东方高架组合梁负弯矩区受力性能 试验研究Word文件下载.docx
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图1.3N-3试验梁断面图
试验梁总体布置图如图1.1所示,试验梁钢梁部分顶板厚6mm,腹板厚8mm,底板厚10mm,混凝土板厚100mm,板宽1400mm。
除剪力连接键布置形式不同之外,三根试验梁其余几何尺寸一致。
图1.4剪力钉布置图
图1.4分别列出了均匀布置剪力钉与群钉剪力钉布置图,其中N-1和N-2试验梁采用单钉布置,剪力钉纵向间距为120mm,分布于钢梁翼缘上,同一截面每侧翼缘布置2根剪力钉,横向间距为80mm;
N-3试验梁为剪力钉为群钉形式,群钉采用3×
3的布置形式,其纵横向间距均为60mm,群钉簇之间的间距为60mm。
剪力钉采用ML15型剪力钉。
图1.5均匀布置剪力钉
图1.6群钉剪力钉
N-1试验梁为无预应力组合梁,纵向钢筋直径为8mm,箍筋直径为6mm,其混凝土板配筋图如图所示:
图1.7N-1试验梁混凝土板配筋图
N-2与N-3试验梁为预应力试验梁,其混凝土板配筋图以及预应力钢束布置图如下图所示。
其纵向钢筋直径为8mm,箍筋直径为6mm,预应力钢束采用φ15.24钢绞线。
图1.8N-2与N-3试验梁配筋图与钢束布置图
在浇筑混凝土的过程中,N-3试验梁预留群钉后浇沙浆孔,待预应力张拉完成后浇筑砂浆,以实现钢梁与混凝土的结合。
图1.9N-3试验梁群钉预留孔
2.2试验内容
组合梁模型试验梁测试内容主要包括试验荷载、混凝土桥面板裂缝开展及其宽度、全梁挠度变形以及钢梁底板、钢梁腹板、钢梁上翼缘、混凝土桥面板的应力状态。
图为本次试验的加载示意图。
图1.10组合梁位移计布置(cm)
图1.11为组合试验梁位移计布置图,其中P表为测量全梁竖向位移的挠度位移计,采用精度为0.005mm的电子位移计,布置于钢梁底面。
图1.11组合梁位移计布置(mm)
负弯矩区模型试验梁应变测点主要布置于中支点截面、距中支点1倍梁高(570mm)以及距中支点1/4跨(1250mm)处截面,见图4.1.7。
钢梁上翼缘测点布置在上翼缘底面,箱梁外侧。
腹板测点主要布置于外侧,以便应变片的粘贴,钢梁底板测点布置于底部外侧,钢梁底板箱内侧无测点。
同时,在钢梁腹板与底板也相应的布置了应变计。
图1.12 钢梁测点布置(mm)
图1.8为混凝土桥面板表面测点布置。
混凝土应变片主要布置于混凝土板顶面,与钢梁上应变片布置图相类似,混凝土应变测点主要布置于中支点截面、距中支点1倍梁高(570mm)以及距中支点1/4跨(1250mm)处截面。
图1.13混凝土桥面板表面测点布置
2.2.1加载及测试方案
图1.14后结合预应力组合梁试验
本试验加载方法如图1.14所示,采用液压千斤顶对试验梁跨中处施加反向集中荷载,千斤顶下端置于地面,其顶面放置一圆弧面朝上弧形钢板使试验量能自由转动。
一端使用反力架固定,传力路径为支座——荷载分配梁——反力架——地锚;
另一端采用千斤顶对梁端竖向位移限定。
边支点混凝土板和荷载分配梁之间采用弧形垫板,以使试验梁在加载过程中试验梁端部能自由转动(图1.15),保持简支结构体系。
图1.14为负弯矩区受力性能模型试验现场。
(a)梁端球铰约束(b)中支点弧形板约束
图1.15试验梁边界约束
试验加载程序分为预加载和正式加载两部分。
预载荷载为40kN,分2级施加,每级荷载20kN,持荷10分钟,最后卸载至0。
根据预加载数据,判断加载设备及测试仪器等是否正常工作,调整故障设备后正式加载。
正式加载分两阶段进行,第一阶段荷载值从0至混凝土板首次出现裂缝为止,每级荷载约为100kN,加载速率为10kN/min;
第二阶段从第一阶段结束时的荷载只至试件破坏,每级100kN,加载速率为20kN/min。
