带肋钢板-混凝土组合结构抗裂性能研究.pdf

公路交通技 术2 0 1 4年 6月 第3期T e c h n o l o g y o f H i g h w a y a n d T r a n s p o r t J u n ． 2 0 1 4 N o ． 3 带肋钢板一 混凝土组合结构抗裂性能研究 刘 树 ， 费豪斌 ( 1 ． 重庆交通大学， 重庆4 0 0 0 7 4 ； 2 ． 深圳高速工程顾问有限公司， 广东 深圳5 1 8 0 0 0 ) 摘要： 针对带肋钢板一 混凝土组合结构的抗裂性能进行理论分析和结构试验， 结果表明： 带肋钢板一 混凝土组合结 构开裂弯矩较普通钢筋混凝土结构大得多， 当裂缝 出现后结构能更有效地抑制裂缝发展； 带肋肋板区混凝土在钢板 与箍筋的共同约束下可比拟为共同受力体， 极限拉应变较钢筋混凝土高。 关键词： 带肋钢板一 混凝土组合结构； 抗裂； 理论分析 ； 试验验证 文章编号 ： 1 0 0 9 — 6 4 7 7 ( 2 0 1 4 ) 0 3 — 0 0 4 6 — 04 中图分类号 ： U 4 4 1 文献标识码 ： A Re s e a r c h o n C r a c k Re s is t a n c e o f Ri b b e d St e e l PI a t e — Co n c r e t e Co mb i n e d St r u c t u r e L I U S h u ，FEI Ha o b i n Ab s t r a c t ：T h i s p a p e r c o n d u c t s t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a n d s t r u c t u r a l t e s t f o r c r a c k r e s i s t a n c e o f t h e fi b b e d s t e e l p l a t e - c o n c r e t e c o mb i n e d s t r u c t u r e ，the r e s u l t s s h o w t h a t t h e c r a c k i n g mo me n t o f t h e fi b b e d s t e e l p l a t e - c o n c r e t e c o mb i n e d s t ru c t u r e i s mu c h l a r g e r t ha n c o n v e n t i o nM r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e，t h e s t ru c t u r e c a n r e s t r a i n d e v e l o p me n t o f c r a c k s mo r e e f f e c t i v e l y a f t e r t he y a p p e a r ；t h e c o n c r e t e i n t h e fib b e d pl a t e are a u n d e r t h e j o i n t c o n s t r a i n t o f s t e e l p l a t e s a n d s t i r r u p s c a n b e r e g ard e d a s c o m mo n f o r c e b o d y ，a n d t h e u l t i ma t e t e n s i l e s t r a i n i s hi g h e r t h a n r e i n f o r c e d c o n c r e t e． Ke y wo r d s ：r i b b e d s t e e l p l a t e -c o n c r e t e c o mb i n e d s t ruc t u r e ；c r a c k r e s i s t a n c e ；t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ；t e s t v e r i fic a t i o n 钢筋混凝土结构 中， 混凝土的抗拉性能差 ， 混凝 土开裂后结构的刚度和耐久性将降低， 影响结构的 正常使用 ] 。