盐冻循环后钢-混组合梁剩余抗弯承载力试验研究

Experimental study on the residual flexural bearing capacity of steel-concrete composite beams after salt freezing cycle

摘要

通过对盐冻循环作用后两根钢-混组合简支梁进行抗弯性能试验，研究了冻融循环和氯盐腐蚀对钢-混组合梁抗弯承载力的影响。试验结果表明，冻融腐蚀作用会导致混凝土表面磨损剥落、钢梁锈蚀，严重影响组合梁的力学性能。在经过50次盐冻循环后，组合梁的抗弯承载力呈现下降趋势，较未冻融腐蚀的组合梁极限抗弯承载力下降14.4%。因此，对于寒冷地区的钢-混组合梁设计和施工，需要考虑冻融腐蚀的影响，并采取合适的防护措施，以保证梁的长期稳定运行。

Abstract

This study simulates the environmental situation of the composite beam structure using snow melting agent in winter in the cold region of the north by performing a combination test of freeze-thaw cycle and chloride salt erosion on steel-mixed composite beams. The test results show that freeze-thaw corrosion will lead to wear and spalling of the concrete surface and corrosion of the steel beams, which will seriously affect the mechanical properties of the composite beams. Under 50 times freeze-thaw cycles, the bending bearing capacity of the composite beams shows a downward trend, which is 14.4% lower than the ultimate flexural capacity of the composite beams without freeze-thaw corrosion. Therefore, for the design and construction of steel-concrete composite beams in cold areas, the impact of freeze-thaw corrosion needs to be considered, and appropriate protective measures need to be taken to ensure the long-term stable operation of the beam.

Graphical abstract

关键词

盐冻循环 / 钢-混组合梁 / 抗弯承载力

Key words

salt freezing cycle / steel-concrete composite beam / flexural bearing capacity

钢-混组合结构由于其施工便利、装配化程度高和承载能力高等优点在建筑和路桥行业得到广泛的应用和推广。如图1所示，上海中心大厦和港珠澳大桥均采用了此种结构。在北方冬季寒冷的环境中，由于混凝土板开裂和钢-混结合界面出现缝隙等，道路融雪剂中的侵蚀介质侵入其中，从而引起栓钉锈蚀，进一步劣化界面焊钉的抗剪连接作用，使得组合梁的承载力降低；而且在冻融作用的影响下，劣化效应更加严重，导致组合桥梁结构的耐久性和安全性存在很大的风险。如图2所示，高原寒冷地区桥梁下部冻融腐蚀破坏严重。而目前对于钢-混组合梁在特殊环境作用下的研究成果较少。