试验加载至极限荷载后,缓慢卸载至0。
整个加载及卸载过程中连续采集试验数据。
3试验结果及分析
3.1组合梁的材性试验结果
钢梁板材材质为Q345,其材性试验依照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》中所述方法测试其屈服强度及极限强度,结果见表3.1。
表3.1 钢板基本力学性能
板厚
应用
部位
试件编号
屈服强度
实测值/Mpa
平均值/Mpa
极限强度
8mm
腹板
1
386.6
384.3
546.1
547.4
2
379.9
548.8
3
386.4
547.2
6mm
翼缘
406.7
402.9
545.1
542.2
405.0
541.8
396.9
539.6
10mm
底板
399.2
398.2
552.2
552.3
400.4
551.3
395.0
553.2
混凝土用普通钢筋采用HRB335热轧带肋钢筋,其屈服强度与极限强度分别如表3.2所示。
表3.2 钢筋基本力学性能
直径
纵向受力钢筋
577.2
563.8
650.9
651.4
583.2
686.7
535.4
633.0
4
559.3
635.0
3.2组合梁受力性能试验结果
3.2.1预应力张拉
N-2与N-3试验梁分别为常规先结合预应力试验梁和后结合预应力试验梁,待混凝土达到其强度后开始预应力张拉,在张拉过程中,通过正弦式应变计监控跨中混凝土板与钢梁应力的变化情况。
预应力张拉采用对称、多次张拉的方法,保证预应力均匀的施加于混凝土板。
其张拉端预应力钢束编号如图4.2.2所示,一共有5组钢束,每组钢束有预应力束,其中①、③、⑤组每根钢束最终张拉力为100kN,②、④组每根钢束最终张拉力为105kN。
图3.2预应力钢束编号
其中N-2试验梁预应力张拉顺序如表3.3所示,N-2试验梁总共进行了14次预应力张拉。
表3.3N-2试验梁预应力张拉(单位:
kN)
①
②
③
④
⑤
第1次
80
第2次
第3次
100
第4次
第5次
第6次
第7次
第8次
第9次
第10次
105
第11次
第12次
第13次
第14次
由于N-3试验梁混凝土板中有群钉孔洞,削弱了在预应力张拉阶段混凝土板的承载力,因此N-3试验梁总共进行了24次预应力张拉,如表3.4所示。
表3.4N-3试验梁预应力张拉(单位:
35
70
67
第15次
第16次
第17次
第18次
第19次
第20次
第21次
第22次
第23次
图3.3试验梁预应力张拉端
预应力试验梁的张拉端如图3.3所示,从左到右一共5组钢束,采用扁锚对其进行固定。
(1)N-2试验梁
N-2试验梁的应变计均布置与试验梁中支座处,其横截面布置如图4.2.4所示。
图3.4N-2试验梁应变计布置图
表3.5为预应力张拉完成后钢梁与混凝土板的应变,根据应变计测得的数据可以看出,施加于混凝土的预应力有一部分通过剪力连接键传递给钢梁,导致混凝土板应力较小均为2MPa以内,而钢梁顶板与腹板靠近钢梁部分产生压应力,钢梁底板与腹板靠近底板部分产生拉应力。
表3.5N-2试验梁预应力张拉阶段应变
混凝土板
钢梁
编号
5
6
7
8
9
10
-29
-25
-47
-20
-46
-11
22
31
(MPa)
-1.04
-0.9
-1.69
-0.72
-9.66
-2.31
1.47
4.62
6.51
(2)N-3试验梁
N-3试验梁的应变计布置应变计均布置与试验梁中支座处,在群钉灌浆孔处未设置应变计,其横截面布置如图4.2.5所示。
图3.5N-3试验梁应变计布置图
图3.5为预应力张拉完成后钢梁与混凝土板的应变,根据应变计测得的数据可以看出,由于钢梁与混凝土板之间没有通过剪力连接键实现连接,故混凝土板中的应力明显大于N-2梁中混凝土板的应力,基本为5~6MPa。
