木-混凝土组合梁桥长期性能试验研究

作者：彭乐宁贺国京曹雅蒙陈子昂

单位：湖南高速铁路职业技术学院铁道工程学院中南林业科技大学土木工程学院

摘要：本试验制作木-混凝土组合梁桥足尺试验模型,进行为期5个月荷载试验。通过对木-混凝土组合梁桥变形发展过程进行研究,得到木-混凝土组合梁桥跨中挠度-徐变曲线、应力-徐变曲线。采用试验的徐变曲线进行数值模拟分析。通过数值模拟计算结果与试验结果对比可知:数值模拟计算结果与试验结果吻合较好;试验的徐变曲线能真实反映木-混凝土组合梁桥在长期荷载作用下的变形发展过程;并提出了适用于木-混凝土组合梁桥在长期荷载作用下的变形计算公式,组合梁桥最终挠度增长系数为2.13。

关键词：木-混凝土组合梁桥长期性能跨中挠度-徐变曲线跨中应力-徐变曲线

作者简介：彭乐宁,硕士,助教,Email:1017878031@qq.com。
基金：国家自然科学基金项目“现代木—混凝土组合结构桥梁设计理论及应用基础研究”(51478485)。 -页码-：104-108

0 概述

　　木-混凝土组合结构是将木梁与混凝土翼板通过剪力连接件组合在一起共同工作的结构。20世纪50年代,在美国、芬兰等欧美国家,建造了大量木-混凝土组合梁桥,取得了较好经济和社会效益。随着木-混凝土组合结构应用的增加,20世纪90年代以后,国外学者开始对木-混凝土组合结构连接件进行了较为系统的研究 ^[1],发现槽口-栓钉连接件可作为稳固连接件使用 ^[2]。并对碳纤维增强木-混凝土T形梁进行了破坏试验及长期荷载试验 ^[3],得出木-混凝土T形梁具有承载能力高、经济环保的优点。国内对木-混凝土组合结构研究起步较晚,胡夏闽等 ^[4]于2010年对螺钉连接件木-混凝土组合梁进行了静力试验研究,陈伟 ^[5]于2016年对工程木-混凝土组合梁进行了受力性能分析与试验研究,李礼 ^[6]于2017年对胶合木-混凝土组合梁桥进行了整体性能研究分析。但目前对木-混凝土组合梁桥在长期荷载下工作性能的研究仍处于空白状态。

　　鉴于此,本文通过对木-混凝土组合梁桥长期荷载试验,研究其变形发展过程,得到木-混凝土组合梁桥跨中挠度-徐变曲线、跨中木梁底面应力-徐变曲线。根据试验参数,建立组合梁桥的有限元模型,采用试验徐变曲线,得到跨中截面挠度徐变增长系数和跨中截面应力徐变增长系数。提出适用于木-混凝土组合梁桥在长期荷载作用下的变形计算公式。

1 试验概况

1.1 试件设计

　　本试验通过槽口-栓钉连接件推出的试验结果 ^[7],确定组合梁连接件间距为350mm。依据《木结构设计规范》(GB 50005—2003),胶合木梁高跨比宜为1/25～1/8,高宽比不应大于6,根据试验需要,确定木梁梁高为450mm,梁宽为150mm。考虑木-混凝土组合梁桥的强度、刚度、最小截面尺寸要求及桥面单向行车宽度要求,依据《组合结构设计规范》(JGJ 138—2016)确定混凝土板厚度为100mm,板宽为3 500mm。模型结构细部尺寸如图1所示,木-混凝土组合梁桥构件尺寸参数如表1所示,材料特性参数如表2所示。木-混凝土组合梁桥胶合木梁编号由左往右方向依次编号为1#梁、2#梁、3#梁、4#梁,如图1(a)所示。

　　图3 现场试验堆载图

　　图4 跨中截面挠度测点图

　　图5 跨中截面应变测点图

　　图1 木-混凝土组合梁桥结构细部尺寸图/mm

　　 木-混凝土组合梁桥构件尺寸参数/cm 表1

木梁 (长×宽×高)	混凝土板 (长×宽×高)	横隔板 (长×宽×高)	槽口 (长×宽×高)	栓钉直径	栓钉入木深度
800×15×45	800×350×10	80×65×34	15×5×4	16	4