Sun等^[1]发现在冻融循环与施加荷载双重破坏下，混凝土劣化过程与损伤过程更加剧烈。Qiao等^[2]研究表明混凝土损伤主要发生在冻融循环阶段内。李妍等^[3]对不同条件下RC梁试件开裂弯矩、极限弯矩等方面的退化规律进行研究，大量试验表明受弯承载力随冻融次数增加而降低，且二者呈近似线性关系。Yang等^[4]对RC梁盐冻循环后进行四点疲劳加载，结果表明随着荷载循环次数增加，水冻对疲劳破坏的加速作用逐渐减弱，而盐冻的加速作用更加明显。逯静洲等^[5]采用微宏观结合的方法研究疲劳-冻融耦合作用下混凝土动态性能的劣化规律和损伤机理，试验结果表明：相比混凝土仅受冻融循环单一作用，疲劳荷载对混凝土的抗冻性有显著劣化作用，受耦合作用后的混凝土具有明显的应变率效应。关虓等^[6]提出分层模型来计算冻融后RC梁受弯承载力，即将试件受压区从外到内分为酥松剥落层、冻融损伤层和未损伤层，而受拉区认为只由钢筋承担应力。陆春华等^[7]综合考虑冻融损伤作用对抗压强度退化的影响和对混凝土受压区等效矩形应力图系数的影响，提出适筋梁正截面受弯承载力计算模型。张海鹏等^[8]对栓钉锈蚀组合梁进行疲劳试验，试验结果表明：栓钉锈蚀率的增加使组合梁疲劳寿命下降，同样疲劳次数下，锈蚀梁的挠度更大；滑移刚度的退化会随着栓钉锈蚀率的增加而加剧，但弯曲刚度的退化与栓钉的锈蚀率无明显关系。曹国辉等^[9]为探究腐蚀与荷载耦合作用下钢-混组合梁长期变形规律，进行了腐蚀与荷载耦合作用长期性能试验。研究结果表明：在腐蚀与荷载耦合作用下，组合梁的界面相对滑移及长期挠度随栓钉锈蚀率增长而变大，长期挠度增长与混凝土徐变发展规律类似。刘新华等^[10]研究结果表明钢-混组合梁负弯矩区采用UHPC能明显提高负弯矩区的开裂性能。邵旭东等^[11]提出新型钢-混组合梁桥负弯矩区超高性能混凝土接缝方案，并指出UHPC接缝宽度较普通混凝土小。Fan等^[12]的试验结果表明在负弯矩作用下，钢-混组合梁桥面板中采用含纤维的高性能混凝土，具有更好的抗裂和应变硬化特性。许波等^[13]通过试验和理论研究给出栓钉锈蚀后钢-混组合梁抗弯承载力简化计算方法。Kuang等^[14]研究了焊钉腐蚀对钢-混组合梁正弯矩区抗弯承载力的影响，试验结果表明焊钉锈蚀后其有效截面面积、材料强度、抗剪承载力降低是导致组合梁刚度和抗弯承载力降低的主要原因。Yang等^[4]对盐冻循环后混凝土梁的疲劳寿命进行试验研究，研究结果表明盐冻循环作用后试验梁的疲劳寿命降低50%以上。Xu等^[15-16]分别对未冻融和盐冻循环后的钢-混组合梁和钢-UHPC组合梁在负弯矩作用下的抗弯承载力进行了试验研究，结果表明UHPC替代普通混凝土可以显著提高钢-混组合梁负弯矩区的开裂荷载和抗弯刚度；而盐冻循环作用后钢-混组合梁负弯矩区的开裂荷载和抗弯刚度降低明显，其中普通混凝土比UHPC组合梁降低更加明显。Yin等^[17]研究结果表明盐冻融循环和疲劳载荷双重应力作用下预损伤钢筋混凝土梁的抗弯强度显著降低。

本文以内蒙古特殊盐冻环境下钢-混组合梁抗弯性能为研究内容，通过在实验室环境下模拟冻融腐蚀循环作用，对试验梁SCB-1（未盐冻）和SCB-2（50次盐冻循环）分别进行组合梁抗弯承载力加载试验，探究其在盐冻循环后的剩余抗弯承载力变化规律，以便定性分析钢-混组合梁冻融腐蚀作用下的承载力变化。

1 试验概况

试验制作了两根钢-混组合梁，分别为SCB-1和SCB-2，均为部分抗剪连接，抗剪连接程度为0.37，试件参数如表1所示。钢梁长2 000 mm，计算跨径L=1 800 mm，采用Q235级H型钢，上下翼缘宽125 mm，厚9 mm，腹板高107 mm，厚度为6.5 mm，在支座支撑处设置8 mm厚加劲肋。

混凝土板采用C40商品混凝土，具体混凝土配合比见表2。混凝土翼板宽300 mm，高100 mm，混凝土板内纵向钢筋采用4根直径8 mm的HPB400钢筋，箍筋采用同类钢筋。栓钉采用均匀布置方式，纵向间距为100 mm，栓钉规格为Ф16 mm×70 mm，几何尺寸及构造如图3所示。

根据目前工程设计要求，抗剪连接程度计算方法参考我国钢结构设计标准，其中栓钉的抗剪承载力按照栓钉抗剪承载力计算公式进行计算。因此，剪跨区内完全抗剪连接需要的栓钉连接件数量为：

n_{\mathrm{f}}=V_{\mathrm{s}}/N_{\mathrm{v}}^{\mathrm{c}}(1)

式中：V_s为混凝土板全截面达到极限抗压承载力和钢梁全截面屈服承载力的较小值，算得n_{\mathrm{f}}=\mathrm{19}个。据此设计栓钉抗剪连接件布置方案：栓钉的抗剪连接程度为0.37，剪跨区内均匀布置栓钉7个,为部分抗剪连接。

