部分结合作用对钢-混组合梁受力性能影响分析

Analysis of Influence of Partial Shear Connection on Mechanical Properties of Steel-Concrete Composite Girder

摘要

部分结合是指在钢-混组合连续梁桥的正弯矩区保持钢梁与混凝土桥面板的完全结合，而在负弯矩区削弱钢梁与混凝土间的连接以改善负弯矩区混凝土板开裂等问题的构造，通常可以通过焊钉包裹低弹性模量材料或增大焊钉间距实现。目前尚未有比较两种部分结合方法效果的研究。本文设计制作了4根梁试件（普通组合梁、预应力组合梁、采用橡胶-焊钉组合焊钉的部分结合组合梁以及负弯矩区焊钉间距增大的部分结合组合梁），通过静力加载试验测试了部分结合组合梁的受力性能，并比较了两种部分结合方法对钢-混组合梁受力性能的影响。试验结果表明：采用橡胶-焊钉组合连接件的钢-混组合梁相比普通钢-混组合梁，其抗弯承载力及抗弯刚度分别降低了17%及12%。虽然部分结合构造对钢-混组合梁的抗弯承载力以及整体刚度有削弱，但其对于预防混凝土桥面板在负弯矩区的开裂有着极其显著的作用。因此，采用部分结合构造能够有效提升组合梁的受力性能，节约建造成本。

Abstract

Partial shear connection in steel-concrete composite continuous bridges means maintaining full steel-concrete composite connection in the positive moment regions， while reducing the connection in the negative moment regions to suppress the cracking development. This can be achieved by wrapping low modulus materials on stud connectors or increasing the studs spacing. So far， there is few research comparing the effectiveness of these two partial shear connection methods. This study designed and fabricated four girder specimens （a conventional composite girder， a prestressed composite girder， a partially shear connected composite girder with rubber-sleeved stud connectors， and a partially shear connected composite girder with increased stud spacing in the negative moment regions）. The shear performance of the partially connected composite girders was tested through static loading experiments， and the effects of the two partial connection methods on the mechanical performance of the steel-concrete composite girders were compared. The test results indicated that the steel-concrete composite girder with rubber-sleeved stud connectors has a bending capacity and stiffness reduced by 17% and 12%， respectively， compared to the standard composite girder. While partial shear connection reduces the bending capacity and overall stiffness of the composite girder， it significantly prevents cracking in the concrete deck in the negative moment regions. Therefore， employing partial shear connection can effectively enhance the mechanical performance of composite girders and reduce costs.

Graphical abstract

关键词

部分结合 / 组合梁 / 橡胶套 / 焊钉 / 静力试验

Key words

partial shear connection / composite girder / rubber sleeve / stud / static test

0 引 言

与钢结构及预应力混凝土结构相比，钢-混凝土组合结构在连续梁的正弯矩区受力更为合理。然而，在连续梁的负弯矩区，组合梁的混凝土结构承担拉应力，易出现开裂问题。目前针对组合梁负弯矩区混凝土易开裂的问题主要有以下几种措施：在混凝土结构内张拉预应力^［1-3］、增加混凝土结构配筋率^［4-5］、在混凝土结构外贴纤维增强复合材料（FRP）^［6-7］等，也有学者提出在组合梁负弯矩区应用钢纤维混凝土^［8-9］、碳纳米管混凝土^［10］和超高性能混凝土^［11-12］以提升混凝土在拉应力作用下的抗开裂性能。

部分结合是指在钢-混组合连续梁桥的正弯矩区保持钢梁与混凝土桥面板的完全结合而在负弯矩区削弱钢梁与混凝土间的连接以改善负弯矩区混凝土板开裂等问题的构造（图1）。目前大多钢-混组合结构的连接件均设计为刚性连接件，全梁计算时考虑为完全结合，该设计计算理论明确，在正弯矩区受力合理，但同时会在负弯矩区的混凝土桥面板中产生较大的拉应力。在组合梁负弯矩区削弱钢梁与混凝土间的连接，能够有效降低混凝土结构内的拉应力。

相比张拉预应力等传统预防组合梁负弯矩区开裂的方法，采用部分结合构造降低混凝土桥面板拉应力的施工工艺简单且成本低廉，仅需在焊钉根部包裹低弹性模量材料，或在设计时增大焊钉间距即可实现。针对组合梁部分结合的构造，Wright等^［13］基于对全尺寸组合梁进行测试发现了减少连接件的部分组合形式会引起非线性连接行为。Kim等^［14］揭示了部分结合构造会增加组合梁钢结构与混凝土结构间的滑移。Xu^［15-16］通过试验及有限元研究，得出了部分结合构造不会降低钢-混组合梁抗弯承载能力的结论。至于低刚度连接件，Andrews^［17］在普通头部螺柱（OHS）的根部包覆了聚氨酯，实现了较低刚度特性。Kitagawa等^［18］将焊钉根部包裹高强度树脂，利用其初期刚度高、后期刚度低的特性使焊钉达到前期好施工、后期削弱焊钉连接件刚度的效果。庄柏舟等基于节段试验和有限元分析研究了橡胶-焊钉组合连接件在索塔组合锚固区钢混界面的抗剪机理^［19-20］。

