带开孔板连接件的压型钢板-混凝土组合桥面板疲劳性能试验研究.pdf
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1、为研究带开孔板连接件(PBL连接件)的压型钢板混凝土组合桥面板的疲劳性能,设计制作了1块连续组合桥面板试件,试件长9.25 m,宽1.5 m,最大混凝土板厚24 cm,压型钢板厚3 mm;开展了单点变幅疲劳加载和间隔性的静力加载试验,测试了试件的跨中挠度、钢底板和负弯矩区钢筋应变,观测了负弯矩区混凝土裂缝的分布与发展,测量了最大裂缝宽度,得到了组合桥面板试件受力性能随疲劳加载次数增加而退化的过程以及和试件的疲劳破坏形态。试验结果表明:组合桥面板试件的受力性能随着疲劳加载次数的增加而发生退化;在经过累计600万次疲劳加载后试件未发生破坏,表明其具有较好的抗疲劳性能;组合桥面板试件最终的疲劳破坏形
2、态为跨中截面钢底板断裂破坏,裂纹最先萌生于PBL连接件与钢底板焊接位置,同时静载下负弯矩区混凝土的最大裂缝宽度达到了0.2 mm,利用线性损伤准则分析了已有的S-N(应力幅循环次数)曲线对组合桥面板的适用性。关键词:组合桥面板;压型钢板;疲劳;破坏形态;裂缝中图分类号:U443.35文献标志码:AExperimental Study of the Fatigue Behavior of Profiled Steel Sheeting-Concrete Composite Bridge Decks with Perfobond ConnectorsZHANG Xieli,WU Chong,SU
3、Qingtian(College of Civil Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract:A continuous profiled steel sheeting-concrete composite bridge deck specimen with perfobond(PBL)connectors was tested to study the mechanical behavior at variable amplitude fatigue load.The specimen is 9.25 m long
4、 and 1.5 m wide,the thickness of the profiled steel sheeting is 3 mm,and the depth of concrete is 24 cm.The mid-span deflection,the strain of concrete and reinforcement,and the distribution of cracks and crack widths at the hogging moment region,as well as the procedure of the degeneration of stiffn
5、ess and the fatigue failure mode were obtained and discussed.The test results show that the mechanical behavior of the composite deck specimen deteriorats with the increase in the fatigue loading times.The specimen does not fail at a fatigue loading of 600104 times,which shows that the composite dec
6、k has a high fatigue strength.The fatigue failure mode of the specimen is the steel sheeting crack at the mid-span,and the fatigue crack initiats at the welding part of the PBL connectors and steel sheeting.Meanwhile,the maximum crack width of concrete at the hogging moment region reaches 0.2 mm at