组合梁的抗剪连接程度r计算公式如下：

r=n/n_{\mathrm{f}}(2)

式中：n为剪跨内实际布置栓钉抗剪连接件个数；n_f为保证桥面板或钢梁进入全截面塑性的栓钉抗剪连接件个数。当1时，称为部分剪力连接；当r\ge \mathrm{1}时，称为完全剪力连接。

本试验参考《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)^[18]要求，保留3块尺寸为150 mm×150 mm×150 mm的同条件混凝土立方体试块，在相同环境条件下养护28 d，用以测试混凝土材料性能，28 d后实测混凝土抗压强度为46 MPa。

2 试验方案

2.1 盐冻试验方案

冻融试验采用盐水为冻融介质，试验参数根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082—2009)，具体操作步骤如下：

1) 进行冻融循环试验前，组合梁试件及试验槽均放置于环境模拟试验室内，试验溶液采用质量分数为3.5%的NaCl溶液，如图4(a)所示。

2) 冻融循环过程中，将组合梁试件倒置放入试验槽内，保持盐溶液高度至少超过混凝土表面2~3 cm，直至冻融循环次数至50次结束，如图4(b)所示。

3) 为模拟本地实际自然冻融环境，试件中心最低和最高温度分别控制在(-12±2) ℃和(5±2) ℃内，1次冻融循环时间为14 h，其中降温2 h，维持低温8 h，升温1 h，维持高温3 h。

4) 试验完成后，将组合梁试件取出，进行外观检测和抗弯承载力试验。

2.2 静力加载方案

静力加载试验时，采用四点加载的方式，加载点处钢梁设置加劲肋，同时将组合梁调整水平。进行试验前，首先对组合梁进行15~20 kN的预压，持续2 min，目的是消除各部分之间的间隙，并测试仪器是否正常；预压结束后，卸载平衡清零后重新启动采集系统记录数据。当正式加载开始，初期按照每2 min加载5 kN的级差进行逐级加载，当在组合梁钢梁接近屈服时，调整加载方式为位移加载，加载速度为0.5 mm/min，以便准确测定试件的极限荷载。在荷载加载的同时，观测混凝土翼板下表面与钢梁黏结处、混凝土跨中截面处、混凝土侧翼缘截面处的开裂裂缝，测试开裂荷载大小。

组合梁加载现场、测点分布如图5所示，在两端支座和跨中分别布置位移计进行挠度测量。为避免支座位移产生的误差，对跨中位移进行计算处理：

W_{\mathrm{a}}=W_{\mathrm{s}}-\left(W_r-W_l\right)/\mathrm{2}(3)

式中：W_a为实际位移；W_s为跨中位移；W_r为右支座位移；W_l为左支座位移。

2.3 试验前准备

组合梁试件冻融循环50次结束后，进行加载试验的准备工作，主要包括以下几个方面：

1) 钢梁除锈。为保障试验数据的准确性，应变片贴合更紧密，钢梁进行打磨除锈，如图6(a)所示。

2) 涂抹腻子粉。将腻子粉均匀涂抹于混凝土板表面，待其阴干后，选用墨斗在腻子表面间隔5 cm弹线，形成网格状，如图6(b)所示。

3) 打磨测试点位置。鉴于试件冻融后，混凝土板表面产生剥落，为满足应变片粘贴要求，标定组合梁跨中截面位置，利用角磨机将混凝土板打磨至平整。

4) 粘贴应变片。利用酒精对测点表面清洁平整光滑，注意粘贴时按住，不要移动应变片，检查有无气泡、翘曲、脱胶等现象，若有则重新粘贴，如图6(c)所示。

3 试验结果与分析

3.1 盐冻损伤表观形态

如图7所示，冻融循环前，组合梁的表观形态光滑，没有明显裂缝和变形。然而，在经历50次盐冻循环作用之后，组合梁表观形态发生明显变化。其混凝土表面出现多条微小裂缝，形成散乱的网状图案，呈现多处小的凸起和凹陷，并伴随有部分块状、片状物脱落，促使混凝土易碎、疏松不密实，对比未冻融组合梁整体颜色变浅变暗。同时，钢梁表面附着大量黄色锈斑形成的不规则区域，表观颜色更红。