目前已有许多研究证明部分结合作用能够降低组合梁负弯矩区内混凝土结构的拉应力，但大多数研究为相同类型部分结合作用间的对比或参数分析，尚未有研究比较两种部分结合方法（焊钉包裹低弹性模量材料或增大焊钉间距）的效果。本研究设计制作了4个组合梁负弯矩区试件，涵盖了普通组合梁、预应力组合梁、采用橡胶-焊钉组合焊钉的部分结合组合梁以及负弯矩区焊钉间距增大的部分结合组合梁，不仅对比了部分结合组合梁相比普通组合梁的受力性能差异，也研究了两种部分结合方法的实施效果差异。

1 组合梁负弯矩区模型试验设计

1.1　试件设计

本次试验制作了4根部分结合组合梁负弯矩区试件：1根普通组合梁（GSN-1），1根张拉预应力筋的组合梁（GSN-2），1根剪力钉包裹橡胶套的部分结合预应力组合梁（GSP-1），1根剪力钉布置间距较大的部分结合预应力组合梁（GSP-2）。试件的设计参数如表1所示。组合梁负弯矩区试件全长为10.0 m，支点间距7.6 m，总梁高0.731 m，钢梁高0.626 m，混凝土板厚0.105 m，总梁宽1.1 m，组合梁负弯矩区试件标准截面及钢筋布置如图2（a）所示，总体布置图如图2（b）、（c）、（d）所示。

1.2　加载及测试方案

组合梁负弯矩区试件采用反向加载模式（图4），即跨中单点加载，两端通过锚杆连接的横梁实现竖向约束支承。在开裂前按20 kN逐级加载，接近开裂荷载时按10 kN逐级加载，从混凝土开裂到裂缝达到0.1 mm期间按30 kN逐级加载，最终按50 kN逐级加至结构破坏。结构位移测点布置于跨中、四分点及支点位置，应变测点布置于跨中截面、跨中截面附近的削峰截面以及距中支点1倍梁高、2倍梁高截面。

1.3　材料性能

混凝土材性试验依照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2019）测试了混凝土28 d的立方体抗压强度、抗折强度及弹性模量。基于材性试验，混凝土的基本力学性能为立方体抗压强度51.9 MPa，抗折强度5.76 MPa，弹性模量36.5 GPa。钢材材性试验依照《金属材料室温拉伸试验方法》（GB/T 228—2002）中所述方法对钢材的材料性能进行了测试，钢材屈服强度及极限强度结果见表2。钢筋材性试验依照《金属材料室温拉伸试验方法》（GB/T 228—2002）进行，最终得到结果为：12 mm的纵向主筋屈服强度为400.9 MPa，极限强度为581.1 MPa；8 mm的纵向主筋屈服强度为532.0 MPa，极限强度为636.8 MPa。

2 测试结果及分析

2.1　破坏模态及荷载-位移曲线

加载过程中，当试件达到极限荷载，且继续加载一段时间后荷载不再增长时即判定结构破坏。通过试验观测可以观测到四根梁在加载过程中破坏的主要诱因为钢底板局部失稳，试件到达极限承载能力后继续加载产生了混凝土桥面板扭转以及腹板整体失稳，且四根试验梁的破坏模态并无明显差异。部分结合组合梁试件GSP-1的破坏形态如图5所示。

图6为四个试件跨中的荷载-位移曲线。其位移取值为对应跨中位置两个位移计的平均值。该曲线主要包括弹性和塑性两个阶段。表3列出了四个试件的极限荷载以及荷载为200 kN及300 kN（对应试件GSN的开裂荷载以及最大裂缝首次超过0.05 mm时的荷载）时对应的刚度大小k200、k300。由表3可以看出部分结合会造成一定程度的承载能力降低（对于部分结合试件GSP-1和GSP-2极限承载能力降低分别为17%和11%），而没有部分结合构造的两个试件的承载能力几乎相同。

对于在加载过程中的刚度，普通组合梁GSN-1的抗弯刚度最低。分析其原因为普通组合梁GSN-1的早期开裂导致整体刚度在前期便有所降低。此外，与预应力组合梁GSN-2相比，采用包裹橡胶套焊钉的部分结合组合梁GSP-1的抗弯刚度较低（k200和k300分别降低了12%和11%）。然而加大焊钉间距的部分结合组合梁GSP-2的抗弯刚度相比预应力组合梁GSN-2并无明显降低。这是因为相比采用橡胶-焊钉组合连接件，加大焊钉间距对降低钢-混凝土连接效果的作用较小，因此试件GSP-1的抗弯刚度相比未使用部分结合的组合梁有所降低，而试件GSP-2的抗弯刚度相比未使用部分结合的组合梁相差不大。