但由于混凝土与钢梁之间存在摩擦力,因而可以看出仍然有一部分预应力传递给了钢梁,导致钢梁顶板与腹板靠近顶板部分出现压应力,钢梁底板与腹板靠近底板部分出现拉应力,但其数值大大小于N-2梁中钢梁应力。
表3.6N-3试验梁预应力张拉阶段应变
编号
-170
-159
-162
-13
-9
-6.12
-5.724
-5.832
-2.73
-1.89
0.21
0.42
通过对比预应力张拉阶段N-2与N-3梁在预应力张拉阶段的数据,可以看出经过预应力张拉之后,N-3试验梁中混凝土板储备的压应力明显高于N-2试验梁,更有利于组合梁的整体受力。
待预应力施加完成后,对N-3试验梁群钉灌浆孔浇筑微膨胀高强砂浆,实现混凝土板与钢梁结构的连结。
3.2.2破坏过程
图3.7裂缝混凝土桥面板分区图
如图3.7所示,为了方便标识裂缝的位置以及其发展趋势,将混凝土板做分区处理。
其中,横向一格代表10cm,板厚表示混凝土板侧向厚度方向,其宽度也为10cm,纵向一格代表15cm。
(1)N-1试验梁
N-1试验梁在试验加载过程中,在中支座处附近负弯矩区混凝土板首先出现裂缝,随着荷载的增加,裂缝逐渐向边支座扩展,且裂缝宽度不断增加。
负弯矩区混凝土开始退出工作,钢筋在混凝土板退出工作以后替代混凝土板承担拉应力,在钢筋屈服后,钢梁腹板及底板开始大面积屈服,当试验荷载达到1600kN时,组合连续梁的跨中荷载位移曲线已经表现出了明显的非线性特征,预示着结构已经接近或者到达了承载能力极限状态。
(a)裂缝分布图(b)裂缝最大宽度
图3.8第一条裂缝发展情况
试验梁在正式加载以后,当试验荷载达到100kN时,中支点负弯矩区混凝土板出现细微裂缝,裂缝条数共1根,最大裂缝宽度约为0.05mm。
图3.9300kN时混凝土板的裂缝发展情况
如图3.9所示,当荷载继续增大到300kN时,负弯矩区混凝土板已经出现了一定数量的裂缝,主要集中在中支点左右一倍梁高的范围内,裂缝走向基本为横桥向,表明混凝土板主要为受拉开裂。
裂缝中已经有一条横向贯穿整个混凝土板的裂缝,其位置位于横向中心线15cm处,该裂缝宽度如为0.21mm,为这一荷载等级下最宽的裂缝。
当荷载增加到260kN时,出现宽度为0.2mm的裂缝。
(a)裂缝分布图(b)裂缝最大宽度
图3.10600kN时混凝土板的裂缝发展情况
如图3.10所示为荷载为600kN时负弯矩区混凝土板裂缝分布图,裂缝区域扩大到距离中支点左右2倍梁高的区域,并且原有的裂缝在横向有所发展,且出现了新的横向裂缝,横向贯穿裂缝也较之于前一荷载阶段多。
在这一荷载等级下,裂缝的最大宽度为0.27mm,这条裂缝即为140kN时已经产生的横向贯通裂缝。
图3.11900kN时混凝土板的裂缝发展情况
如图3.11所示为900kN时试验梁负弯矩区混凝土板顶面裂缝分布图,900kN时裂缝的分布相比600kN时在区域上有了较为明显地扩大且更为密集,裂缝区域的边缘已经沿伸至距离中支点3倍梁高的地方。
原有裂缝继续向两侧沿伸,在中支点一倍梁高范围内有多根裂缝发展成为横向贯通裂缝。
此荷载等级下裂缝最大宽度为0.31mm。
(a)裂缝分布图(b)裂缝最大宽度
图3.121200kN时混凝土板的裂缝发展情况
如图3.12所示为1200kN时负弯矩区混凝土板顶面的裂缝分布图。
在这一荷载等级下,裂缝区域进一步扩大,中支点左右2倍梁高范围内开始出现数条贯通裂缝,中支点左右2倍梁高范围内以贯通裂缝为主,且裂缝宽度较900kN增加较大,在这一荷载等级下,裂缝的最大宽度为0.59mm,如图(b)所示。
(a)裂缝分布图(b)裂缝最大宽度
图3.131500kN时混凝土板的裂缝发展情况
试验荷载到达1500kN时,负弯矩区混凝土板顶面的裂缝分布如图3.13所示。
