3 梁截面参数分布F i g.1 3 B e a ms e c t i o np a r a m e t e r sd i s t r i b u t i o n由材料力学公式,钢梁梁底部到中性轴的距离为 y=1A0A u ty2+tc t+tu t2+A c ty2+tc t2+As 1y2-ts 12+As 212(y1-ts 1-ts 4)+As 3ts 1+y0+ts 32+As 4ts 42+A u cts 4+y02,(2)515广西大学学报(自然科学版)第4 8卷式中:ts 1、ts 2、ts 3、ts 4分别为钢箱顶板、腹板、横隔板、以及钢箱底板的厚度;y为钢箱底板到中性轴的高度;y0为充填混凝土的高度;y1为钢箱的高度。换算截面惯性矩,I0=Iu t+Ic t+Is 1+Is 2+Is 3+Is 4+Iu c,(3)式中:Is 1、Is 2、Is 3、Is 4分别为钢箱顶板、腹板、横隔板以及钢箱底板到中性轴的截面惯性矩;Iu t、Ic t、Iu c为换算后UH P C翼板、C 4 0混凝土翼板以及充填部分到中性轴的惯性矩。UH P C窄幅钢箱组合梁的受力特点为,翼板以及部分钢箱受拉,而下部钢箱及充填的部分混凝土受压,由于翼板部分的受拉强度较小,所受的拉力较大,因此负弯矩区抗弯刚度发生变化前的承载力为组合梁的开裂弯矩,由公式(4)计算得到Mc r=ftI0yc,(4)式中:Mc r为开裂弯矩;ft为翼板的抗拉强度;yc为翼板上边缘到换算截面中性轴的距离。将相关数据代入公式(1)(4),将计算值与试验值进行对比,得到试验梁开裂荷载试验值与计算值对比见表5。由表可知,S N C B、S U C B 1、S U C B 2、S U C B 4的理论计算数据均与实测数据吻合良好,而梁S U C B 2存在较大的误差,其试验值远小于计算值,分析原因是由于在浇筑时,将钢筋接线从翼板伸出,形成薄弱点,以两薄弱点为基础,形成了第一条贯通裂缝,而在计算时并未考虑薄弱点的削弱,导致其开裂荷载小于计算值。表5 试验梁开裂荷载试验值与计算值对比T a b.5 C o m p a r i s o no f t e s tb e a mc r a c k i n g l o a dt e s t v a l u e sw i t hc a l c u l a t e dv a l u e s编号ft/MP ayc/mm开裂荷载实测值Ftc r/k N开裂荷载计算值Fec r/k NFtc r/Fec rS N C B1.72 1 5.15 6.05 1.01.0 9S U C B 18.02 3 5.59 8.01 0 3.60.9 5S U C B 28.02 3 5.57 5.41 0 3.60.7 3S U C B 38.02 3 5.59 8.41 0 3.60.9 5S U C B 48.02 3 4.01 1 0.01 2 7.00.8 7 在试验中均未观测到C 4 0混凝土层上表面提前开裂的情况,分析原因是,C 4 0混凝土层上表面粗糙,与UH P C层具有良好的黏结,UH P C层对于C 4 0混凝土层的开裂具有一定的约束作用,且C 4 0混凝土层的开裂主要发生于粗骨料附近,因此C 4 0混凝土层中间位置处可能存在一定的裂缝,但这些裂缝在试验观测中不可见。4.2 弹性极限荷载分析图1 4 开裂后的换算截面F i g.1 4 C o n v e r t e dc r o s s-s e c t i o na f t e rc r a c k i n g当负弯矩区的翼板开裂后,钢筋开始参与受力,UH P C水泥基体退出工作,因此在解决裂后问题中,需将钢筋和钢纤维通过截面换算法换算为钢材。由于钢纤维在UH P C基体中的分布是杂乱无章的,因此根据文献1 7-1 8,定义n为有效方向系数,即单位截面面积的纤维有效面积。根据文献1 9 的实验结果,钢纤维的有效方向系数取值在0.3 50.5 0,且随着纤维掺量的增大,有效方向系数略微减小,本文在计算组合梁开裂后的有效刚度时n偏安全取值0.3 5,开裂后的换算截面如图1 4所示。截面换算后的面积为A u c=Au c3,A s=As4,Af=n 3vfb,其中:Au c、A u c为受压区UH P C换算前、后的截面面积;As、A s为钢筋换算前、后的截面面积;n取值为0.3 52 0;vf为钢纤维的体积掺量;b为翼615第3期黄荆,等:UHP C窄幅钢箱组合梁负弯矩下受力性能研究板宽度;3为钢纤维弹性模量Ef与钢板弹性模量Eb的比值;4为钢板弹性模量Eb与钢筋的弹性模量Es的比值。换算后组合梁的总面积为A 0=As 1+As 2+As 3+As 4+Af+A s+A u c。(5)开裂后截面相关参数如图1 5所示。图1 5 开裂后截面相关参数F i g.1 5 C r o s s-s e c t i o n a l p a r a m e t e r sa f t e rc r a c k i n g假设开裂后组合梁的中性轴仍位于充填部分上部,根据图1 5,由材料力学公式,中性轴到钢箱底板的距离为y=1A 0Af(y2+y1)+A sy1+As 1y2-ts 12+As 212(y1-ts 1-ts 4)+As 3ts 1+y0+ts 32+As 4ts 42+A u cts 4+y02,(6)式中y2为C 4 0混凝土的翼板厚度。开裂后,组合梁截面的惯性矩为I=If+Is+Is 1+Is 2+Is 3+Is 4+Iu c,(7)式中If、Is分别为开裂后UH P C以及钢筋到中性轴的截面惯性矩。通过试验可知,开裂后随着荷载的继续增加,钢筋先开始屈服,后随着塑性阶段的开展,钢箱屈服,因此以钢筋屈服作为开裂后弹性段的结束,其裂后弹性段的屈服弯矩为Mu=ftIuyc。(8)试验梁弹性极限荷载试验值与计算值对比见表6。由表可知弹性极限荷载试验值与计算值之比上、下浮动值不超过3%,因此该方法计算的屈服荷载与实际值吻合良好。表6 试验梁弹性极限荷载试验值与计算值对比T a b.6 C o m p a r i s o no f t h e e l a s t i c l i m i t l o a dt e s t v a l u eo f t h e t e s tb e a mw i t ht h ec a l c u l a t e dv a l u e梁编号Fty/k NMty/(k Nm)Fey/k NMey/(k Nm)Fty/FeyS N C B4 0 3.03 0 2.34 0 8.03 0 6.00.9 9S U C B 14 0 3.43 0 2.64 0 8.03 0 6.00.9 9S U C B 24 7 7.83 5 8.45 1 3.23 8 4.90.9 3S U C B 35 3 1.03 9 8.35 2 7.33 9 5.51.0 1S U C B 45 1 9.53 8 9.65 0 7.03 8 0.31.0 2 注:Fty为弹性极