因此， 如何提高钢筋混凝土结构抵抗 开裂的能力已成为道路工作者的研究 目标 。 解决连续梁和无铰拱拱脚等结构负弯矩区段的 混凝土局部区域拉应力峰值过大 ， 且沿构件长度方 向拉应力又迅速减小的力学情况下造成的结构局部 开裂问题 的常规方法有 2种 ： 一是采用预应力方案。 但采用此方案对于上述2种结构均存在预应力布置 复杂 ， 施工工艺复杂 、 桥梁后期病害隐患大等问题 ； 二是在 裂缝 出现后 采 用 外贴 钢 板或 碳 纤 维布 加 固[ 2 - 5 ] ， 以达到控制裂缝开展 目的。但采 用这种方 式钢板能否与混凝土协同变形即加固效果取决于钢 板与混凝土之间的粘结质量 ， 同时此加 固梁 的延性 将大大降低。 为较大地提高和改善上述混凝土结构的局部抗 裂性能 ， 本文基于粘钢混凝土结构 ， 提出带肋钢板一 基金项 目： 交通运输部建设科技项 目( 2 0 1 3 3 1 8 J 1 5 3 9 0 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 3 — 1 0 — 2 8 作者简介： 刘树( 1 9 8 7 一 ) ， 女 ， 四川省蓬安县人， 在读研究生 混凝土受弯构件， 其横截面如图 1 所示。图 1中， 肋 钢板与肋钢板采用焊接连接； 在肋钢板上按一定间 距打孑 L 以便箍筋穿过； 带肋钢板、 纵向钢筋和箍筋等 形成带肋 的强化钢板一 钢筋整体骨架 ， 浇筑混凝 土 即形成带肋钢板一 混凝土组合结构 j 。下面将对 该结构的抗裂性能进行分析研究。 图1 横截面构造示意 1 抗裂性能理论分析 1 ． 1 受力性能对比分析 通常 ， 在粘钢混凝土结构中， 钢板与混凝土之间 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年 第 3期 刘 树 ， 等 ： 带肋钢板一 混凝土组合结构抗裂性能研究 4 7 的界面剪力主要通过结构胶传递L 2 l9 J 。受施工质量 的影响 ， 粘结胶不能很好地保证钢板与混凝土协调 变形， 钢板变形滞后于混凝土， 存在应力滞后现 象L 2 ] ， 钢板材料不能充分利用。同时， 钢板和混凝 土之间不但存在切向剪应力， 而且受构件弯曲作用 的影响还不可避免地存在正应力 ， 而粘结胶 主要用 于承担剪应力 ， 其抵抗正应力 的能力远远小 于抵抗 剪应力的能力 ， 致使结构在剪应力和正应力 的共 同 作用下钢板易从混凝 土上脱 落 ， 故粘钢 一 混凝 土组 合结构的承载力由粘结胶的质量及性能控制， 混凝 土和钢材的性能未能得到充分发挥。带肋钢板 一 混 凝土组合结构的剪力传递方式如图2所示。在带肋 钢板一 混凝土结构中， 钢筋穿孔肋板与肋板孔处混 凝土形成钢筋混凝土榫起传递剪力的主要作用。同 时， 穿过肋板的钢筋作为箍筋的一部分 ， 其变形受到 箍筋的约束 ， 而箍筋是整个钢筋骨架的一部分 ， 不仅 纵筋将与混凝土一起协同抗剪， 而且由于箍筋变形 受到整个混凝土结构的约束， 钢筋骨架内的混凝土 将不同程度地参与界面剪力的传递。因此， 与粘钢一 混凝土组合结构相 比较， 带肋钢板一 混凝土结构的 抗剪性能有较大幅度提高， 能够保证钢板与混凝土 的协调变形 。 在带肋钢板作用区域 ， 钢板 、 肋板及箍筋对受拉 侧混凝土的共同约束改善了混凝 土受拉性能的不均 力 产 圆蝴 钢筋骨 架抗变形合力 j j 钢筋骨架抗变形合力 钢筋混凝土榫销栓力 钢筋混凝土榫销栓力 图2 界面剪力传递示意 匀性 ， 可看作一个共同受力体， 其受力性能优于普通 钢筋混凝土。因此， 与普通钢筋混凝土结构相比较， 在结构受拉表面配置带肋钢板能够更有效地提高 昆 凝土结构的开裂荷载， 且首条裂缝可能出现在距离 结构表面一定距离处 。 在破坏阶段 ， 粘钢 一 混凝土组合结 构粘结胶 已 破坏 ， 钢板与混凝土基本无粘结 ， 钢板与混凝土不能 共同变形， 相对滑移大， 计算时承载力钢板需考虑折 减 [ 2 ] 。