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波纹腹板钢-ECC组合梁负弯矩区抗弯性能试验

武芳文, 李滋润, 何岚清, 赵洋洋, 陈澳, 杨飞

武芳文, 李滋润, 何岚清, 赵洋洋, 陈澳, 杨飞. 波纹腹板钢-ECC组合梁负弯矩区抗弯性能试验[J]. 工程力学, 2025, 42(5): 241-251. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2023.05.0314
引用本文: 武芳文, 李滋润, 何岚清, 赵洋洋, 陈澳, 杨飞. 波纹腹板钢-ECC组合梁负弯矩区抗弯性能试验[J]. 工程力学, 2025, 42(5): 241-251. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2023.05.0314
WU Fang-wen, LI Zi-run, HE Lan-qing, ZHAO Yang-yang, CHEN Ao, YANG Fei. FLEXURAL PERFORMANCE TEST OF STEEL-ECC COMPOSITE GIRDER WITH CORRUGATED WEBS IN NEGATIVE MOMENT REGION[J]. Engineering Mechanics, 2025, 42(5): 241-251. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2023.05.0314
Citation: WU Fang-wen, LI Zi-run, HE Lan-qing, ZHAO Yang-yang, CHEN Ao, YANG Fei. FLEXURAL PERFORMANCE TEST OF STEEL-ECC COMPOSITE GIRDER WITH CORRUGATED WEBS IN NEGATIVE MOMENT REGION[J]. Engineering Mechanics, 2025, 42(5): 241-251. DOI: 10.6052/j.issn.1000-4750.2023.05.0314

波纹腹板钢-ECC组合梁负弯矩区抗弯性能试验

基金项目: 国家自然科学基金项目(52378121);国家重点研发计划项目(2021YFB2601000);陕西省自然科学基础研究重点项目(2022JZ-32);中央高校基本科研业务费专项资金项目(300102212212)
详细信息
    作者简介:

    武芳文(1980−),男,河北邯郸人,教授,博士,博导,主要从事钢-混组合结构桥梁理论与应用研究 (E-mail: wufangwen@chd.edu.cn)

    李滋润(1998−),男,山东济南人,博士生,主要从事钢-混凝土组合结构桥梁相关研究 (E-mail: 2021221079@chd.edu.cn)

    何岚清(1998−),男,山东济南人,博士生,主要从事钢-混凝土组合结构桥梁相关研究 (E-mail: 2020221009@chd.edu.cn)

    赵洋洋(1996−),女,陕西安康人,硕士生,主要从事钢-混凝土组合结构桥梁相关研究 (E-mail: 729449011@qq.com)

    陈 澳(1999−),男,安徽安庆人,博士生,主要从事钢-混凝土组合结构桥梁相关研究 (E-mail: a.chen@chd.edu.cn)

    通讯作者:

    杨 飞(1989−),男,陕西西安人,讲师,博士,主要从事钢-混组合结构可拆卸螺栓连接相关研究 (E-mail: f.yang@chd.edu.cn)

  • 中图分类号: TU398+.9

FLEXURAL PERFORMANCE TEST OF STEEL-ECC COMPOSITE GIRDER WITH CORRUGATED WEBS IN NEGATIVE MOMENT REGION

  • 摘要:

    为研究波纹腹板钢-工程水泥基复合材料(engineered cementitious composite, ECC)组合梁负弯矩区力学性能,完成了2片直腹板和2片波纹腹板H型钢组合梁模型试验,研究了钢-混组合梁负弯矩区的破坏形态、承载能力、刚度、裂缝扩展模式及应变分布特征。同时,采用ANSYS有限元软件对波纹腹板钢-ECC组合梁开展参数化分析。研究结果表明:试验梁破坏模式均为弯曲破坏,与波纹腹板-普通混凝土组合梁相比,波纹腹板-ECC组合梁的抗弯承载力与刚度分别提高了2.5%和20.4%;钢-ECC组合梁ECC板裂缝分布密集、宽度小,以微裂缝为主,裂缝控制能力显著;波纹腹板的剪应力分布更加均匀,最大剪应力低于直腹板剪应力,波纹腹板组合梁的抗剪性能优于直腹板组合梁;有限元参数化分析表明,随着腹板高度和翼缘板宽度的增加,波纹腹板钢-ECC组合梁负弯矩区抗弯承载力分别提高了21.5%和36.4%,增加2 mm的翼缘板厚度与50 mm的腹板高度改变承载能力幅度较为相近,优化翼缘板厚度可有效提高结构的承载能力。

    Abstract:

    To study the mechanical properties of steel-engineered cementitious composite (ECC) composite girders with corrugated webs, two flat webs and two corrugated webs H-shaped steel composite girder experiments were conducted to investigate failure modes, bearing capacity, stiffness, crack propagation mode and strain distribution under the negative moment. Meanwhile, ANSYS finite element software was used to carry out parametric analysis of steel-ECC composite girders with corrugated webs. The results show that the failure modes of four girders are bending failure. Compared with the steel-normal concrete composite girders with corrugated webs, the flexural bending capacity and stiffness of the steel-ECC composite girders with corrugated webs are respectively increased by 2.5% and 20.4%. The crack distribution of ECC plate of steel-ECC composite beam is dense, the width is small, mainly micro-crack, and the crack control ability is remarkable. The shear stress distribution of corrugated webs is more uniform, and the maximum shear stress is lower than that of flat webs. The shear performance of composite girders with corrugated webs is better than that of composite girders with flat webs; finite element parametric analysis shows that: with the increase of web height and flange thickness, the flexural bending capacity of steel-ECC composite girders with corrugated webs under the negative moment is respectively increased by 21.5% and 36.4%, and the increase of flange width by 2 mm is close to changing the bearing capacity of 50 mm web height; and optimizing the flange width can effectively improve the flexural bending capacity of the structure.