7、static load.The applicability of the existing S-N curve to the composite deck was analyzed by using the linear damage accumulation rule.Key words:composite bridge deck;profile steel sheeting;fatigue;failure mode;crack 钢混凝土组合桥面板是由钢底板和混凝土通过剪力连接件结合而成的新型桥面板,与传统混凝土桥面板相比,组合桥面板施工时免拆模、免临时支撑,同时具有自重轻、承载能力高等性能
8、优势1。组合板在房屋建筑、工业厂房等工程结构中得到了广泛应用,工程实践中钢底板多采用压型钢板,其厚度仅0.51.0 mm,钢底板上布置凹凸不平压纹,使得压型钢板和混凝土能有效结合在一起共同参与受力,从而代替或节省楼板的受力钢筋,早期的试验研究表明该种形式的组合楼板的破坏形态和极限承载力由混凝土和钢板界面间的纵向抗剪强度控制2。在桥梁工程领域,组合桥面板多采用平钢板并布置开孔加劲板(PBL连接件)的形式,对其受力性能国文章编号:0253374X(2023)09-1395-12DOIDOI:10.11908/j.issn.0253-374x.22417收稿日期:2022-09-30基金项目:江西省
9、“5511”重大研发专项(20165ABC28001)第一作者:张协力(1995),男,博士生,主要研究方向为钢与组合结构桥梁。E-mail:同 济 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 51 卷内外研究学者开展了许多研究。杨勇3-4对钢板混凝土组合桥面板开展了静力与疲劳性能试验研究,着重研究了组合桥面板中开孔钢板连接件孔中横向观察钢筋布置及名义加载剪跨比对组合桥面板静力性能的影响,同时分析了疲劳荷载下组合桥面板中开孔钢板布置形式、疲劳荷载幅值和疲劳加载次数对其破坏形态、刚度、疲劳强度的影响;Xiang5对钢混凝土组合桥面板开展了变幅疲劳加载试验,分析了疲劳荷载幅对钢底板裂纹发展的影响,并利
10、用SWT(Smith-Watson-Topper)模型对裂纹萌生的位置进行了评估,与试验结果吻合良好;日本研究者对组合桥面板开展了较为系统的研究6,Fujiyama7-8对带加劲板的组合桥面板进行了试验与有限元研究,讨论了加劲板形式、布置方式和钢混凝土界面处理方式对组合桥面板破坏形态和极限承载力的影响;Kaido9开展了带加劲板和焊钉的组合桥面板悬臂端在移动车轮荷载下的疲劳试验,分析了桥面板的裂缝开展情况,并建立了非线性有限元模型,分析了移动车轮荷载下组合桥面板的变形特征,讨论了焊钉连接件的受力特性与疲劳损伤过程。Kim和Jeong10-11提出了一种由压型钢板、PBL连接件与钢筋混凝土板组成
11、的压型钢板组合桥面板结构,并开展了组合桥面板的静载试验,试验结果表明该种压型钢板混凝土组合板较之现浇混凝土板具有更高的抗弯承载力,且自重更轻;Ahn12对11块简支波形钢板混凝土组合桥面板开展了两点疲劳加载试验,试验结果显示组合桥面板的疲劳破坏形态是加劲板与钢底板的焊缝萌生疲劳裂纹并发展成为裂缝,同时利用概率模型对组合桥面板的疲劳细节进行评估,参考AASHTO规范13与Eurocode规范14给出了适用此类组合桥面板的SN(应力幅循环次数)曲线。相较于平钢板混凝土组合桥面板,钢底板改用压型钢板钢板可以有效提高截面的抗弯刚度,从而有效减小钢板的厚度,同时对于中小跨径钢板组合梁向着少主梁结构形式发
12、展的趋势,压型钢板具有较强的跨越能力,具有较好的发展前景。本文提出一种适用于钢板梁的压型钢板混凝土组合桥面板,由压型钢板、开孔板连接件(PBL连接件)、挡板组合而成的组合桥面板模块在工厂加工制造,运输至现场后与钢板梁进行焊接,现场浇筑混凝土后形成组合结构桥梁,满足中小跨径桥梁装配化、快速化施工的要求。桥面板结构直接承受车轮荷载作用和车轮荷载的冲击作用,且桥面板的活载占总设计荷载的比较较大,其疲劳性能往往在结构设计中起控制作用,开展组合桥面板疲劳性能的研究对于推广组合桥面板在中小跨径桥梁中的应用有重要推动作用,具有一定的工程实际意义。本文设计并开展了1块压型钢板混凝土连续组合桥面板试件的单点疲劳