从1200kN到1500kN这一阶段,新增裂缝较少,原有的裂缝宽度开始迅速增大,中支点处裂缝最大宽度达到1.37mm,肉眼清晰可见。
试验梁的挠度变形增加较快,中支点处钢梁出现大面积屈服。
在试验荷载达到1950kN时,试验梁变形继续增大,肉眼清晰可见,此时已无新裂缝出现,中支点处裂缝迅速增大,最宽裂缝超过3mm。
图3.14混凝土板总体变形及最大裂缝
(2)N-2试验梁
N-2试验梁为常规预应力试验梁。
与N-1试验梁相似,在试验加载过程中,在中支座处附近负弯矩区混凝土板首先出现裂缝,随着荷载的增加,裂缝逐渐向边支座扩展,且裂缝宽度不断增加。
图3.15第一条裂缝发展情况
试验梁在正式加载以后,当试验荷载达到375kN时,中支点负弯矩区混凝土板出现细微裂缝,裂缝条数共1根,最大裂缝宽度约为0.06mm。
图3.16600kN时混凝土板的裂缝发展情况
如图3.16所示为荷载为600kN时负弯矩区混凝土板裂缝分布图。
裂缝区域由中支点扩展到距离中支点左右1倍梁高的区域,并且在距中支点左侧25cm处出现了一条贯通裂缝,其裂缝宽度为0.09mm。
图3.17900kN时混凝土板的裂缝发展情况
如图3.17所示为900kN时试验梁负弯矩区混凝土板顶面裂缝分布图,900kN时裂缝的分布相比600kN时在区域上有了较为明显地扩大且更为密集,裂缝区域的边缘已经沿伸至距离中支点左右1.5~2.0倍梁高处。
原有裂缝发展成为横向贯通裂缝,并且有大量的新增贯穿裂缝出现。
在中支点一倍梁高范围内有多根裂缝发展成为横向贯通裂缝。
当荷载达到780kN和900kN荷载等级下裂缝最大宽度分别为0.2mm、0.27mm。
图3.181200kN时混凝土板的裂缝发展情况
如图3.18所示为1200kN时负弯矩区混凝土板顶面的裂缝分布图。
在这一荷载等级下,裂缝区域进一步扩大到中支点左右3倍梁高处,中支点左右2倍梁高范围内以贯通裂缝为主,且裂缝比上一阶段更为密集,裂缝宽度有所增加。
在这一荷载等级下,裂缝的最大宽度为0.34mm,如图3.18(b)所示。
图3.191500kN时混凝土板的裂缝发展情况
试验荷载到达1500kN时负弯矩区混凝土板顶面的裂缝分布如图3.19所示。
从1200kN到1500kN这一阶段,原有裂缝宽度增加较为迅速,由于原有裂缝宽度增加导致的卸载作用,新增裂缝数较少。
中支点处裂缝最大宽度达到0.46mm。
图3.201800kN时混凝土板的裂缝发展情况
试验荷载到达1800kN时负弯矩区混凝土板顶面的裂缝分布如图3.20所示。
从1500kN到1800kN这一阶段,新增裂缝较少,在原有裂缝基础上出现短裂缝,中支点处裂缝最大宽度达到0.46mm,该裂缝为首次出现的贯通裂缝。
同时,在1700kN开始,试验梁跨中挠度变形开始迅速增加,中支点处钢梁顶底板开始出现大面积屈服。
在试验荷载达到1950kN时,试验梁变形继续增大,肉眼可见,此时已无新裂缝出现,中支点处裂缝迅速增大,最宽裂缝达到0.75mm。
图3.21混凝土板试验梁总体变形及最大裂缝
(3)N-3试验梁
N-3试验梁为后结合预应力试验梁。
在试验加载过程中,裂缝首先出现在中支座处砂浆孔的边角处,随着荷载的增加,各个砂浆孔的四角都开始出现向外发散的裂缝。
随着荷载的增加,裂缝产生的区域不断扩大,且裂缝宽度也不断增加,组合连续梁的跨中荷载位移曲线已经表现出了明显的非线性特征,预示着结构已经接近或者到达了承载能力极限状态。
图3.22第一条裂缝发展情况
试验梁在正式加载以后,当试验荷载达到387kN时,中支点负弯矩区混凝土板出现细微裂缝,裂缝条数共1根,最大裂缝宽度约为0.04mm。
(a)裂缝分布图(b)裂缝最
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