3.2 破坏过程及破坏模式

未冻融组合梁SCB-1：在试验开始初期，试件中混凝土翼板和钢梁之间表现出良好的组合作用。当荷载达到165 kN时，出现了细小的裂缝，最初是在分配梁处混凝土板下表面，随着荷载的增加，这些裂缝逐渐扩展加深。当荷载达到220 kN时，可以听到明显声响。至253 kN时，出现了横向裂缝。最终在260 kN时，顶面破坏不断加剧，同时钢梁的变形也急剧增加，导致试件的破坏。试验停止时，试件的极限荷载值为263 kN，试验梁破坏现象如图8(c)所示，裂缝发展如图9(a)所示。

盐冻50次组合梁SCB-2：进行50次冻融循环作用的组合简支梁，其材料强度、截面尺寸、配筋率、栓钉的数量及布置方式与未冻融组完全相同，且破坏形式也相似。在荷载逐渐增加的初期，组合梁整体表现出良好的抗弯性能。荷载达到153 kN左右时，混凝土下底面出现细微裂缝。随着荷载的不断增加，裂缝宽度也进一步向上扩展，逐渐有裂缝带的雏形。荷载达到187 kN时，混凝土侧翼截面出现裂缝，此时，裂缝的宽度开始增大，裂缝带内的裂缝深度也逐渐加深。加载到210 kN时，分配梁加载点附近出现裂缝，并伴随有少量片状混凝土剥落、断裂声传出。荷载增加至215 kN时，钢梁挠度弯曲速率明显加快，并产生横向裂缝，加载点拱起。最终极限荷载为225 kN，试验梁破坏现象如图8(d)所示。两片试验梁的裂缝发展如图9(b)所示。

3.3 试验结果及分析

主要试验结果见表3所示。开裂荷载P_cr代表混凝土翼板下表面出现第一条裂缝时所对应的实测值，屈服荷载P_y代表钢梁达到屈服应变时所对应的荷载值，极限荷载P_u代表试件所能承受的承载力最大值，δ_y和δ_u分别对应P_y和P_u的跨中挠度实测值。

试件的跨中荷载-位移曲线如图10所示，可见，盐冻和未冻融试件的荷载-位移曲线形状相似，但盐冻循环后组合梁试件荷载-位移曲线较未冻融试件明显下降，可大致分为三个阶段：

1) 弹性阶段

在荷载小于0.4P_u时，仍处于弹性阶段，混凝土翼板下表面未出现裂缝，组合梁的变形与荷载呈线性关系，基本符合平截面假定，且曲线与弹性计算结果相吻合。其中屈服荷载与斜率的比值代表组合梁刚度，二者对比，盐冻后组合梁刚度下降。

2) 弹塑性阶段

当荷载逐渐变大，大于0.4P_u且小于0.7P_u时为弹塑性阶段，混凝土开始出现开裂，材料发生塑性变形，此时试件达到屈服强度，荷载-位移曲线呈弯曲增长。在这一阶段，钢梁变形速度越来越大，但荷载的增量却越来越小。可以从曲线对比发现，经过盐冻循环后，组合梁承载力显著降低，说明盐冻循环使得混凝土抗压强度降低。

3) 破坏阶段

当荷载大于0.7P_u时，混凝土板出现局部压碎现象，少量混凝土剥落，组合梁开始急剧变形。由荷载-位移曲线可以看出，此时组合梁承载力下降，曲线缓慢下降，表明组合梁具有良好的延性，栓钉和钢筋锈蚀后，与未冻融组相比，弯曲程度变大，荷载随位移下降趋势更明显。

4 抗弯承载力计算

1) 完全抗剪连接

当塑形中和轴位于组合梁的混凝土翼板内（图11），Af\le b_{\mathrm{e}}{h}_{\mathrm{c}}{f}_{\mathrm{c}}时承载力计算公式如下：

M=b_{\mathrm{e}}x{f}_{\mathrm{c}}y(4)

x=\frac{Af}{b_{\mathrm{e}}{f}_{\mathrm{c}}}(5)