  • 钢-混组合连续梁负弯矩区由于普通混凝土(normal concrete, NC)抗拉强度小,混凝土板易开裂,不仅降低了截面刚度,而且还会致使板内钢筋随着裂缝增大、雨水渗透而逐渐锈蚀,降低结构的耐久性。工程水泥基复合材料(engineered cementitious composite, ECC)具有高延性、高抗裂性能以及应变硬化的特点,可解决混凝土板易开裂缺陷[13],提高结构的承载能力和耐久性[48]

    钢-混组合结构桥梁从20世纪初出现至今得到了快速发展,其腹板形式主要分为直腹板和波纹腹板。相比直腹板,波纹腹板具有“手风琴”效应[9],导致其抗弯刚度较小,应用在钢-混组合梁可提高预应力钢筋的预应力效率;波纹腹板还可视为增加了腹板的“等效厚度”,优化腹板剪应力分布;波纹腹板因其波折形式增加了腹板面外刚度,省去了加劲肋,可做到腹板轻量化和稳定性并存,可解决稳定性与最小板厚之间的矛盾[1017],因此,波纹腹板组合梁得到了较为广泛的应用。

    将ECC替代NC应用于波纹腹板组合梁,可提升组合梁负弯矩区的抗裂性能。学者针对ECC应用于钢-混组合梁以提升结构性能的问题开展了一定研究。陈全胜等[18]提出了钢-混凝土-ECC组合梁,以解决负弯矩区混凝土开裂问题,研究表明:与传统组合梁相比,该结构形式有效提升了各项力学性能指标,尤其对裂缝的控制能力;结构各力学指标提升效率随ECC板厚增大而降低。樊健生等[1921]对负弯矩作用下的钢-ECC组合梁力学性能开展了研究,结果表明:与钢-NC组合梁相比,钢-ECC组合梁开裂荷载和刚度显著提升,ECC板裂缝宽度较小,可有效改善组合梁负弯矩区桥面板开裂情况;还采用混杂纤维ECC设计了钢-NC-ECC组合梁并开展了试验研究,结果表明:ECC和NC界面黏结良好,该结构在正常使用阶段的承载力及刚度均高于钢-NC组合梁,采用混杂纤维ECC作为桥面板改善了组合梁负弯矩区开裂情况,并提出了钢-NC-ECC组合梁受弯裂缝宽度计算方法。HAMODA等[22]开展的研究表明:在开裂特征(裂缝细小,分布密集)、开裂荷载、刚度、混凝土应变发展等方面,钢-ECC组合梁较钢-NC组合梁表现得更为优异。

    为了掌握波纹腹板组合梁的优异性能,加快其应用,学者已对波纹腹板组合梁开展了研究。张哲等[23]基于试验研究了波纹腹板钢-混组合梁抗弯力学性能,结果表明:组合梁塑性变形较好,波纹腹板对结构抗弯能力贡献较小,但可以较好地承担剪应力,提出了波纹腹板钢-混组合梁抗弯承载力计算公式。王达磊等[24]通过试验研究了波折腹板内衬混凝土组合梁的弯曲性能,试验结果表明:内衬混凝土可以限制受压翼缘的屈曲,提高组合梁的弯曲强度和延性。张紫辰等[25]考虑剪力滞、褶皱效应和剪切变形的影响,研究了波纹腹板钢-混组合箱梁抗弯力学性能,并给出了一种分析波纹腹板钢-混组合箱梁抗弯力学性能的解析方法。ZHANG等[26]提出了一种新型装配式波形钢腹板组合箱梁,揭示了波形钢腹板组合箱梁的预应力传递机理,结果表明:混凝土底板的预应力可通过腹板协调变形传递到混凝土顶板,截面剪力主要由波形钢腹板传递。谢梦洁等[27]基于试验与有限元分析研究了新型预应力外包波纹钢-混凝土组合梁受弯性能,研究结果表明:波纹钢有效加强了钢-混界面粘结,波纹钢组合梁有较好的刚度和较高的承载能力。

    现阶段,对于钢-ECC组合梁尚处于起步阶段,对其力学行为仍需进一步研究,对于波纹腹板组合梁负弯矩区的力学性能研究较少,力学行为尚不清晰。因此,为进一步明确负弯矩作用下ECC组合梁和波纹腹板组合梁的力学行为特性,本文以波纹腹板钢-ECC组合梁为研究对象,完成了4片组合梁负弯矩抗弯试验,并结合有限元对其破坏模式、应变分布、裂缝发展规律及承载能力进行分析,为波纹腹板钢-ECC组合梁的设计与应用提供参考。

    试验共设计4片组合梁试件,用于分析混凝土类型以及腹板类型对钢-混组合梁负弯矩区受力性能的影响。试件长度为3200 mm,计算跨径为2900 mm,梁高为350 mm,直腹板与波纹腹板的尺寸相同,高250 mm,厚8 mm,上、下翼缘板宽150 mm,厚10 mm,混凝土板宽600 mm,厚80 mm,在两侧加载点及中间支撑处设置两道6 mm厚的加劲肋,板中等间距布置7根纵向受力钢筋(间距为90 mm)和32根横向分布钢筋(间距为100 mm),其中纵向受力钢筋为Φ14 mm的HRB400级带肋钢筋,横向分布钢筋为Φ10 mm的HRB400级带肋钢筋,栓钉的规格为Φ10 mm×40 mm,采用纵向间距100 mm,横向间距80 mm的完全剪力连接布置形式。表1为组合梁参数表,试件构造和几何尺寸如图1所示。