　　 木-混凝土组合梁桥构件材料特性参数表2

材料	型号	设计取用值/MPa	弹性模量/GPa
混凝土板	C30	13.8	30
胶合板	南方松I_c类	20	12
栓钉	16×12	320	220

　　注:栓钉选用的型号取自《电弧螺柱焊用圆柱头焊钉》(GB/T 10433—2002);混凝土板、胶合板、栓钉的设计取用值分别表示抗压强度、抗拉强度、屈服强度的设计取用值。

1.2 模型加载

　　根据《公路桥梁荷载试验规程》(JTG/T J21-01—2015),长期荷载试验加载重量为200kN。共分三级加载:第一级加载至试验总重量50%; 第二级加载至试验总重量80%; 第三级加载至试验总重量100%。加载布置如图2所示,现场试验堆载如图3所示。

　　图2 木-混凝土组合梁桥加载布置图

1.3 数据量测

　　参考薛伟辰 ^[8]文中的堆载试验,本文试验主要量测内容有:跨中挠度、跨中截面混凝土应变、跨中截面木梁应变。

1.3.1 挠度测点

　　在每片木梁支座处、跨中截面均布置一个挠度测点,采用百分表量测,如图4所示。

1.3.2 应变测点

　　在跨中截面混凝土上缘、下缘,木梁上缘、形心轴、下缘,均布置一个应变测点,采用高智能读数仪配套振弦式应变计量测,如图5所示。

1.3.3 数据量测

　　加载完成15min后且跨中截面挠度稳定后,开始读数作为加载完成后长期试验挠度初始值和应变初始值。

2 试验结果

　　以长期试验荷载加载完成时为起点,在5个月持续荷载作用下,测量跨中挠度、跨中截面混凝土板上缘应变、木梁下缘应变等,以研究其随时间的变化规律。

2.1 跨中挠度

　　各木梁跨中截面挠度徐变变形曲线如图6所示,木-混凝土组合梁桥跨中截面挠度均值徐变变形曲线如图7所示。由图6,7可知,木-混凝土组合梁桥在加载完成瞬时～17d的时间内挠度徐变增长很快,达到最终挠度徐变变形的58.3%;17d时挠度均值徐变变形为6.384mm;最终徐变变形完成后,实测挠度均值徐变最大值为11.88mm。以后徐变变形增长逐渐缓慢,至82d时挠度徐变变形基本完成,最终挠度均值徐变变形约为加载时立即产生的瞬时弹性变形(10.546mm)的1.13倍。

　　图6 木-混凝土组合梁桥各木梁跨中截面挠度徐变变形曲线

　　图7 木-混凝土组合梁桥跨中截面挠度均值徐变变形曲线

2.2 应变

2.2.1 木梁下缘应变

　　图8 木-混凝土组合梁桥各木梁跨中截面梁底下缘应变徐变变形曲线

　　图9 木-混凝土组合梁桥跨中截面木梁底下缘应变均值徐变变形曲线

　　木-混凝土组合梁桥各木梁跨中截面梁底下缘应变徐变变形曲线如图8所示,木-混凝土组合梁桥跨中截面梁底下缘应变均值徐变变形曲线如图9所示。由图8,9可知,木-混凝土组合梁桥在加载完成瞬时～17d的时间内应变徐变变形增长很快,达到最终应变徐变变形的59.4%;17d时应变均值徐变值为238με;最终应变均值徐变最大值为470με;以后应变均值徐变增长逐渐缓慢,至82d时应变徐变变形基本完成,最终应变均值徐变值约为加载时立即产生的瞬时应变值(761με)的0.62倍。

2.2.2 混凝土板应变

　　木-混凝土组合梁桥混凝土板跨中截面应变徐变变形曲线如图10所示。由图可知,木-混凝土组合梁桥在加载完成瞬时～17d的时间内混凝土板应变徐变可达到最终变形82%,17d后应变徐变变形基本完成。

