波纹腹板钢−混组合箱梁抗震性能研究

蒋丽忠，钟天璇，谭志化，周旺保，许添鑫，吴凌旭

波纹腹板钢−混组合箱梁抗震性能研究

蒋丽忠1, 2，钟天璇1, 2，谭志化3，周旺保1, 2，许添鑫1, 2，吴凌旭1, 2

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2. 高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 410075；3. 深圳地铁建设集团有限公司，广东 深圳 518000)

对3榀不同剪力连接度的波纹腹板钢−混凝土组合箱梁进行竖向低周反复荷载作用下的力学性能试验研究，重点对组合箱梁的破坏形式、滞回曲线、骨架曲线、延性、耗能能力、刚度退化规律等抗震性能进行试验分析。研究结果表明：在低周反复荷载作用下，波纹腹板钢−混凝土组合箱梁主要有弯曲破坏和弯剪破坏2种破坏形式；荷载−位移滞回环较为饱满，无明显捏缩现象，具有较好的抗震性能；骨架曲线可分为近似弹性、弹塑性和破坏3个阶段；随着剪力连接度的增大，极限位移、破坏位移显著增大，试件耗能能力显著增加，适当增加波纹腹板钢-混凝土组合箱梁的剪力连接度，可有效提高其耗能能力；具有较好的延性，有利于震后的正常使用和修复；由于损失积累，使得正向耗能能力高于反向耗能能力；刚度退化前期受参数影响较为敏感，后期退化规律趋于平缓。

波纹腹板；抗震性能；试验研究；剪力连接度；延性

波纹腹板钢−混凝土组合箱梁(以下简称波纹腹板钢−混组合梁)是将传统箱梁的腹板换为较薄的、带波纹褶皱的钢腹板[1]，这种改变可有效利用混凝土顶板抗压性能和波纹腹板抗剪稳定性能[2]。由于特殊的波纹状腹板结构，使构件的失稳模式和机理都与传统钢梁有所不同，其在低周往复荷载作用下会产生畸变屈曲的破坏形式[3]。因而对波纹腹板钢−混组合梁在低周往复荷载作用下受力性能的研究显得尤为重要。Taplin等[4−5]对普通钢−混组合梁进行反复荷载作用下的抗震性能试验研究，重点研究了其滞回性能及剪力传递性能等。Moon等[6]研究得出波纹腹板H型钢截面剪切中心和翘曲常数的求解方法，并对计算方法进行了有限元验证。Elgaaly 等[7]对多根波纹腹板钢−混组合梁的破坏形式进行实验研究，同时基于波纹褶皱的局部屈曲或腹板的整体屈曲2种形式提出了屈曲计算公式。Leblouba 等[8]为研究梯形波纹腹板的剪切效应，进行了一系列荷载试验，结果证实了3种剪切破坏形式的存在。聂建国等[9−10]进行低周反复荷载作用下的钢−混叠合板组合梁的力学性能研究，建立了其恢复力模型和滞回模型。薛伟辰等[11]对5根预应力钢−混组合梁进行低周反复荷载试验，对其抗震性能进行了较为系统的研究。牟开[12]利用Midas/Civil对波纹腹板钢−混连续钢构桥进行实体建模，研究其动力特性。李祖硕[13]对波纹腹板连续组合箱梁进行静载试验，研究结果表明：波纹腹板连续组合梁存在边跨变形滞后效应，组合梁各截面应变符合“拟平截面假定”。张紫辰等[14]针对腹板褶皱效应对力学特性的影响问题，采用模型试验和数值模拟方法进行研究，结果表明褶皱效应对下翼板应力影响最大。刘强等[15]对波纹腹板连续箱梁在弹性阶段的剪力滞效应进行理论分析与试验研究，研究成果可为波形钢腹板组合梁桥的剪力滞系数的计算提供参考。现有关于组合梁抗震性能的研究主要集中于普通钢−混组合梁，关于波纹腹板钢−混组合梁抗震性能方面的研究尚不多见。本文针对不同剪力连接度的3榀波纹腹板钢−混组合梁开展抗震性能试验研究，分析低周往复荷载作用下波纹腹板钢−混组合梁破坏形式、荷载−挠度变化规律、荷载−应变分布规律、延性、耗能能力、变形恢复性能等抗震性能，为波纹腹板钢−混组合梁在实际工程中的应用提供试验参考。