式中：f为钢梁屈服强度；f_c为混凝土轴心抗压强度；A为钢梁截面面积；y为截面压力与拉力之间的距离。

当塑形中和轴位于钢梁截面内(图12)，Af\ge b_{\mathrm{e}}{h}_{\mathrm{c}}{f}_{\mathrm{c}}时：

M=b_{\mathrm{e}}{h}_{\mathrm{c}}{y}_{\mathrm{1}}+A^{\text{'}}f{y}_{\mathrm{2}}(6)

A^{\text{'}}=\mathrm{0.5}\left(A-\frac{b_{\mathrm{e}}{h}_{\mathrm{c}}{f}_{\mathrm{c}}}{f}\right)(7)

式中：A\text{'}为钢梁受压区截面面积；y₁为钢梁受拉区截面应力合力至混凝土翼板截面应力合力间的距离；y₂为钢梁受拉区截面应力合力至钢梁受压区截面应力合力间的距离。

2) 部分抗剪连接

简化计算方法通常将抗弯承载能力分为两个部分：一部分是钢梁的承载能力，另一部分是部分剪力连接产生的抗弯承载能力。其中钢梁的承载能力由中和轴位置最靠近钢梁的边缘部分的混凝土计算得出，部分剪力连接产生的抗弯承载能力则根据抗剪连接程度和界面剪力进行计算。简化计算方法与全面考虑各种因素的计算方法比较，计算过程更为简便，但精度一般会稍有折扣。

文献[19]通过对试验结果的回归和分析，并兼顾使用的方便，采用了式(8)计算部分抗剪连接组合梁的极限抗弯承载力：

M_{\mathrm{u}}=M_{\mathrm{s}}+\sqrt[]{\frac{n_{\mathrm{r}}}{n_{\mathrm{f}}}}\left(M-M_{\mathrm{s}}\right)(8)

式中：M为完全抗剪连接组合梁的极限承载力，计算时采用同条件混凝土试块抗压强度值；M_s为钢梁的极限抗弯承载力；n_f为对应完全抗剪连接时所需要的栓钉数量；n_r为组合梁剪跨区一侧栓钉数量。

根据式(8)计算试验梁的抗弯承载力，并与试验梁试验值进行对比，见表4。

通过表4数据可知，盐冻循环50次后，组合梁极限抗弯承载力显著降低，较未冻融组合梁降低14.4%；对于未盐冻的组合梁，式(8)计算的理论值与试验值比较，偏小3%，吻合较好；而经过50次盐冻循环后，式(8)的计算值比试验值偏大9%，不符合试验实际情况，由此可见，式(8)用于评价未冻融的组合梁抗弯承载力时，结果吻合度较好；而用于评估盐冻后的组合梁抗弯承载力时，出现较大偏差，不符合实际情况。其主要原因是混凝土经过盐冻后强度和耐久性都降低，栓钉的抗剪承载力也降低，从而导致组合梁钢-混结合程度降低，不能直接采用未冻融的抗剪连接度计算盐冻后组合梁的抗弯承载力；另外，对于部分抗剪组合梁，组合梁抗弯承载力中混凝土部分的贡献程度在盐冻环境作用下是有劣化影响的，需要在式(8)中引入盐冻循环作用的劣化影响系数，该系数的数值可以根据大量的试验数据进行拟合或者根据机理分析获得。

5 结论

本文根据试验和理论分析可得到以下结论：

1) 在盐冻循环作用下，组合梁混凝土板冻胀破坏明显，混凝土表面疏松脱落，粗骨料裸露，钢梁表面出现大量锈斑。

2) 在盐冻循环作用下，钢-混组合简支梁破坏形态都为弯曲破坏，钢梁先开始屈服，荷载达到极限承载力时混凝土被压碎，盐冻50次后组合梁极限抗弯承载力降低14.4%。

3) 盐冻循环作用对钢-混组合梁的抗弯承载力劣化作用明显，式(8)对于评估盐冻循环作用后的钢-混组合梁抗弯承载力存在一定误差，建议在一定数量试验数据分析的基础上引入盐冻参数来评估其抗弯承载力。

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基金资助

内蒙古自治区自然科学基金面上项目(2022MS05015)

鄂尔多斯市青年科技人才资助项目(RC20240001)

鄂尔多斯应用技术学院重点科研项目(KYZD2021004)