　　图10 木-混凝土组合梁桥混凝土板跨中截面上、下缘应变徐变变形曲线

　　图11 木-混凝土组合梁桥跨中截面应变沿梁高分布的徐变变形曲线

2.2.3 跨中截面应变分布

　　木-混凝土组合梁桥跨中截面应变沿梁高分布的徐变变形曲线如图11所示。由图可知,由长期荷载试验数据得到木-混凝土组合梁桥加载完成瞬时,木-混凝土组合梁桥跨中截面基本满足平截面假设。此后,随交界面滑移增大,不再满足平截面假定。

2.3 木-混凝土组合梁桥长期挠度计算公式

　　基于长期荷载试验,得到挠度长期增长系数,依据欧洲规范ENV 1995-1-1 ^[9]、参考钢-混凝土组合梁受弯构件挠度长期值计算公式 ^[10,11,12],提出适用于木-混凝土组合梁桥挠度长期值计算公式。

2.3.1 木-混凝土组合梁桥截面有效刚度

　　依据欧洲规范ENV 1995-1-1,木-混凝土组合梁桥截面有效刚度(EI)_eff可按公式(1)计算:

　　 $(E Ι)_{e f f} = \sum_{i = 1}^{2} (E_{i} Ι_{i} + γ_{i} E_{i} A_{i} a_{i}^{2}) (1)$ $(E Ι)_{e f f} = \sum_{i = 1}^{2} (E_{i} Ι_{i} + γ_{i} E_{i} A_{i} a_{i}^{2}) (1)$

　　其中:

　　 $\begin{array}{l} A_{i} = b_{i} h_{i} \\ Ι_{i} = \frac{b_{i} h_{i}^{3}}{12} \\ γ_{2} = 1 \\ γ_{i} = [1 + π^{2} E_{i} A_{i} s_{i} / (Κ_{i} l^{2})]^{- 1} \\ a_{2} = \frac{γ_{1} E_{1} A_{1} (h_{1} + h_{2})}{2 \sum_{i = 1}^{2} γ_{i} E_{i} A_{i}} \end{array}$ $\begin{array}{l} A_{i} = b_{i} h_{i} \\ Ι_{i} = \frac{b_{i} h_{i}^{3}}{12} \\ γ_{2} = 1 \\ γ_{i} = [1 + π^{2} E_{i} A_{i} s_{i} / (Κ_{i} l^{2})]^{- 1} \\ a_{2} = \frac{γ_{1} E_{1} A_{1} (h_{1} + h_{2})}{2 \sum_{i = 1}^{2} γ_{i} E_{i} A_{i}} \end{array}$

　　式中:γ_i为无量纲的木-混凝土组合梁的剪力连接折减系数,取值范围0～1之间(取值为0时代表组合梁完全不剪力连接, 取值为1时代表组合梁完全剪力连接),下标i为木-混凝土组合梁桥材料种类个数,本文只有胶合木、混凝土两种材料,因此i取1,2,分别代表混凝土、胶合木; a₁和a₂分别为混凝土板截面形心轴和木梁截面形心轴至组合梁换算截面形心轴的距离; I₁和I₂分别为混凝土板和木梁的惯性矩; A₁和A₂分别为混凝土板和木梁的截面面积; E₁和E₂分别为混凝土板和木梁的弹性模量值; s₁和s₂分别为混凝土板和木梁的剪力连接件的间距; l为简支梁的跨度; K₁和K₂分别为混凝土板和木梁的剪力连接件的刚度;b₁和b₂分别为混凝土板截面的宽度、木梁的宽度;h₁和h₂分别为混凝土板截面的厚度、木梁的高度。

2.3.2 木-混凝土组合梁桥短期挠度计算

　　受弯构件的曲率φ按公式(2)计算:

　　 $φ = \frac{1}{ρ} = \frac{d^{2} y}{d x^{2}} = \frac{Μ}{(E Ι)_{e f f}} (2)$ $φ = \frac{1}{ρ} = \frac{d^{2} y}{d x^{2}} = \frac{Μ}{(E Ι)_{e f f}} (2)$

　　受弯构件的挠度ω按公式(3)计算:

　　 $ω = α \frac{Μ L^{2}}{(E Ι)_{e f f}} (3)$ $ω = α \frac{Μ L^{2}}{(E Ι)_{e f f}} (3)$