与粘钢一 混凝土结构不同 ， 带肋钢板一 混凝土 组合结构即使开裂后界面剪力也能通过钢筋混凝土 榫得到有效传递 ， 开裂界面基本无滑移， 钢板与混凝 土基本上能协调变形； 同时在裂缝处截面， 受拉区混 凝土退出工作， 其原先承担的拉应力不仅有钢板和 肋板参与分担 ， 而且通过肋板 、 纵向钢筋和箍筋的协 同作用能够将部分拉应力有效地传递到未开裂混凝 土上 ， 使整个结构受力更趋于均匀化 ， 材料性能得到 更充分发挥， 可有效减缓裂缝的开展。 1 ． 2 开裂弯矩简化计算 基于上述分析， 在开裂弯矩简化计算时作如下 假设： 1 ) 结构开裂前处于弹性阶段， 满足平截面假 定 ， 截面应力成线性变化 ； 2 )粘钢一 混凝土结构与带 肋钢板一 混凝土结构开裂极限应变均为 ， 带肋一 混 凝土组合结构裂缝出现位置距离梁底面距离为 ； 3 )钢筋混凝土结构的配筋率与钢板一 混凝土组合构 件相同； 钢筋应变等于混凝土开裂应变； 4 ) 计算带 肋钢板一 混凝土结构开裂弯矩时忽略钢筋及肋板承 担的拉应力。 计算采用矩形截面， 粘钢一 混凝土界面应变及 应力分布如图 3所示。 ( a )应变分布 ( b )应力分布 图 3 钢筋混凝土结构应变及应 力分布 对于粘钢一 混凝土结构 ， 由 E F x = O可得 E 6 = 丢 ( r6 + E ％ ( 1 ) ( 2 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 公路交通技术 2 0 1 4生 解上述方程得到混凝土受压区高度为： 2 b + b h ， — 2 hb +2 — a ~ A 1j， , 式 中： E 为混凝土弹性模量 ； E 为钢筋弹性模量 ； ， 为混凝土开裂应变 ； 为混凝土受压 区高度 ； O l 为钢 筋与混凝土弹性模量比值； 6 为梁截面宽； 为梁高。 从式 ( 3 ) 可 以看 出， 混 凝土受压 区高度与梁底 应变无关 ， 故带肋钢板 一 混凝土构件受压 区高度与 粘钢一 混凝土构件相同。 对受压区混凝土压应力合力作用点分别计算混 凝土与钢筋拉应力产生的弯矩， 由弯矩平衡条件可 以得到结构开裂弯矩为 ： = A h 一 手 ) + 丢 ( 一 ) E cs crb ( h 一 詈 一 ) ( 4 ) M cr2 E A h 号) + ( ) h - x 6 一 ) ( 5 ) 式中： 分别为粘钢一 混凝土结构和带肋钢板一 混凝土结构开裂弯矩。 将式( 4 ) 和式( 5 ) 相除， 可得 M c r l ：T_ h- x- z ： 1 一 ( 6 ) M r 2 一 一 、 从式( 6 ) 可以看出， 带肋钢板一 混凝土结构只要 裂缝出现位置不在截面底面， 其开裂弯矩就大于普 通钢筋混凝土结构。 由以上分析可知， 与钢板混凝土组合结构相 比 较， 带肋钢板一 混凝土结构更能有效提高混凝土结 构抗裂能力 ， 开裂后结构的受力性能也可得到改善。 下面通过试验来验证上述结论。 2 试验验证 为研究带肋钢板一 混凝土组合 构件 的抗裂和阻 裂性能， 重 庆交 通大 学庄家 智设 计制作 了 7片梁 ( N l — N 7 ) 进行结构试验 J 。试验试件中钢板及带 肋钢板厚度、 配筋率、 试验方法及钢板与混凝土界面 的处理情况如表 1 所示。其中纯弯试验采用 3分点 加载 ， 弯矩试验采用跨 中点加载。制作完成后 的带 肋钢板一 钢筋骨架如图4所示 。 图 4钢 架 2 ． 1 试验结果 各试验梁的开裂荷载 、 开裂弯矩如表 2所示 。 从表 2可 以看出 ， 带肋钢板一 混凝土结构开裂弯 矩约为普通钢筋混凝土试验梁的 3 倍 ， 为粘钢一 混凝 土结构的2 ． 2倍 ； 带肋钢板一 混凝土组合结构的开裂 弯矩与钢板与混凝土之间界面的连接无关 ， 与构件 表 1 试验试件相关参数 开裂荷载／ k N 5 5 ． 0 开裂弯矩／ ( k N m) 8 ． 2 5 开裂弯矩比较／ ％ 3 0 2 ． 2 0 5 5． 0 8 ． 2 5 3 0 2 ． 2 0 4 0 9 3 2 9 ． 6 7 5 5 ． O 8． 2 5 3 O 2 ． 2 0 6 0． 0 8． 5 3 l 1 ． 3 5 25． 0 3 ． 75 1 3 7 ． 