    表  1  试验梁参数
    Table  1.  Parameters of test girder
    试件编号 混凝土类型 钢梁型号 冷却方式
    SC-Z NC 250 mm×150 mm×
    8 mm×10 mm
    直腹板
    SC-B NC 波纹腹板
    SE-Z ECC 直腹板
    SE-B ECC 波纹腹板
    注:S为试件;C为NC;E为ECC;Z为直腹板;B为波纹腹板。
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    钢梁均采用Q345C钢材,钢筋选用HRB400,栓钉采用Q235钢材,ECC由中德新亚公司生产,配合比见表2,NC为商品混凝土。根据《混凝土力学性能实验方法标准》(GB/T 50081−2019)要求,在钢-混组合梁混凝土板浇筑同时,制作立方体试件、狗骨头抗拉试件和棱柱体试件用于测量混凝土性能。制作钢材与钢筋试件测量其力学性能,材料力学性能试验见图2,材料力学性能结果详见表3表4图3

    图  1  试验梁构造图 /mm
    Figure  1.  Construction of test beam
    表  2  ECC配合比
    Table  2.  Proportions of ECC /(kg/m3)
    材料掺量材料掺量材料掺量
    水泥500硅灰25矿粉50
    粉煤灰50减水剂3石英砂600
    膨胀剂25纤维18190
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    图  2  材性试验
    Figure  2.  Material test
    表  3  混凝土力学性能
    Table  3.  Mechanical properties of concrete
    材料抗压强度/MPa抗拉强度/MPa弹性模量/GPa
    NC61.83.137.5
    ECC61.04.619.6
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    表  4  钢材力学性能
    Table  4.  Mechanical properties of steel
    材料屈服强度/MPa极限强度/MPa弹性模量/GPa
    HRB400388.2493.5212.3
    Q345C375.0501.0209.8
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    图  3  ECC材料应力-应变曲线
    Figure  3.  Stress-strain curve of ECC material

    本试验主要测量组合梁的挠度、钢梁应变以及混凝土板应变。位移测点布置如图4所示、主要对跨中、1/4跨以及中支座的挠度进行测量。混凝土、钢梁及钢筋的应变布置于中支点处,具体布置见图5所示,以研究组合梁截面变形规律。

    图  4  位移测点 /mm
    Figure  4.  Displacement measurement point
    图  5  应变测点
    Figure  5.  Strain measurement point

    为在中支座产生负弯矩,通常是将简支梁反过来加载,如此便能达到混凝土受拉和钢梁受压的状态,但这种加载方式难以观测裂缝发展过程,所以本文提出一种加载方法,试验梁跨中设置固定支座,两端放置弹簧支座,采用伺服液压装置通过分配梁对试验梁两端施加荷载。该方法可增加力臂长度获得较大负弯矩且方便观测混凝土板裂缝的发展,具体布置方式如图6所示。为防止试验过程中发生平面外变形,在试件支座和混凝土板两侧设置侧向支撑,在弹簧支座上焊接钢套管。

    图  6  加载装置
    Figure  6.  Loading device

    本试验4片钢-混组合梁均表现为弯曲破坏形态,钢梁下翼缘板由于受压而发生局部屈曲,产生“S”状的变形,混凝土板裂缝发展充分,达到极限承载状态。试件加载过程主要分为两个阶段:第一阶段为每级10 kN的荷载控制加载模式,第二阶段为每级1 mm的位移控制加载模式。

    当荷载增加至20 kN左右时,试件SC-Z中支座处的混凝土板出现一条微小裂缝,随着荷载逐步增加,已有裂缝不断拓展延伸,形成横向贯穿裂缝,同时,中支座附近的混凝土板不断出现新裂缝,分布较为均匀且稀疏,已有裂缝宽度随着荷载的增加逐渐增大。当荷载达到330 kN时,H型钢梁下翼缘板进入屈服阶段,变形急剧增加,最终中支座处H型钢梁下翼缘板出现局部屈曲变形,如图7(c),试件挠度发展明显,构件达到破坏状态。

    当荷载达到15 kN时,试件SC-B的混凝土板在接近中支座处率先观察到裂缝,随荷载的继续增大,混凝土板出现新裂缝,已有裂缝的长度和宽度不断发展,达到破坏时,裂缝已发展充分,分布较为稀疏,裂缝分布范围较试件SC-Z的有显著扩大。结构破坏以H型钢梁下翼缘板出现局部屈曲为标志,下翼缘板局部屈曲主要分布于中支座附近的波谷处。

    试件SE-B加载至55 kN时,在中支座处出现裂缝,随着荷载的逐步增大不断延伸拓展,并且不断有新形成的裂缝出现,表现为数量多,分布密集,开展宽度小。当荷载增至260 kN时,波纹腹板H型钢梁下翼缘板率先进入到屈服阶段,变形急剧增加,最终中支座附近的钢梁下翼缘板出现局部屈曲变形,且下翼缘的两端屈曲不对称,但都位于波纹腹板的波谷处,如图7(d),试件挠度发展明显,达到破坏状态。

    图  7  试件破坏形态
    Figure  7.  Specimen damage pattern

    当荷载增长至约60 kN时,试件SE-Z的混凝土板出现肉眼可见的裂缝,位于中间支座处,此后,随荷载的增加,裂缝不断发展,数量增多,呈现细密特点。与SE-B相比,SE-Z桥面板的裂缝分布范围变小,约为SE-B桥面板的裂缝分布范围55%。破坏时,H型钢梁下翼缘板因受压在中支座位置出现局部屈曲,结构不宜继续承载。

    分析可知,结构破坏时,ECC板裂缝比NC板更为密集细小,改善了组合结构的混凝土开裂问题;波纹腹板组合梁钢梁发生屈曲主要集中于中支点附近波谷位置的下翼缘板处。

    4片梁的试验结果汇总于表5,其荷载-滑移曲线如图8所示。各曲线连续且未发生明显突变,这表明钢梁与混凝土板可以协同工作,结构表现出良好的弹塑性。根据樊健生的研究,0.5 Pu可作为钢-混组合结构桥梁使用阶段的荷载水平,可将0.5 Pu对应的割线斜率作为钢-混组合桥梁使用阶段的刚度[20]。极限抗弯承载力则是指结构所能承受的最大荷载,即荷载-滑移曲线中的峰值荷载。

