钢-混凝土组合梁预应力施工阶段受力性能试验研究

　　钢-昆凝土连续组合梁较简支组合梁相比，具有节约钢材、降低造价、增强刚度和提高结构承载力等一系列优点，因此，近几年来在我国建筑工程和桥梁工程中得到越来越广泛的应用。

　　：2001-基金项目：国家自然科学基金资助项目（59878007）1作者间介i―色志著Publishing但是，钢-昆凝土连续组合梁的受力特点与简支梁有较大差异，突出的两点是：①负弯矩区段混凝土翼缘板位于受拉区，裂缝控制往往成为结构设计的关键环节；②连续组合梁截面抗弯承载力与设计弯矩分布不相适应。负弯矩区混凝土翼缘板开裂后退出工作，其中间支座截面的抗弯承载力仅由混凝土翼缘板中钢筋和钢梁共同承受，其值远小于跨中组合截面。一般情况下，中间支座截面的抗弯承载力偏小，而跨中截面的抗弯承载力有余。为了解决这些设计疑难，实际工程中采取的措施除部分在负弯矩区混凝土翼缘板内采取超配筋外，常见的措施是在负弯矩区段施加足够的预应力。

　　众所周知，钢与混凝土界面上的剪力靠剪力连接件传递。因此，对钢-昆凝土组合梁而言，在预应力施工阶段的受力性能如何、影响控制截面有效预应力的主要因素有哪些、界面滑移影响有多大、平截面假定是否继续适用等一系列问题尚待深入研究。本文通过9个模型试件对钢-混凝土连续组合梁在施加预应力阶段的受力性能进行了模拟试验研究，对上述问题进行了初步探讨，得到了一些有益的结论。

　　1试件设计及加载装置为了模拟钢谚凝土连续组合梁在负弯矩区段施加预应力阶段的受力性能，我们取负弯矩区中一段作为试验模型，以两点对称竖向压力来代替预应力筋的作用。其试验模型与试验装置如所示。

　　试验模型梁共9个，其主要设计变量为剪力连接度r，混凝土翼缘板截面尺寸，各试件的具体设计参数见表1.所有试件长1400mm，钢梁部分均采用120a工字钢，钢梁的屈服强度fsy= 20K105N/mm2.试验测得混凝土立方体极限抗压强度50. 000kN的长柱试验机上进行，加载方式为分级加载。试验测试的主要内容有：钢与混凝土界面上的相对滑移。沿梁纵向共布置7个测点，用千分表量测。

　　混凝土翼缘板顶面应变分布。沿梁纵向选择三个截面，每个断面布置6个混凝土应变片。

　　钢梁应变，沿钢梁纵向选承与混凝土翼缘板顶面混凝土应变片对应位置的三个断面，每个断面布置4个钢筋应变片。

　　剪力栓钉应变，沿纵向选取5个剪力栓钉，在离每个栓钉根部30mm处沿栓钉高度方向布置一个钢筋应变片。

　　所有测点布置见，全部应变测点用IMP数据采集系统进行数据采集。

　　表1试件主要试验参数及主要试验特征值试件编号混凝土板截面尺寸/mm栓钉直径及间距剪力连接度r开裂预压力/kN大预压力/kN破坏形态局压劈裂局压2试验结果21试验现象描述正式试验加载前，一般进行卜2次预压，预调测试仪器和加载装置。

　　在加载初期，整个试件呈弹性工作状态，钢与混凝土的界面滑移很小，可忽略不计。当预压力达到1000kN左右时，在预压力作用截面的加载垫板边混凝土开裂，继续加载裂缝逐渐呈倒八字形向梁中部栓钉处延伸，且在钢与混凝土板界面上出现肉眼可见的界面滑移裂缝，随着预压力的继续增加，界面滑移不断发展，界面裂缝不断延长，混凝土板面斜裂缝不断扩展，直至后发生加载垫板下混凝土局压破坏。

