预应力钢_混凝土组合箱梁抗弯试验研究

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发布时间：2021-09-04

资料介绍

预应力钢-混凝土组合箱梁抗弯试验研究*
胡少伟，胡汉林
( 南京水利科学研究院材料结构研究所，南京210024)
［摘要］为掌握预应力钢-混凝土组合箱梁在正弯矩作用下的受力性能，对10 根组合箱梁进行了静载试验。对预
应力组合梁受弯时的变形、截面应变情况、裂缝分布、破坏形态做了详细的描述。探讨了不同初始预应力大小、布
筋形式、加载方式对预应力组合梁抗弯性能的影响。试验现象和数据表明: 预应力组合梁与普通组合梁相比具有
多方面的优势，不同布筋形式的组合梁受力性能有差别，利用预应力技术能够较好地提高既有组合梁的抗弯性能。
［关键词］预应力组合箱梁; 抗弯性能; 试验研究; 布筋形式; 预应力加固
中图分类号: TU398 + ． 9 文献标识码: A 文章编号: 1002-848X( 2013) 06-0058-06
Experimental study on flexural behaviors of prestressed steel-concrete composite box beams
Hu Shaowei，Hu Hanlin
( Department of Materials and Structural Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210024，China)
Abstract: In order to know the mechanical behavior of the prestressed steel-concrete composite box beams under positive
moments，ten specimens had been tested under static loads． The experimental results of prestressed composite beams，
including deformation， section strain， cracking distribution， failure mode were analyzed in details． The influence of
prestress degree，distribution forms of prestressed tendons and loading mode on flexural behaviors of prestressed composite
beam had been discussed． Experimental phenomena and data indicate that the prestressed composite beams have more
adventages than the normal composite beams，and the prestress technology can be used to improve the flexural performance
of the existing composite beams．
Keywords: prestressed composite box beam; flexural performance; experimental study; distribution form; prestress
reinforcement
* 江苏省自然科学基金项目( BK2007010 ) ，中央级公益性科研院所
重大项目( Y40705) 。
作者简介: 胡少伟，教授，博导，Email: hushaowei@ nhri． cn。
0 引言
预应力钢-混凝土组合梁根据受力特点可以分
为预应力简支组合梁和预应力连续组合梁。预应力
简支组合梁主要承受正弯矩作用，因此主要在钢梁
底部受拉区布置预应力筋对其施加预应力，预应力
布筋形式可以分为直线型和折线型，直线型布筋又
有有转向块和无转向块两种形式。而对于预应力连
续组合梁，需要根据梁的受力特征来确定预应力筋
的布置位置［1-4］。
预应力箱形截面组合梁具有抗弯刚度和抗扭刚
度大、整体性能好、稳定性高等优点。国内外对预应
力组合梁抗弯性能的研究大多以型钢截面为
主［5-9］，因此有必要对箱形截面的预应力组合梁进
行试验研究。
1 试验情况
设计了10 根承受正弯矩的钢-混凝土组合箱
梁，6
根为预应力组合梁( PCB) ，3 根为模拟预应力
技术加固组合梁( SCB) ，1 根为普通组合梁( CB) ，
其中9 根梁长为4. 0m 的组合梁采用两点对称加
载，1
根梁长为2. 0m 的组合梁( PCB-24 ) 采用集中
加载( 未考虑高跨比的要求) 。钢梁采用中板
( Q235B) 焊接组合，托板和底板采用10mm 中板，腹
板采用8mm 中板。混凝土设计强度等级为C60，翼
板内纵筋采用1010，上下均匀布置，箍筋采用8
@ 200。栓钉连接件尺寸规格为 16 × 100，材料为