    通过试验发现ECC、波纹腹板对组合梁刚度的影响存在明显的差异性。相较于SE-Z,SE-B的刚度降低了20.6%;相较于SC-Z,SC-B的刚度降低了23.8%。这是因为波纹腹板存在明显的“手风琴”效应,其自身刚度较小,致使组合结构刚度降低。对比分析SE-Z和SC-Z的刚度可知,SE-Z的刚度比SC-Z的提高了17.3%;在波纹腹板组合梁中,SE-B的刚度比SC-B的提高了20.4%。由此可知,采用ECC作为桥面板可提高组合结构的抗弯刚度,与NC板开裂后,裂缝急剧开展,进而退出工作不同,ECC板裂缝开展缓慢,裂缝细小,分布密集,加载时ECC板均参与了结构受力,提升了组合结构刚度。

    表  5  试验结果
    Table  5.  Test result
    试件编号 开裂点 屈服点 极限点 刚度/
    (×104 kN/mm)
    Pcr/kN cr/mm Py/kN y/mm Pu/kN u/mm
    SC-Z 21.1 1.1 331.5 14.2 411.1 35.1 2.55
    SC-B 15.8 0.8 249.3 13.8 316.4 32.9 2.06
    SE-Z 61.2 2.5 349.6 14.7 448.2 34.6 2.99
    SE-B 55.3 2.4 260.0 12.2 326.1 33.6 2.48
    注:Pcrcr分别表示开裂荷载及其所对应的跨中挠度;Pyy分别表示屈服荷载及其所对应的跨中挠度;Puu分别表示极限荷载及其所对应的跨中挠度。
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    图  8  荷载与位移曲线
    Figure  8.  Load-displacement curve

    NC桥面板替换为ECC后,构件的承载力也得到了一定的提升,相比SC-Z试件,SE-Z的抗弯承载力提高了9.0%,与SC-B相比,SE-B的抗弯承载力提高了2.5%。ECC的极限拉应变远高于NC,表现出良好的韧性和受拉延伸率;开裂区的PVA纤维可以抵抗部分拉伸载荷。从开裂到极限荷载过程中,ECC中的纤维充分发挥桥联作用,提高混凝土板的应力水平,增强结构的延性,有助于钢梁充分发挥抗压性能,从而提高构件的承载能力。波纹腹板降低了结构的承载力,与SC-Z试件相比,SC-B试件的承载能力降低了29.2%;与SE-Z试件相比,SC-B试件的承载能力降低了37.4%。波纹钢腹板由于其特殊的折叠形状,弹性模量要求在钢板弹性模量的基础上进行折减,需用等效弹性模量代替。但由于折减后的弹性模量与原钢板的弹性模量相比非常小,因此,波纹钢腹板的轴向刚度非常小,基本不能承受轴力和弯矩,波纹腹板H型钢梁的抗弯强度只能由上下翼缘板来提供。

    SC-Z与SC-B试件的桥面板均为普通混凝土板,两片梁的裂缝发展规律较为相似,如图7(a)所示。加载初期,中支座位置附近出现1条~2条主要裂缝,随着荷载增加,主裂缝横向贯穿,并延伸至混凝土板侧面,贯穿侧板,最终,裂缝延伸至普通混凝土板底,板上裂缝分布较为稀疏,裂缝宽度较大。钢-ECC组合梁试件裂缝发展模式有所不同,见图7(b)。ECC板的裂缝在初始阶段比较分散,早期难以形成贯穿裂缝,且裂缝发展并未延伸至侧板底部。随着荷载增加,裂缝数量逐渐增多,但裂缝长度、宽度均小于普通混凝土板。由于ECC中掺入了聚乙烯醇(polyvinyl alcohol,简称PVA)纤维,其有较高的极限拉应力,当ECC开裂后,ECC板弯曲应力转移至PVA纤维,发挥纤维的桥联作用,限制了裂缝宽度和长度增加,表现为细小密集多裂缝的特征,因此,ECC提高了组合梁抗裂性能。

    钢梁和钢筋应变测点截面应变分布如图9所示,从图9可知,随着荷载的增加,波纹腹板和直腹板的中和轴均有上移趋势。在加载前期,直腹板应变沿梁高变化基本上为线性分布,符合平截面假定。波纹腹板沿梁高的应变较小,基本维持不变,上、下翼缘板的应变发展充分,不符合平截面假定的要求,若忽略腹板应变,加载前期的截面应变基本呈线性分布,称之为波纹腹板梁的“拟平截面假定”[28]。与直腹板不同,波纹腹板具有“手风琴效应”,轴向刚度非常小,基本不能承受轴力和弯矩,抗弯能力主要由上、下翼缘板来提供。当接近极限荷载时,直腹板在梁高度75 mm处由于承受较大的压力出现局部变形,应变出现突变,急剧增大。

    图  9  中支座截面应变分布
    Figure  9.  Strain distribution of middle bearing section

    由于波纹腹板波纹形状,钢梁的平面外刚度大幅度提高,抗剪性能相比直腹板也有明显改善。跨中腹板剪应力分布如图10所示,图中H1~H3为应变测点,具体位置见图5。从图可知,直腹板的剪应力沿腹板高度方向分布不均匀,呈现出腹板中间大,两边小的趋势,波纹腹板剪应力沿腹板高度分布较为均匀,波纹腹板的最大剪应力远低于直腹板钢梁。这表明,在负弯矩区,波纹腹板H型钢梁改善了剪应力分布,可以更好地承受剪力。波纹腹板与上下翼缘板分工明确,波纹腹板几乎不承担弯矩,主要承担剪力,混凝土板与钢梁上、下翼缘板主要承担弯矩。