3 6 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 4年第 3期 刘树 ， 等： 带肋钢板一 混凝土组合结构抗裂性能研究 4 9 配筋率及受力有关 。因此 ， 可以得 出如下结论 ： 钢板 与混凝土之间的界面剪力主要通过肋板、 箍筋 、 纵筋 及混凝土等组合而成 的结构传递 。 2 ． 2 裂缝发展情况 N 7试验梁的起裂位置在梁底面 ， 裂缝 出现时的 宽度为0 ． 0 3 m m， 经加、 卸载循环后， 裂缝宽度逐步 增大。N 6试验梁的起裂位置在梁底钢板顶面处 ， 裂 缝特征与钢筋混凝土试件基本相 同。对于带肋钢板 试验梁 ， N 2试验梁 因混凝土与钢板隔离其起裂位置 位于梁底面， 其他试验梁的起裂位置在距梁底面 3 ． 5～ 4 e m( 试验梁高 1 5 o m， 肋高 4 c m) 处 ， 裂缝 出 现时的宽度在 0 ． 0 1 5～0 ． 0 2 m m之 间， 经加 、 卸载循 环后 ， 裂缝宽度增加较小 ， 约 0 ． 0 1～ 0 ． 0 2 mm。 从试验结果可看 出， 因混凝 土的极 限拉应变 为 一 定值， 在带肋钢板一 混凝土组合构件中， 肋板分布 区的混凝 土在钢板 、 肋板及箍筋的共 同约束下 ， 其受 力性能得到改善 ， 极限拉应变较普通钢筋混凝 土结 构显著提高， 结构塑性变形能力增强 。 从 以上分析及试验 结果可 以看 出： 带肋钢 板一 混凝土组合构件能够显著提高混凝土结构的开裂弯 矩 ， 有效地控制裂缝 的发展。 3结论 本文对带肋钢板一 混凝土组合结构 的理论和试 验结果进行 了分析 ， 得到如下结论。 1 )带肋钢板一 混凝土组合构件的开裂弯矩约为 同配筋率钢筋混凝土的 3 倍 ， 约为粘钢一 混凝土结构 的2 ． 2 倍。 2 )带肋钢板一 混凝土组合构件界面剪力主要 由 穿过肋板和箍筋组成的钢筋混凝土榫传递， 剪力传 递受钢板与混凝土粘结情况 的影响较小 ， 可避 免粘 钢一 混凝土组合结构中出现钢板剥落破坏现象。 3 )混凝土开裂后 ， 带肋钢板混凝 土结构能较好 地抑制裂缝的发展 。 4 )肋板 区混凝土在钢板、 肋板与箍筋的共同约 束下， 可看成一个共同受力体， 其受力性能优于普通 钢筋混凝土结构 ， 极限拉应变较钢筋混凝土高。 参 考 文 献 [ 1 ] 王传志 ， 腾智明． 钢筋混凝土结构[ M] ． 北京： 中国建筑 工业 出版社 ， 1 9 8 5 ． [ 2 ] 高轩能 ， 朱皓明， 周期源． 粘钢补强钢筋混凝土梁的正 截面承载性能 [ J ] ． 华侨大学学报， 2 0 0 7， 2 8 ( 2 ) ： 1 9 6 — 2 00． [ 3 ] 朱皓明， 周期源． 粘钢加固 R C粱的正截面承载力[ J ] ． 建筑科学与工程学报 ， 2 0 0 6 ， 2 3 ( 3 ) ： 5 4 — 6 0 ． [ 4 ] 任伟 ， 贺拴海 ， 赵小星， 等． 黏贴钢板加固持荷钢筋 混凝土 T型梁模型试验 [ J ] ． 中国公路学报， 2 0 0 8 ， 2 1 ( 3 ) ： 6 4 — 6 8 ． [ 5 ] 范锡盛 ， 曹薇， 岳清瑞． 建筑物改造与维修加固新技 术[ M] ． 北京： 中国建材工业出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 6 ] 周志祥 ， 徐勇． 局部表面设置钢板增强层的钢筋混 凝土结构 ： 中国， 2 0 0 8 1 0 0 6 9 4 7 9 ． 9[ P ] ． 2 0 1 1 — 0 6 一 O 1 ． [ 7 ] 徐勇 ， 周志祥， 吴海军． 带肋钢板～ 混凝土组合结构 开裂机理研究[ J ] ． 武汉理工大学学报， 2 0 1 2 ， 3 4 ( 1 1 ) ： 9 8—1 0 3． [ 8 ] 庄家智． 带肋钢板增强混凝土复合受弯构件性能试验 研究[ D ] ． 重庆 ： 重庆交通大学， 2 0 1 0 ． [ 9 ] 齐云． 粘钢加固混凝土梁的粘结应力研究[ D] ． 武 汉 ： 武汉理工大学， 2 O 0 6 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m