ML15 的栓钉，按照塑性方法设计［10］，试件均采用完
全剪力连接，经计算栓钉间隔140mm 沿纵向双排均
匀布置。预应力筋为7 根直径为5 ～ 6mm 的高强度
钢丝捻制的1 860MPa 级j15． 24 钢绞线。
预应力钢-混凝土组合梁试件截面构造见图
1，混凝土材料的材性试验结果见表1。预应力组
合梁试验情况对比参数见表2。应变片、位移计及
导杆引伸仪的布置如图2 所示。加载装置如图3
所示。
钢梁上翼缘尺寸为80mm × 10mm，腹板150mm
× 8mm，下翼缘240mm × 10mm，混凝土翼板800mm
× 130mm，纵筋上下两层布置10@ 187. 5，箍筋8
@ 200，混凝土保护层厚度为20mm，栓钉布置为
216@ 140。
第43 卷第6 期胡少伟，等．预应力钢-混凝土组合箱梁抗弯试验研究
图1 试件截面构造详图
混凝土材性试验结果/MPa 表1
试件
编号
立方体抗压
强度fcu，1 50
抗拉强度
ftk
抗压弹性模量
Ec / ( × 103 )
抗拉弹性模量
Et / ( × 103 )
PCB-15 54. 70 3. 73 35. 96 43. 80
CB-16 60. 53 3. 73 35. 01 43. 80
PCB-17 55. 85 3. 73 36. 51 43. 80
SCB-18 57. 69 3. 73 35. 82 43. 80
PCB-19 62. 40 4. 73 48. 02 50. 97
PCB-20 63. 86 4. 73 46. 71 50. 97
SCB-21 63. 86 4. 73 46. 71 50. 97
SCB-22 65. 67 4. 73 47. 46 50. 97
PCB-23 62. 16 3. 73 36. 10 43. 80
PCB-24 65. 67 4. 73 47. 46 50. 97
注: 钢板、钢筋材料特性由厂家给定，混凝土强度根据浇筑试块
试验所得。
预应力组合梁试验对比参数表2
试验梁号布筋形式
预应力
筋数量
有效预
应力/kN
偏心距
/mm
对比参数
PCB-15 直线型无限位块2 204. 60 156. 8
CB-16 无预应力— — —
PCB-17 直线型无限位块2 230. 73 156. 8
SCB-18 直线型无限位块2 232. 03 156. 8
PCB-19 折线型2 191. 65 236. 8
PCB-20 折线型4 183. 40 236. 8
SCB-21 折线型2 199. 88 236. 8
SCB-22 折线型2 242. 45 236. 8
PCB-23 直线型有限位块2 198. 07 236. 8
PCB-24 折线型2 191. 43 236. 8
有效预应力大小
对加固效果的影
响
预应力筋根数、有
效预应力大小对
加固效果的影响
偏心距及限位块
加载方式
图2 应变片、位移计及导杆引伸仪布置/ cm
2 试验现象及结果
2. 1 试验现象及破坏过程
PCB-15 梁在加载初期阶段，组合梁钢梁、混凝
图3 加载装置及加载示意
土、预应力筋的应变及跨中挠度处于线性增长阶段，
钢梁与混凝土的粘结效果未破坏，交界面未产生滑
移，表现出良好的弹性性能。加载至91. 1kN 时，交
界面出现0. 1mm 的滑移，随着荷载的增加，滑移量
逐渐变大，混凝土与钢梁的自然粘结破坏，栓钉开始
承受交界面剪力。当荷载增加至238. 6kN 时，即纯
弯段弯矩为148. 75kN·m 时，纯弯段及加载点处混
凝土板底出现可见裂缝，裂缝长度约为20cm，裂缝
宽度较小。荷载增加至254. 76kN 时，弯剪段的混
凝土板底也出现裂缝。荷载增加至395. 57kN 时，
即纯弯段弯矩为247. 23kN·m 时，钢梁底板屈服。
钢梁屈服后，钢梁应变出现非线性增长，裂缝数量增
多，原有裂缝变长、变宽，弯剪段滑移量达到
0. 3mm。加载至591. 94kN 时，钢梁腹板大部分已经
屈服，挠度及滑移增长较快，混凝土板底裂缝宽度最
大达到0. 7 mm，板顶加载点至支座产生沿梁长的纵
向裂缝。最后达到极限荷载628. 8kN 时，结构进入
大变形阶段，加载点处混凝土压碎，导致结构不能继
续承压，停止加载。此时混凝土部分应变片破坏，板
顶纯弯段混凝土应变达到2 654με，钢梁底部应变
达到7 122με。
其他纯弯试验梁的加载破坏形态与PCB-15 类
似。PCB-19，PCB-20 为折线型布筋的预应力组合
梁，预应力筋通过转向块和锚具向组合梁传递预应
力。由于转向块的存在使得预应力筋变形较大，加
载时，常常出现预应力筋在转向块处由于变形产生
摩擦的声音。SCB-18，SCB-21，SCB-22 为预应力加
固组合梁，在加固前组合梁的受力性能与CB-16 相
似。加固后，相同荷载下梁的变形较加固前减小。
PCB-23 为直线型有限位块组合梁，预应力筋偏心距
较PCB-15 大，因此加载过程中，在相同荷载下变形
较小。同时，由于限位块对预应力筋的限制作用，纯
弯段预应力筋偏心距基本没有改变，在破坏阶段时，
预应力筋的变形较大。
PCB-24 为跨中承受集中荷载的弯剪试验梁，承
受荷载时，梁体内无纯弯曲段。由于截面处于弯剪