    图  10  腹板剪应力分布
    Figure  10.  Distribution of shear stresses in the web

    普通混凝土开裂后,钢筋应变分布不均匀,临近裂缝的测点应变发生突变,如图11所示。随着应变继续增加,裂缝宽度也随之增加,裂缝处的钢筋全部进入屈服阶段甚至到达强化阶段,然而ECC试件钢筋的应变变化则较为均匀,没有发生明显的突变,ECC与钢筋共同受力。实测钢筋应变在2×10−3 με左右时,达到屈服强度,钢筋应变趋于水平。此外,钢筋在不同混凝土中的受力性能也有所差别,对比钢-ECC组合梁与钢-NC组合梁,ECC板中钢筋应变较小,这主要是由于ECC具有良好的裂缝控制能力,开裂后仍可与钢筋协同受力,分担荷载,而NC开裂后裂缝处荷载主要由钢筋承担。

    图  11  钢筋荷载-应变曲线
    Figure  11.  Load-strain curve for steel

    采用有限元软件ANSYS建立非线性有限元模型对试件进行分析,混凝土板采用SOLID 65单元模拟,钢梁梁体采用SHELL 181单元进行模拟,纵向钢筋与横向钢筋采用杆单元LINK 180建立。栓钉按照完全剪切连接设计,试件破坏时,栓钉仍正常工作,用Combine 39单元模拟弹簧,耦合y、z方向,以模拟栓钉在组合梁中的作用。工字梁的焊接工艺均严格按照标准及规范的要求,可以充分满足结构的受力性能要求。因此,模型中的波形腹板工字型钢梁与平腹板工字型钢梁均采用整体式建模,钢梁翼缘板与腹板采用共节点。组合梁网格划分尺寸为25 mm,波纹腹板钢梁翼缘板与腹板交界处网格划分较为复杂,因此采用过渡四边形映射网格划分。以波纹腹板钢-ECC组合梁为例,其有限元模型立面图局部如图12所示,其余3片梁不再进行描述。

    图  12  有限元模型
    Figure  12.  Finite element model

    本文ECC本构关系参考YUAN等[29]提出的ECC本构模型,如图13所示,NC本构关系参考《混凝土结构设计规范》附录C提供的模型。

    图  13  ECC本构关系
    Figure  13.  ECC constitutive relationship

    钢梁和钢筋均采用二折线理想弹塑性模型,经过拉伸试验测得钢梁的屈服强度fy=375 MPa,Es=209.8 GPa,钢筋的屈服强度fy=388.2 MPa,Es=209.8 GPa,其中εy=fy/Esεy为材料的屈服应变。

    4片梁弹簧支座处的荷载-位移曲线试验结果与有限元结果对比如图14所示。从图14中可以看出,模拟结果与试验结果较为吻合。有限元的极限承载力与试验结果的对比如表6所示,有限元模拟的极限承载力与试验结果的最大误差仅为7.1%,吻合良好。基于以上分析可知,本文有限元分析方法可靠,在此基础上进一步开展钢-混组合梁参数化分析。考虑本文研究重点是波纹腹板钢-ECC组合梁,因此,以试件SE-B为基础,开展组合梁力学性能参数化分析。

    图  14  有限元模拟与试验结果对比
    Figure  14.  Comparison of finite element simulation and test results
    表  6  有限元分析与试验结果对比
    Table  6.  Table 6 Comparison of finite element analysis and test results
    试件编号 有限元结果/kN 试验结果/kN 误差/(%)
    SC-Z 382.1 411.1 7.1
    SC-B 306.1 316.4 3.3
    SE-Z 424.0 448.2 5.4
    SE-B 314.3 326.1 3.6
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    基于2.1节的试验现象及破坏模式可知,ECC受拉开裂范围主要集中在中支座上方,钢梁达到屈服应力的部位主要集中于中支座附近,随着两端位移的增加,钢梁、钢筋的变形持续增加,在模拟过程中钢材均采用双线性模型,当钢梁达到375 MPa后,应力不在继续增加,此时的应力值与真实的应力有一定差别,但总体破坏趋势与实验现象仍然一致,如图15所示。

    图  15  试验梁破坏形态对比
    Figure  15.  Comparison of failure modes of test girder

    基于控制变量法,研究波纹腹板高度、厚度、上、下翼缘厚度及宽度对波纹腹板钢-ECC组合梁极限抗弯承载力的影响,计算结果如图16所示:1)增加波纹腹板厚度能提高试件的抗弯承载力,但增幅较小,因为波纹腹板存在“手风琴”效应,抗弯刚度较小,对结构的抗弯能力贡献有限,因此增加波纹腹板厚度对结构抗弯承载力的提升效果不显著;2)翼缘板厚度对承载力影响较为显著。当翼缘板厚度从8 mm增加到10 mm时,其抗弯承载力提高了约19.8%;当翼缘板厚度从10 mm增加到12 mm时,其抗弯承载力提高了约16.3%,因为波纹腹板组合梁的抗弯承载力主要由钢梁的上、下翼缘板提供,当增加翼缘板厚度时,结构承载力增加明显;3)试件抗弯承载力随腹板高度的增大而增大。当腹板高度从200 mm提高到250 mm时,其抗弯承载力提高约21.5%;当腹板高度从250 mm提高到300 mm时,抗弯承载力提高约16.7%。其原因是混凝土与钢梁上下翼缘面积一定时,腹板高度增加,截面惯性矩增加,从而提高抗弯承载力;4)翼缘板宽度对试件的极限抗弯承载力有较大影响。当翼缘板宽度从100 mm增加到150 mm时,其抗弯承载力提高约36.4%;当翼缘板宽度从150 mm增加到200 mm时,其抗弯承载力提高约25.6%。由于波纹腹板只承担剪力,翼缘板成为主要抗弯构件,试件的抗弯承载力受翼缘板面积影响较大。