1 试件概述

表1 试件参数

波纹腹板钢−混组合梁的横截面图见图1，纵向剖面图见图2，波纹钢腹板尺寸见图3。

图1 波纹腹板钢−混组合梁横截面图

试件中栓钉、钢梁上翼缘、波纹腹板和钢底板由专业人员进行焊接加工。混凝土采用C30商品混凝土进行一次性完全浇筑，根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2016)[16]的要求，在浇筑试件构件的同时，分别制作3组标准的立方体抗压试块和棱柱体试块，在同等养护条件下养护28 d后进行材料试验。实测混凝土弹性模量c为3.06×104MPa；混凝土轴心抗压强度c为20.1 MPa；混凝土轴心抗拉强度t为2.01 MPa；混凝土立方体抗压强度cu为30.6 MPa。钢板抗拉强度由标准试件的拉伸试验确定，钢材材性试验结果如表2所示。

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表2 钢材材性试验结果

1.1 试验装置

拟静力试验加载装置示意图及实物图如图4及图5所示。首先，采用钢梁和锚杆在混凝土墩上固定试件的两端，然后将锚杆固定于实验室地槽处。最后，在组合梁试件的1/3和2/3处放置分配梁进行2点集中加载，分配梁上采用锚杆与1 000 kN的MTS电液伺服作动器进行连接，进行竖向低周往复加载。

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1.2 加载制度及测试内容

根据《建筑抗震试验方法规程》(JGJ/T101—2015)[17]，采用力−位移混合控制加载方法对组合梁进行低周往复加载。正式加载前，以25%的混凝土开裂荷载对组合梁试件进行预加载1次，检查加载装置和数据采集装置的工作是否正常，消除试件安装过程的安装间隙；正式加载后按图6所示的加载制度进行加载；当采用力控制时，荷载循环1次；当采用位移控制时前3级循环3次，之后循环2次，直至荷载下降至极限荷载的85%左右或试件破坏时，结束试验。

图5 拟静力试验加载装置实物图

为研究波纹腹板钢−混组合梁的荷载−位移曲线，在混凝土和钢梁的支座处、1/4位置处以及1/2位置处布置激光位移计，详图见图7，荷载数据为MTS读数。

为研究波纹腹板钢−混组合梁的应变分布规律，在混凝土板和钢梁的支座处、1/4位置处布置应变片，钢筋应变片布置于5根纵向钢筋的跨中位置，其他应变片的布置位置见图8。

图6 加载制度

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2 试件破坏模式

CSWCB1试件在前期加载过程中，试件基本处于弹性阶段，无裂缝产生；随着不断加载，支座附近混凝土板开始产生裂缝；当荷载达到400 kN左右时，试件出现脆响，加载点处的混凝土板和钢梁产生纵向滑移；当试件跨中位移达到20 mm左右时，梁端横向裂缝增大，出现明显的纵向滑移，混凝土开始剥落；当试件跨中位移达到−32.6 mm左右时，梁端的混凝土掉落，栓钉裸露，且可以看到栓钉逐渐被剪断，加载点处混凝土板底部出现横向裂缝。最终，梁端栓钉被剪断，加载点出混凝土板底部劈裂破坏，如图9所示。

CSWCB2试件在前期加载现象与CSWCB1相似；当荷载达到440 kN左右时，试件出现脆响，加载点处的混凝土板和钢梁产生纵向滑移；当荷载达到−380 kN左右时，梁端横向裂缝不断增大，出现明显的纵向滑移；当试件跨中位移达到41.5 mm左右时，加载点处混凝土板被压碎，构件破坏，如图10所示。

图9 CSWCB1破坏形态

图10 CSWCB2破坏形态

CSWCB3试件加载前期现象与CSWCB1试件基本吻合，但随着荷载增大，两者试验现象开始有所区别；CSWCB3试件中混凝土板和钢梁基本共同工作，无纵向滑移产生；当试件跨中位移达到40 mm左右时弯剪段的纵向裂缝开始贯通整个截面；当试件跨中位移增大到57 mm左右时，加载点处混凝土板被压碎破坏，梁端混凝土出现较大的竖向斜裂缝，试件破坏，如图11所示。