13、加载试验,测试了组合板试件在疲劳和静力荷载作用下的跨中挠度、钢底板与负弯矩区钢筋应变,分析了组合桥面板试件在疲劳荷载作用下力学性能退化的规律,得到了试件的疲劳破坏形态。1 试件方案 1.1试件设计与制作设计制作了1块压型钢板混凝土组合桥面板试件,试件的尺寸如图1所示,其跨径、板厚等参数如表1所示。压型钢板、钢主梁在工厂制作完成后运输至现场进行焊接拼装,主梁间压型钢板长2 770 mm,两侧的搭接长度均为60 mm;悬臂端压型钢板长910 mm,搭接长度为60 mm。试件的混凝土板厚度为24 cm,压型钢板厚度为3 mm,在压型钢板的波谷位置设置PBL连接件,布置了C16贯穿钢筋,PBL连接件高
14、172 mm,厚4 mm,孔径为60 mm,孔距为200 mm。试件中支承桥面板的钢梁梁高为0.9 m,顶板宽度为750 mm,底板宽度为400 mm,顶板、底板和腹板板厚均为16 mm。钢梁顶板上等间距布置直径为22 mm 焊钉连接件,其纵向和横向间距均为 250 mm。压型钢板与钢梁搭接头构造如图2所示。拼表1压型钢板混凝土组合桥面板试件参数汇总Tab.1Parameters of composite bridge deck specimens板的跨径/m1.225+3.4+3.4+1.225板厚h/cm24板宽b/m1.5钢板厚度t/mm3连接件形式PBL连接件布置波谷顶层钢筋横向:C2
15、0125纵向:C16100底层钢筋横向:C16125纵向:C16200注:试件的底层横向钢筋即PBL连接件的贯穿钢筋1396第 9 期张协力,等:带开孔板连接件的压型钢板混凝土组合桥面板疲劳性能试验研究装完成后浇筑混凝土,养护28 d。试件制作、加工现场如图3所示。1.2加载方案加载方案示意图如图4所示。试件与地面之间铺设高强砂浆,确保试件水平且均匀受力。脉动疲劳加载装置与试件之间通过分配块传递荷载,分配块的尺寸为600 mm200 mm,与规范中车辆荷载的后轮与底模接触面尺寸相同。加载装置在试件跨中施加脉动疲劳荷载,加载频率为4Hz,疲劳加载共分4阶段,各阶段的疲劳加载上、下限及加载次数如表
16、2所示,疲劳加载的第一阶段模拟了组合桥面板正常使用状态下车轮荷载的作用。每完成50万次疲劳加载暂停疲劳加载,进行一次静力加载。在正式加载开始前进行预加载,消除接触误差。试件加载现场如图5所示。1.3测试方案在组合板试件的跨中加载位置及钢梁支点位置布置激光位移计,用于测量试件的挠曲变形。在底部压型钢板表面布置电阻应变片以观察试件在各疲劳加载阶段底部钢板应变的变化,同时在组合板的中支点负弯矩区钢筋上布置电阻应变片。位移传感器(linear variable displacement transducer,LVDT)与应变片布置如图6所示。疲劳加载过程中每10万次疲劳加载进行一次动态的数据采集,记录
17、一个固定时间段内(本文取1 min)结构响应的变化,包括跨中挠度,正弯矩钢底板应变,负弯矩区钢筋应变。以跨中挠度为例,动态数图1试件尺寸图(单位:mm)Fig.1Dimensions of specimens(unit:mm)图2钢底板与主梁搭接细节Fig.2Schematic of deck-to-girder connection图3试件加工与制作Fig.3Manufacture and construction of specimens1397同 济 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 51 卷据采集所得的跨中挠度随加载时间的变化如图7所示,图中wpeak,wval,wap分别为跨中