    综上分析可知,与增加腹板厚度相对比,增大翼缘板厚度可大幅提高波纹腹板钢-ECC组合梁负弯矩区承载能力,与增加腹板高度相比,增加翼缘板宽度可有效提高组合梁负弯矩区承载能力。增加2 mm的翼缘板宽度与50 mm的腹板高度改变承载能力幅度较为接近。

    图  16  承载力参数化分析
    Figure  16.  Parametric analysis of bearing capacity

    本文通过对4片组合梁进行试验研究,并结合有限元对波纹钢腹板-ECC组合梁进行数值分析,研究了组合梁破坏形态、承载能力、刚度、裂缝扩展模式和应变分布规律,得到如下结论:

    (1) 4片钢-混组合梁的破坏模式均为弯曲破坏。钢-ECC组合梁的开裂荷载比钢-NC组合梁高。ECC可有效提高组合梁负弯矩区抗弯承载力与刚度,相较于SC-Z试验梁,其抗弯承载力与刚度分别提高了9.0%和17.3%;相较于SC-B试验梁,其抗弯承载力与刚度分别提高了2.5%和20.4%。波纹腹板会降低组合梁承载力与刚度,相较于SC-Z试验梁,SC-B试验梁抗弯承载力与刚度分别降低了29.2%和23.8%;相较于SE-Z试验梁,SE-B试验梁抗弯承载力与刚度分别降低了37.4%和20.6%。裂缝分布方面,钢-NC试件的贯穿裂缝多、宽度和间距大,钢-ECC组合梁由于纤维的桥联作用,裂缝分布密集、宽度小,裂缝控制能力更强。ECC可有效改善普通混凝土板开裂荷载小、裂缝宽度大等缺点。

    (2)波纹腹板组合梁沿高度方向纵向应变分布符合拟平截面假定,腹板不能承受轴力和弯矩,抗弯强度由上下翼缘板来提供,但能承担大部分剪应力,且波纹腹板剪应力更加均匀,最大剪应力低于直腹板剪应力,波纹腹板的抗剪性能优于直腹板。

    (3)通过有限元参数化分析,增大翼缘板宽度与腹板高度可大幅提高波纹腹板钢-ECC组合梁负弯矩区承载能力,增加2 mm的翼缘板厚度与50 mm的腹板高度改变承载能力幅度较为相近,在结构设计中,可以通过优化翼缘板厚度来提高承载能力。

    (4)与传统直腹板钢-NC组合梁相比,波纹腹板钢-ECC组合梁裂缝控制能力更强、剪应力分布更为均匀,有效避免剪切破坏。

    (5)本文主要研究组合梁负弯矩区的抗弯性能,但是实际受力过程中,组合梁可能不只是单纯受弯,而可能承受压弯、弯剪或弯扭等多种受力状态。因此,需要波纹腹板钢-ECC组合梁进行复杂受力状态下的研究,为钢混组合结构设计提供理论参考。

  • 图  1   试验梁构造图 /mm

    Figure  1.   Construction of test beam

    图  2   材性试验

    Figure  2.   Material test

    图  3   ECC材料应力-应变曲线

    Figure  3.   Stress-strain curve of ECC material

    图  4   位移测点 /mm

    Figure  4.   Displacement measurement point

    图  5   应变测点

    Figure  5.   Strain measurement point

    图  6   加载装置

    Figure  6.   Loading device

    图  7   试件破坏形态

    Figure  7.   Specimen damage pattern

    图  8   荷载与位移曲线

    Figure  8.   Load-displacement curve

    图  9   中支座截面应变分布

    Figure  9.   Strain distribution of middle bearing section

    图  10   腹板剪应力分布

    Figure  10.   Distribution of shear stresses in the web

    图  11   钢筋荷载-应变曲线

    Figure  11.   Load-strain curve for steel

    图  12   有限元模型

    Figure  12.   Finite element model

    图  13   ECC本构关系

    Figure  13.   ECC constitutive relationship

    图  14   有限元模拟与试验结果对比

    Figure  14.   Comparison of finite element simulation and test results

    图  15   试验梁破坏形态对比

    Figure  15.   Comparison of failure modes of test girder

    图  16   承载力参数化分析

    Figure  16.   Parametric analysis of bearing capacity

    表  1   试验梁参数

    Table  1   Parameters of test girder

    试件编号 混凝土类型 钢梁型号 冷却方式
    SC-Z NC 250 mm×150 mm×
    8 mm×10 mm
    直腹板
    SC-B NC 波纹腹板
    SE-Z ECC 直腹板
    SE-B ECC 波纹腹板
    注:S为试件;C为NC;E为ECC;Z为直腹板;B为波纹腹板。
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    表  2   ECC配合比

    Table  2   Proportions of ECC /(kg/m3)

    材料掺量材料掺量材料掺量
    水泥500硅灰25矿粉50
    粉煤灰50减水剂3石英砂600
    膨胀剂25纤维18190
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    表  3   混凝土力学性能

    Table  3   Mechanical properties of concrete

    材料抗压强度/MPa抗拉强度/MPa弹性模量/GPa
    NC61.83.137.5
    ECC61.04.619.6
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    表  4   钢材力学性能

    Table  4   Mechanical properties of steel

    材料屈服强度/MPa极限强度/MPa弹性模量/GPa
    HRB400388.2493.5212.3
    Q345C375.0501.0209.8
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    表  5   试验结果

    Table  5   Test result

    试件编号 开裂点 屈服点 极限点 刚度/
    (×104 kN/mm)
    Pcr/kN cr/mm Py/kN y/mm Pu/kN u/mm
    SC-Z 21.1 1.1 331.5 14.2 411.1 35.1 2.55
    SC-B 15.8 0.8 249.3 13.8 316.4 32.9 2.06
    SE-Z 61.2 2.5 349.6 14.7 448.2 34.6 2.99
    SE-B 55.3 2.4 260.0 12.2 326.1 33.6 2.48
    注:Pcrcr分别表示开裂荷载及其所对应的跨中挠度;Pyy分别表示屈服荷载及其所对应的跨中挠度;Puu分别表示极限荷载及其所对应的跨中挠度。
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    表  6   有限元分析与试验结果对比