图11 CSWCB3破坏形态

综上可知，剪力连接度对波纹腹板钢−混组合梁的承载能力有较为显著的影响，适当增大剪力连接度能够有效提高试件的承载能力，同时能提高混凝土板与钢梁的协同工作性能，使构件破环形式由纵向剪切破坏转变为弯曲破坏。

3 试验结果分析

3.1 荷载−挠度滞回曲线

试件的挠度为跨中实测位移扣除支座沉降，组合梁的荷载−挠度滞回曲线见图12。

(a) 组合梁CSWCB1；(b) 组合梁CSWCB2；(c) 组合梁CSWCB3

从图12可看出，试件的破坏过程可以分为3个阶段。

1) 近弹性阶段，波纹腹板钢−混组合梁试件加载至屈服荷载之前，荷载–挠度曲线基本成线性关系，试件整体挠度较小，卸载后基本不会产生残余变形。

2) 弹塑性阶段，从波纹腹板钢−混组合梁试件屈服之后至极限荷载之前，跨中挠度值随荷载的增加逐渐增大，荷载−挠度曲线开始呈曲线形状，且其滞回环比较饱满，没有明显捏缩现象，试件的抗弯刚度开始退化，其卸载后产生较大的残余变形。

3) 破坏阶段，当荷载到达极限荷载后，波纹腹板钢−混组合梁跨中位移急剧增大，但荷载开始呈下降趋势，其卸载后产生的残余变形越来越大。荷载−位移曲线无近似平台段，说明当钢梁和钢筋都达到屈服后，由于波纹腹板轴向刚度较小，导致承载力急剧下降。3榀波纹腹板钢−混组合梁试件的反向承载力下降速度均高于正向承载力下降速度，说明组合梁正向变形能力强于反向变形能力。

3.2 延性

如图13所示，波纹腹板钢−混组合梁试件的–曲线没有明显屈服点，采用几何作图法来确定其屈服荷载和屈服位移。

图13 屈服点判定法

首先，过原点作–曲线的切线与过–曲线峰值点的水平线交于点；然后过点作轴的垂线与–曲线交于点；再作原点和点的延长线交直线于点；最后，过点作垂线与–曲线交于点，该交点即为波纹腹板钢−混组合梁试件的屈服点，3榀波纹腹板钢−混组合梁试件延性试验结果见表3。

表3 波纹腹板钢−混组合梁延性

由表3可得，在往复荷载作用下，试件梁的正向破坏延性比系数为2.89～4.19，负向破坏延性比系数为1.80～2.86，正向极限延性比系数为2.14～3.30，负向极限延性比系数为1.44～1.98。表明波纹腹板钢–混凝土简支组合梁的具有较好延性性能、正向变形性能明显优于负向变形性能、正向变形性能随剪力连接度的增大显著增大，负向变形性能随剪力连接度的增大无明显变化规律，归其原因为负向荷载作用下，随着剪力连接度的增大，混凝土板更易发生纵向及横向裂缝。

3.3 结构耗能能力

结构的荷载−挠度滞回曲线能较清晰的反应出结构的耗能能力，滞回环的面积可反映结构耗能能力的大小，耗能能力越大，结构对地震能量的吸收能力也越好。3榀波纹腹板钢−混组合梁试件的耗能与位移关系曲线如图14所示。

由图14可知，在试件梁未屈服前，滞回曲线的包络面积较小，说明结构的正向和负向的耗能较小；在构件发生弹塑性变形后，钢梁和钢筋发生不可恢复变形，随着位移的增大，试件耗能能力也随之增大；由混凝土板的损伤效应，试件的负向耗能能力显著弱于正向耗能能力；随着剪力连接度的增大，试件耗能能力显著增加，适当增加波纹腹板钢−混组合梁的剪力连接度，可有效提高其耗能能力。