　　22沿梁纵向滑移分布显示了PL-2试件在不同预压力作用下沿梁纵向钢与混凝土界面上的滑移分布（L为梁长，S为滑移值），从图中不难发现：在同一级预压力作用下，离预压力作用截面越近，滑移越大，且呈非线性增长趋势。

　　同一截面在不同预压力作用下，预压力越大，滑移越大，两者几乎成比例增长。

　　从加载至破坏，离预压力作用截面500mm以外的区域，其滑移很小，几乎可忽略不计。

　　为了考察剪力连接度r对钢与混凝土界面滑移的影响，列出了试件PL-1PL-2PL-4在极限荷载时沿梁纵向滑移分布。图毙别给出了两组试件在不同预压力作用下预压力PL-1，2，5界面滑移与r的关系曲线PL-3，4，6界面滑移与r的关系曲线2.3实测混凝土翼缘板面应变分布如前所述，试验时在梁纵向上中下三个截面沿混凝土翼缘板宽度方向布置了6个应变片。

　　显示了试件PL-2-、-I两截面混凝土翼缘板顶面应变分布（W为混凝土翼缘板宽度）。由图可见，从加载开始梁I-截面就存在混凝土应变沿宽度方向分布不均布现象，在预压力垫块作用处应变大，板边缘处应变小，存在明显的局部应力集中现象。在中部由于混凝土板中部分压力通过剪力连接件传递到钢梁上，故实测混凝土压应变较小。随着荷载的增加，这种应力分布不均匀现象越来越明显，但在梁的中部-I截面，从加载到试件破坏，混凝土应变沿宽度方向的分布一直比较均匀。这种现象可以用经典的圣维南原理得到解释。

　　另外，计算还表明，在各级预压力作用下，1 -截面的混凝土应变平均值比I截面的大，且随预压力增加，两者的差值越大。这种现象主要是由I-截面处产生了较大的界面滑移而引起。

　　2.4实测钢梁应变分布-I截面钢梁应变分布图（Hs为钢梁高度），显见在各级预压力！作用下钢梁仍保持平截面变形状态！但由于滑移影响截面的钢梁应变比截面/www 3组合截面应力应变分布3.1基本假设截面变形符合平截面假定。

　　钢材和混凝土均为理想的弹性材料。

　　钢与混凝土之间的连接是可靠的，其界面滑移很小，可忽略不计。

　　不考虑混凝土板中钢筋的作用。

　　3.2计算简图及分析在预压力作用下，试验模拟的钢-昆凝土组合梁为一压弯构件，其计算简图如所示。

　　按材料力学方法可得到相应的截面应力计算公式，终得到截面应变计算值。

　　0给出了试件PL-3的I-、11I组合截面实测应变和计算应变分布（Hn为换算截面高度）。图中实线代表实测值，虚线代表计算值，而混凝土应变取其实测平均应变。可以看出，在离预压力作用截面很近的I-组合截面，实测应变分布不符合平截面假设。钢梁实测应变小于计算值而混凝土实测应变值比计算值大得多ub这一现象在前述滑移应变试验结果分析中己予解释，表明对钢-昆凝土组合梁而言，在预应力张拉端和锚固端附近存在一非协同工作区。在该区域内，预压力需通过一定范围内的栓钉才能有效传递到钢梁上。这一非协同工作区的大小与栓钉布置有关。本次试验中该非协同工作区长度约为500mm.随着预压力加，钢与混凝土间的界面滑移加大，组合截面的共同工作性能逐渐降低，从而导致梁截面产生较明显的应力重分布现象。预压力越大，剪力连接度越小，这种应力重分布现象越明显。但是，考察本次全部试验资料发现，从加载到破坏，钢-昆凝土组合梁设计控制区（如-I截面以内）实测的界面滑移很小，实测应变分布基本符合平截面假定，且计算值与实测值符合良好。这表明界面滑移对该区域截面应力影响可忽略不计，相应的有效预应力可按基于钢-昆凝土换算组合截面的材料力学方法进行计算。