    Table  6   Table 6 Comparison of finite element analysis and test results

    试件编号 有限元结果/kN 试验结果/kN 误差/(%)
    SC-Z 382.1 411.1 7.1
    SC-B 306.1 316.4 3.3
    SE-Z 424.0 448.2 5.4
    SE-B 314.3 326.1 3.6
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  • [1]

    LI V C. On engineered cementitious composites (ECC): A review of the material and its applications [J]. Journal of Advanced Concrete Technology, 2003, 1(3): 215 − 230. doi: 10.3151/jact.1.215

    [2]

    LI V C, WANG S X. Microstructure variability and macroscopic composite properties of high performance fiber reinforced cementitious composites [J]. Probabilistic Engineering Mechanics, 2006, 21(3): 201 − 206. doi: 10.1016/j.probengmech.2005.10.008

    [3] 李雨珊, 尹世平, 徐世烺, 等. 工程水泥基复合材料与发泡式聚苯乙烯保温板的界面粘结性能[J]. 复合材料学报, 2022, 39(11): 5251 − 5263.

    LI Yushan, YIN Shiping, XU Shilang, et al. Bonding properties of the interface between engineering cementitious composite and expanded polystyrene insulation board [J]. Acta Materiae Compositae Sinica, 2022, 39(11): 5251 − 5263. (in Chinese)

    [4] 张君, 公成旭, 居贤春, 等. 延性纤维增强水泥基复合材料的抗弯性能[J]. 工程力学, 2010, 27(3): 112 − 115.

    ZHANG Jun, GONG Chengxu, JU Xianchun, et al. Bending performance of ductile fiber reinforced cementitious composite [J]. Engineering Mechanics, 2010, 27(3): 112 − 115. (in Chinese)

    [5] 钱辉, 陈程, 张庆元, 等. 自修复SMA/ECC复合材料加固RC梁受弯性能试验研究[J]. 工程力学, 2023, 40(6): 73 − 84. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0871

    QIAN Hui, CHEN Cheng, ZHANG Qingyuan, et al. Experimental study on flexural behavior of RC beam strengthened with self-repairing SMA/ECC composites materials [J]. Engineering Mechanics, 2023, 40(6): 73 − 84. (in Chinese) doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.11.0871

    [6] 李庆华, 银星, 郭康安, 等. 超高韧性水泥基复合材料与活性粉末混凝土界面剪切强度试验研究[J]. 工程力学, 2022, 39(8): 232 − 244. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0355

    LI Qinghua, YIN Xing, GUO Kang'an, et al. Experimental study on the interfacial shear strength between ultra-high toughness cementitious composites and reactive powder concrete [J]. Engineering Mechanics, 2022, 39(8): 232 − 244. (in Chinese) doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2021.05.0355

    [7] 邓明科, 宋诗飞, 张敏, 等. 高延性混凝土加固钢筋混凝土梁受剪性能试验研究及承载力计算[J]. 工程力学, 2021, 38(9): 36 − 44, 63. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0381

    DENG Mingke, SONG Shifei, ZHANG Min, et al. Experimental study on shear behavior and capacity prediction of RC beams strengthened with high ductile concrete [J]. Engineering Mechanics, 2021, 38(9): 36 − 44, 63. (in Chinese) doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.06.0381

    [8]

    LEI S, WU F W, LIU S, et al. Behavior of steel-ECC composite bridges under post-fire conditions [J]. Journal of Constructional Steel Research, 2023, 203: 107850. doi: 10.1016/j.jcsr.2023.107850

    [9] 周焕廷, 王峥峥, 张苏鹏, 等. 手风琴效应对预应力波纹腹板钢-混凝土组合梁抗火性能影响研究[J]. 建筑结构学报, 2022, 43(8): 174 − 184, 208.

    ZHOU Huanting, WANG Zhengzheng, ZHANG Supeng, et al. Influence of accordion effect on fire resistance of prestressed steel-concrete composite beams with corrugated webs [J]. Journal of Building Structures, 2022, 43(8): 174 − 184, 208. (in Chinese)

    [10]

    ELGAALY M, SESHADRI A, HAMILTON R W. Bending strength of steel beams with corrugated webs [J]. Journal of Structural Engineering, 1997, 123(6): 772 − 782. doi: 10.1061/(ASCE)0733-9445(1997)123:6(772)

    [11]

    NAWAR M T, EL-ZOHAIRY A, MAALY H M, et al. Prestressed steel-concrete composite I-beams with single and double corrugated web [J]. Buildings, 2023, 13(3): 13030647. doi: 10.3390/buildings13030647

    [12]

    YE M, LI L F, YOO D Y, et al. Shear performance of prestressed composite box beams with ultra-high-performance concrete and corrugated steel webs under different loading conditions [J]. Thin-Walled Structures, 2023, 186: 110675. doi: 10.1016/j.tws.2023.110675

    [13] 周焕廷, 伍先兴, 陈志华, 等. 波纹腹板开孔对预应力钢-混凝土组合梁抗火性能影响研究[J]. 中国公路学报, 2022, 35(6): 122 − 134.

    ZHOU Huanting, WU Xianxing, CHEN Zhihua, et al. Effects of web openings on fire resistance of prestressed steel-concrete composite beams with corrugated webs [J]. China Journal of Highway and Transport, 2022, 35(6): 122 − 134. (in Chinese)

    [14] 赵洋洋. ECC-波纹腹板组合梁负弯矩区力学性能研究[D]. 西安: 长安大学, 2022.