图14 耗能与位移关系

3.4 刚度退化规律

波纹腹板钢−混组合梁试件在低周往复荷载作用下，试件塑性位移随循环次数的增加而增大，刚度随塑性位移的增大发生显著退化，3榀波纹腹板钢−混组合梁试件在低周往复荷载作用下的刚度退化规律如图15所示，图中为试件割线刚度。

图15 刚度退化规律

由图15可看出：

1) 波纹腹板钢–混组合梁试件屈服后，混凝土开裂、钢梁和钢筋屈服后产生不可恢复的变形以及混凝土板和钢梁出现纵向滑移，随着加载位移的不断增大，波纹腹板钢−混组合梁的正负向的刚度均逐渐减小；当试件荷载开始下降后，刚度退化趋势也趋于平缓状态。

2) 波纹腹板钢–混组合梁的刚度大小受剪力连接度的影响较大，但其刚度退化趋势受剪力连接度影响较小，3榀组合梁的退化趋势几乎相同。

4 结论

1) 波纹腹板钢−混组合梁具有较好的耗能能力，低周反复荷载作用下，荷载−挠度滞回曲线接近于梭形，滞回环较为饱满，无明显的捏缩现象，构件进入弹塑性阶段之后，耗能能力与位移基本呈线性增长关系。

2) 波纹腹板钢–混组合梁骨架曲线明显分为3个阶段，分别是近似弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段，构件在低周往复荷载作用下主要有弯曲破坏和弯剪破坏2种破坏形式。

3) 波纹腹板钢–混组合梁的延性性能较好，具有良好的变形能力，且波纹腹板钢−混组合梁的极限位移、破坏位移均随剪力连接度的增大显著增大。

4) 试件的负向耗能能力显著弱于正向耗能能力；随着剪力连接度的增大，试件耗能能力显著增加，适当增加波纹腹板钢−混组合梁的剪力连接度，可有效提高其耗能能力。

5) 加载初期组合梁刚度退化速率较大，进入破坏阶段后，随着混凝土板的开裂和栓钉的剪断，组合梁试件的抗弯刚度显著退化并最终趋于平缓。

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Study on seismic performance of steel-concrete composite box girder with corrugated web

JIANG Lizhong1, 2, ZHONG Tianxuan1, 2, TAN Zhihua3, ZHOU Wangbao1, 2, XU Tianxin1, 2, WU Lingxu1, 2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Central South University, Changsha 410075, China;3. Shenzhen Metro Construction Group Limited Company, Shenzhen 51800, China)

The mechanical properties of 3 trusses of corrugated webs steel-concrete composite box girders with different shear connections were tested under vertical low cyclic loading. The seismic properties of the composite box girders, including failure mode, hysteresis curve, skeleton curve, ductility, energy dissipation capacity and stiffness degradation, were analyzed. The results show that the corrugated web steel-concrete composite box girder under low cyclic loading has two failure modes: Bending failure and bending shear failure. The load-displacement hysteresis loop is full, without obvious shrinkage, and has good seismic performance. The skeleton curve can be divided into three stages: Approximate elasticity, elastic-plastic and failure. With the increase of shear connection degree, the ultimate displacement and failure displacement increase significantly, and the energy dissipation capacity of the specimen increases significantly. If the shear connection degree of corrugated web steel-concrete composite box girder is appropriately increased, the energy dissipation capacity can be effectively improved.The better ductility is beneficial to the normal use and repair after the earthquake. Due to the accumulation of loss, the forward energy dissipation capacity is higher than the reverse energy dissipation capacity. Stiffness degradation is sensitive to the influence of parameters in the early stage, and the degradation tends to be gentle in the late stage.

corrugated web;seismic behavior;experimental investigation; shear connection degree;ductility

TU389.9

A

1672 − 7029(2021)03 − 0555 − 09

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20200902

2020−09−24

国家自然科学基金联合基金资助项目(51778630，52078487，U1934207)；湖南创新型省份建设专项经费资助项目(2019RS3009)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(502501006)

周旺保(1982−)，男，湖南岳阳人，副教授，博士，从事结构工程研究：E−mail：zhouwangbao@163.com

(编辑 蒋学东)