18、挠度的峰值、谷值及幅值,通过比较各测量时刻结构响应的峰值、谷值及幅值分析组合板的疲劳性能。除动态数据采集外,每完成50万次疲劳加载后暂停疲劳加载,进行一次静力加载,记录结构响应随荷载等级的变化,并图4加载示意图Fig.4Test setup表2 试件疲劳加载方案Tab.2Load level for each loading stage加载阶段1234疲劳荷载/kN上限(Ppeak)75145250480下限(Pval)35353550幅值(Pap)40110215430加载次数/万次200200200加载至破坏图5试件加载现场Fig.5Loading instrumentation图6位移计
19、与应变片布置Fig.6Arrangement of LVDTs and strain gauges1398第 9 期张协力,等:带开孔板连接件的压型钢板混凝土组合桥面板疲劳性能试验研究观察负弯矩区混凝土裂缝的发展,测量最大裂缝宽度。1.4材料性能测试试件的钢筋均采用HRB400,钢板为Q345,钢材的屈服强度与抗拉强度如表3所示。混凝土采用C50,28 d的立方体抗压强度为60.6 MPa,抗折强度为5.1 MPa,弹性模量为36 000 MPa。2 试验结果及讨论 2.1疲劳破坏形态在试件的整个疲劳加载过程中,跨中挠度、负弯矩区钢筋应变以及正弯矩区钢底板应变随着加载次数的增加而增大的趋势较为
20、明显,中支点负弯矩区的混凝土有裂缝产生且裂缝宽度也随着疲劳加载次数的增加而增大,测试件的侧面可以观察到正弯矩区混凝土裂缝自下而上的发展。在完成前3阶段的共计600万次的变幅疲劳加载后调整疲劳荷载的上限为480 kN,下限为50 kN(接近疲劳加载装置的使用极限)进行第4阶段疲劳加载。当第4阶段的加载次数达到70万次,观察到跨中加载截面的压型钢板底部出现两条裂纹1#与2#,均出现在布有PBL连接件的波谷位置;随着加载次数的增加,裂纹快速发展;当累计加载次数达到680万次时,1#裂纹长度已从波谷位置发展至试件侧面,长度超过30 cm,从侧面观察到1#裂纹位置的钢底板与混凝土板已明显分离,2#裂缝贯
21、穿压型钢板的一个波谷,随后停止加载。钢底板裂纹的形态图8所示,裂纹的具体分布位置如图9所示。试验结束后将包含1#裂纹的组合板进行切割,去除混凝土后观察钢板内部裂纹的发展情况。钢板的裂纹分布如图 10 所示,除了钢底板有裂纹外,PBL连接件的下端也有裂纹。由图10d 可知连接件与钢底板的角焊缝并不连续,裂纹从焊缝中断处通过,推测疲劳裂纹最先萌生于PBL连接件与钢底板的角焊缝位置,随着疲劳加载次数的增加,初始裂纹沿着钢底板向两侧发展形成较明显的裂缝,并沿着PBL连接件向上发展至开孔位置。2.2跨中挠度组合板试件的跨中挠度与疲劳加载次数的关系如图11所示,试件两侧的跨中挠度随加载次数变化的趋势一致,
22、相同加载次数下的幅值也较为接近。第一阶段疲劳加载中挠度幅值随加载次数的变化较小,没有较明显的增加或减小的趋势,而是在一定范围内浮动,该阶段试件未观察到明显的混凝土裂缝,疲劳损伤以混凝土内部的裂隙、孔洞的发展为主;第二、三、四阶段的疲劳加载过程中,跨中截面和中支图7疲劳荷载作用下跨中挠度时间关系Fig.7Mid-span deflection versus time表3钢材力学性能Tab.3Mechanical properties of steel材料Q345钢板HRB400钢筋板厚(或直径)/mm341620屈服强度/MPa366.0489.3442.4424.4极限强度/MPa538.65
23、49.9632.0617.1图8试件破坏形态Fig.8Failure mode of slab1399同 济 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 51 卷点截面的混凝土裂缝不断发展,使得组合板的刚度不断降低,跨中挠度的幅值随着加载次数的增加而明显增大;加载680万次时,挠度的幅值较之670万次迅速增大,其原因是钢底板的疲劳裂纹发展使得钢底板断裂,组合板刚度迅速降低。每隔50万次疲劳加载进行一次静力加载,静力加载的最大荷载取该疲劳加载阶段的疲劳荷载上限,组合板试件的静力荷载与跨中平均挠度的关系如图12所示。在相同荷载作用下,跨中挠度随着疲劳加载次数的增加而增大,且由图12可知各疲劳加载阶段的
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