2.2　裂缝发展

根据裂缝观测，试件GSN-1、GSN-2、GSP-1和GSP-2的开裂荷载分别为110 kN、200 kN、200 kN以及180 kN。表4为不同荷载等级下各试验梁最大裂缝宽度。可以看到采用橡胶-焊钉组合连接件的试件GSP-1相比其他试件在相同荷载等级下裂缝宽度最小，而增加焊钉间距的试件GSP-2相比普通预应力组合梁GSN-2并无明显的裂缝宽度缩小特征。这是因为橡胶为超弹性材料，在加载前期能够大幅降低钢-混凝土连接效果^［21-22］，从而减小混凝土桥面板内的拉应力，降低试件GSP-1的裂缝发展速度。另一方面，预应力筋对减少混凝土桥面板裂缝宽度的作用很明显，预应力组合梁GSN-2相比普通组合梁GSN-1裂缝宽度有明显的减小。

图7为部分荷载等级下各试件的裂缝分布情况。水平刻度为从裂缝位置到混凝土桥面板跨中的纵向距离。可以看到所有裂缝都从跨中开始出现，并沿横向和纵向对称地发展。

比较试件GSP-1、GSP-2和GSN-2在不同荷载等级下的裂缝分布可以发现，预应力及部分结合作用能够有效提升组合梁混凝土桥面板的抗裂性能，采用部分结合预应力构造的试验梁抗开裂性能在加载前期明显优于仅采用预应力构造的试验梁。此外，采用橡胶-焊钉组合连接件的试件GSP-1相比增加焊钉间距的试件GSP-2对缓解裂缝发展有更为明显的作用。

2.3　应变分析

各试件混凝土跨中截面的正式加载应变测量结果如图8所示。从各试验梁混凝土荷载应变图中可以发现应变的总体趋势是，在消压之前各个测点保持稳定的线性增长，待到混凝土开裂后大部分测点的应变发生抖动。应变数值的横向分布规律为两侧较大，中间较小。比较试件GSN-2、GSP-1、GSP-2与GSN-1的混凝土跨中应变可知，采用部分结合预应力构造能够有效降低混凝土跨中应变大小。

各试件钢结构跨中截面应变结果如图9所示。根据材性试验的结果，钢底板的应变超过2 080 με时达到屈服强度，因此可以根据钢结构应变图判定截面的塑性范围。从图中可以判断出，当加载至极限荷载时，四个试验梁位于跨中的钢底板都发生了屈服，腹板也发生了不同程度的受压屈服。所有试件的钢顶板都没有达到屈服强度。比较试件GSN-2、GSP-1、GSP-2与GSN-1的钢结构跨中应变可知，预应力作用及采用橡胶-焊钉组合连接件的构造不会增加钢结构的跨中应变，而加大焊钉间距会增加钢结构的跨中应变。

2.4　试验结果对比

由上述试验结果可知，部分结合构造对钢-混组合梁的抗弯承载能力以及整体刚度有少量削弱作用，但其对于预防混凝土桥面板在负弯矩区的开裂有着极其显著的作用。目前组合梁设计过程中的控制因素为负弯矩区混凝土桥面板在正常使用极限状态下的开裂问题，因此采用部分结合构造能够有效提升组合梁的受力性能，节约材料成本。

3 结 语

本文以部分结合组合梁负弯矩区为研究对象，设计制作了4个组合梁负弯矩区试件，通过静力加载试验测试了部分结合组合梁的受力性能，得到以下结论：

（1） 通过试验观测可以看到四根试验梁的破坏模态并无明显差异，破坏的主要诱因为钢底板局部失稳，在继续加载后产生混凝土桥面板扭转以及腹板整体失稳。

（2） 部分结合会造成一定程度的承载能力降低（对于部分结合试件GSP-1和GSP-2极限承载能力降低分别为17%和11%），而没有部分结合构造的两个试件的承载能力几乎相同。使用橡胶-焊钉组合连接件会使组合梁的抗弯刚度较低（k200和k300分别降低了12%和11%），而加大焊钉间距对抗弯刚度影响不大。

（3） 根据裂缝观测，普通组合梁GSN-1、预应力组合梁GSN-2、剪力钉包裹橡胶套的部分结合预应力组合梁GSP-1与剪力钉布置间距较大的部分结合预应力组合梁GSP-2的开裂荷载分别为110 kN、200 kN、200 kN以及180 kN。可见采用橡胶-焊钉组合连接件能够有效降低裂缝宽度，而增加焊钉间距对裂缝宽度的改善不明显。另一方面，预应力筋对减少混凝土桥面板裂缝宽度的作用很明显。

（4） 虽然部分结合构造对钢-混组合梁的抗弯承载能力以及整体刚度有削弱，但其对于预防混凝土桥面板在负弯矩区位置的开裂有着极其显著的作用。采用部分结合构造能够有效提升组合梁的受力性能，节约成本。

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