　　式中:M为计算截面处弯矩值; L为计算跨径; (EI)_eff为梁的有效刚度; α为挠度系数,与支承方式和作用形式有关。

2.3.3 木-混凝土组合梁桥长期挠度计算

　　木-混凝土组合梁桥长期挠度ω_L按公式(4)计算:

　　 $\begin{array}{l} ω_{L} = α \frac{Μ L^{2}}{(E Ι)_{e f f}} η_{θ} (4) \\ η_{θ} = (1 + δ_{ω}) (5) \end{array}$ $\begin{array}{l} ω_{L} = α \frac{Μ L^{2}}{(E Ι)_{e f f}} η_{θ} (4) \\ η_{θ} = (1 + δ_{ω}) (5) \end{array}$

　　式中:η_θ为长期挠度增长系数; δ_ω为徐变增长系数,即长期荷载作用下徐变完成后挠度稳定值与加载完成时挠度初始值之比值,为无量纲参数。

　　基于长期荷载试验,木-混凝土组合梁桥δ_ω最终值为1.13。故η_θ的取值为2.13,大于混凝土梁长期挠度增长系数1.60。由于木-混凝土组合梁桥剪力连接件滑移及木材蠕变大于混凝土徐变,因此,木-混凝土组合梁桥长期挠度增长系数较混凝土梁桥大。

3 木-混凝土组合梁桥数值分析

　　木-混凝土组合梁桥有限元分析模型采用梁单元进行模拟,连接件采用弹性连接模拟,纵向连接刚度K取值为6.8kN/mm ^[6],有限元模型如图12所示。采用试验徐变变形曲线,得到长期荷载试验跨中截面挠度各个时间节点计算值。并将数值模拟计算值与试验实测值进行对比(图13),结果表明数值模拟计算值与试验实测值吻合较好。

　　图12 木-混凝土组合梁桥有限元分析模型

　　图13 木-混凝土组合梁桥跨中截面数值模拟计算值与试验实测值结果对比图

4 结论

　　在持续荷载作用下对木-混凝土组合梁桥模型进行堆载试验,共开展了5个月,并探讨了木-混凝土组合梁桥长期变形的计算方法。主要研究结论如下:

　　 (1)木-混凝土组合梁桥长期挠度增长系数为2.13,建议设计时可偏安全取2.5。长期应变增长系数为1.62,建议设计时可偏安全取2.0。

　　 (2)长期荷载作用下木-混凝土组合梁桥长期挠度可按本文提出的公式(4)计算。

　　 (3)木-混凝土组合梁桥在加载初期,跨中截面符合平截面假定。随加载时间延长,由于混凝土板与木梁在交界面处的掀起作用,部分连接件被拔出,跨中截面不再拥有统一的中性轴,即不再满足平截面假定。

　　 (4)在长期荷载作用下连接件产生滑移、掀起对木-混凝土组合梁桥最终应力、挠度均值徐变系数的影响远大于混凝土徐变、木材蠕变。因此,在设计木-混凝土组合梁桥时,对连接件的刚度、入木深度需重点验算。

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Experimental study on long-term performance of timber-concrete composite beam bridge

PENG Lening HE Guojing CAO Yameng CHEN Zi′ang

(School of Railway Engineering, Hunan Technical College of Railway High-Speed School of Civil Engineering, Central South University of Forest and Technology)

Abstract: A full-scale test model of timber-concrete composite beam bridge was produced in this test,and a 5-month load test was conducted. By studying the deformation development process of the timber-concrete composite beam bridge, the mid-span deflection-creep curves and stress-creep curves of the composite beam bridge were obtained. The creep curve of test was used for numerical simulation analysis. The comparison between the numerical simulation calculation results and the test results shows that the numerical simulation calculation results are in good agreement with the test results, and the creep curve of the test can truly reflect the deformation development process of the timber-concrete composite beam bridge under long-term load. A formula for calculating the deformation of the composite timber-concrete beam bridge under long-term load is presented. The ultimate deflection growth coefficient of composite beam bridge is 2.13.

Keywords: timber-concrete composite beam bridge; long-term performance; mid-span deflection-creep curve; mid-span stress-creep curve

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