    ZHAO Yangyang. Study of mechanical properties of ECC-corrugated web combination beam in negative moment region [D]. Xi’an: Chang’an University, 2022. (in Chinese)

    [15]

    WU F W, FAN Z, HE L Q, et al. Behaviour of steel-BFRP bars reinforced ECC composite girders with corrugated webs under negative moment [J]. Structures, 2023, 50: 636 − 650. doi: 10.1016/j.istruc.2023.02.071

    [16]

    WANG S H, HE J, LIU Y Q. Shear behavior of steel I-girder with stiffened corrugated web, Part I: Experimental study [J]. Thin-Walled Structures, 2019, 140: 248 − 262. doi: 10.1016/j.tws.2019.02.025

    [17]

    WANG S H, LIU Y Q, HE J, et al. Experimental study on cyclic behavior of composite beam with corrugated steel web considering different shear-span ratio [J]. Engineering Structures, 2019, 180: 669 − 684. doi: 10.1016/j.engstruct.2018.11.044

    [18] 陈全胜, 侯圣均, 蒋晨晨, 等. 钢-混凝土-ECC组合梁受弯性能试验研究与有限元分析[J]. 建筑结构学报, 2022, 43(增刊1): 136 − 146.

    CHEN Quansheng, HOU Shengjun, JIANG Chenchen, et al. Experimental research and FEA on bearing capacity under negative moment of steel-concrete-ECC composite beams [J]. Journal of Building Structures, 2022, 43(Suppl 1): 136 − 146. (in Chinese)

    [19]

    FAN J S, GOU S K, DING R, et al. Experimental and analytical research on the flexural behaviour of steel–ECC composite beams under negative bending moments [J]. Engineering Structures, 2020, 210: 110309. doi: 10.1016/j.engstruct.2020.110309

    [20] 樊健生, 刘入瑞, 张君, 等. 采用混杂纤维ECC的叠合板组合梁负弯矩受力性能试验研究[J]. 土木工程学报, 2021, 54(4): 57 − 67.

    FAN Jiansheng, LIU Rurui, ZHANG Jun, et al. Experimental research on mechanical behavior of composite beams with precast slabs and hybrid fiber ECC under negative moment [J]. China Civil Engineering Journal, 2021, 54(4): 57 − 67. (in Chinese)

    [21] 樊健生, 施正捷, 芶双科, 等. 钢-ECC组合梁负弯矩区受弯性能试验研究[J]. 土木工程学报, 2017, 50(4): 64 − 72.

    FAN Jiansheng, SHI Zhengjie, GOU Shuangke, et al. Experimental research on negative bending behavior of steel-ECC composite beams [J]. China Civil Engineering Journal, 2017, 50(4): 64 − 72. (in Chinese)

    [22]

    HAMODA A, HOSSAIN K M A, SENNAH K, et al. Behaviour of composite high performance concrete slab on steel I-beams subjected to static hogging moment [J]. Engineering Structures, 2017, 140: 51 − 65. doi: 10.1016/j.engstruct.2017.02.030

    [23] 张哲, 李国强, 孙飞飞. 波纹腹板H型钢组合梁抗弯性能[J]. 土木工程学报, 2014, 47(5): 34 − 39.

    ZHANG Zhe, LI Guoqiang, SUN Feifei. Flexural behavior of the composite beam with corrugated webs [J]. China Civil Engineering Journal, 2014, 47(5): 34 − 39. (in Chinese)

    [24] 王达磊, 贺君, 陈艾荣, 等. 内衬混凝土波折钢腹板梁抗弯性能试验研究[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2012, 40(9): 1312 − 1317.

    WANG Dalei, HE Jun, CHEN Airong, et al. Experimental study on bending behavior of concrete-encased composite girder with corrugated steel web [J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2012, 40(9): 1312 − 1317. (in Chinese)

    [25] 张紫辰, 金学军, 甘亚南. 波纹腹板钢箱组合梁竖向弯曲力学性能[J]. 中国铁道科学, 2019, 40(6): 52 − 59.

    ZHANG Zichen, JIN Xuejun, GAN Yanan. Vertical bending mechanical properties of box composite girder with corrugated steel webs [J]. China Railway Science, 2019, 40(6): 52 − 59. (in Chinese)

    [26]

    ZHANG Z, ZOU P, DENG E F, et al. Experimental study on prefabricated composite box girder bridge with corrugated steel webs [J]. Journal of Constructional Steel Research, 2023, 201: 107753. doi: 10.1016/j.jcsr.2022.107753

    [27] 谢梦洁, 邹昀, 王城泉, 等. 新型预应力外包波纹钢-混凝土组合梁受弯性能试验研究[J]. 工程力学, 2021, 38(7): 64 − 74. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0461

    XIE Mengjie, ZOU Yun, WANG Chengquan, et al. Experiment study on bending behavior of novel prestressed steel-encased concrete composite beam with corrugated steel webs [J]. Engineering Mechanics, 2021, 38(7): 64 − 74. (in Chinese) doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2020.07.0461

    [28] 袁世雷, 李浪, 伍敏, 等. 波纹钢腹板组合箱梁拟平截面假定的试验验证及破坏分析[J]. 四川大学学报(工程科学版), 2013, 45(增刊1): 48 − 52.

    YUAN Shilei, LI Lang, WU Min, et al. Test of quasi plane assumption and failure of box girders with corrugated steel web [J]. Journal of Sichuan University (Engineering Science Edition), 2013, 45(Suppl 1): 48 − 52. (in Chinese)

    [29]

    YUAN F, PAN J L, WU Y F. Numerical study on flexural behaviors of steel reinforced engineered cementitious composite (ECC) and ECC/concrete composite beams [J]. Science China Technological Sciences, 2014, 57(3): 637 − 645. doi: 10.1007/s11431-014-5478-4

图(16)  /  表(6)
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-05-02
  • 修回日期:  2023-08-17
  • 网络出版日期:  2023-11-08
  • 刊出日期:  2025-05-24

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