带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁

摘要

一种带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁，其断面口型由腹板和上、下翼缘连体构成。上翼缘与下翼缘平行，腹板垂直于上翼缘与下翼缘，梯形波折、正弦波形或平面板形腹板与翼缘采用双面角焊缝连接。上、下翼缘均为内部填充高性能自密实混凝土的钢管。组合梁上部为钢筋混凝土板，上翼缘与钢筋混凝土板之间通过抗剪连接件连接。本发明可以取代传统的热轧工字钢、H型钢组合梁和焊接工字钢组合梁，除了具有传统组合梁的优点外，还具有扭转刚度大、施工临时设施少、费用低、安全储备大、延性好、抗震性能好等优点，同时提供了一种能够更好地发挥结构钢及高性能混凝土优势的截面组合形式，在桥梁与组合结构领域内具有广阔的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于钢桥与钢-混凝土组合结构技术领域，具体涉及到带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁。

背景技术

传统钢-混凝土组合结构按其受力特点可以分为两大类，包括以受弯为主的钢-混凝土组合梁和以受压为主的钢管混凝土结构。钢-混凝土组合梁通常是指将带钢板翼缘的普通钢梁与混凝土板组合，两者之间通过剪力连接件连接为整体的受弯构件，组合梁具有建筑高度小、自重轻、承载力高、刚度大等优点。但普通钢-混凝土组合截面存在如下问题：第一，热轧工字钢、H型钢和焊接工字形钢梁的翼板受压时会出现局部失稳，为避免受压翼板局部失稳，须采取构造措施改善翼板受力，这样往往导致构造复杂、施工不便；第二，传统钢-混凝土组合梁为了使上下翼缘材料强度得到充分发挥，须将上下翼缘的距离拉大，腹板过高将使得腹板的稳定问题变得很突出。腹板和受压翼缘的稳定问题成为控制设计的主要因素时，会使设计变得不经济。

钢管混凝土是在钢管中填充混凝土形成的一种组合结构形式，因其具有良好的抗压性能，在建筑结构的桩、柱，桥梁结构的拱肋、桥墩等领域得到了广泛应用。钢管混凝土通过钢管的套箍作用使混凝土处于三向受压状态而提高结构承载力，同时利用内填混凝土增强钢管壁的局部稳定性，但单圆管截面梁的抗弯效率较低。

目前在已获准和已受理的专利以及国内外文献中还未发现将钢-混凝土组合梁的上下翼缘钢板分别用钢管混凝土代替的实例。研究用钢管混凝土代替传统的热轧工字钢、H型钢和焊接工字钢组合梁的上下平板钢翼缘，形成带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁，应用于钢桥及钢-混凝土组合结构技术领域，是本领域技术人员的研究目标。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述钢-混凝土组合梁与钢管混凝土的缺点，提供一种设计合理、结构简单、施工简便、可提高钢管混凝土抗弯效率的带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在下翼缘的长度方向设置有腹板，腹板的前后表面设置有加劲肋，腹板的上端设置有在钢管内浇注自密实混凝土构成的上翼缘钢管混凝土，在上翼缘钢管混凝土上端设置有混凝土上翼板。本发明的下翼缘为在钢管内浇注自密实混凝土构成的下翼缘钢管混凝土，上翼缘钢管混凝土和下翼缘钢管混凝土的钢管为矩形钢管或圆形钢管，横截面为圆形环状结构或矩形环状结构。本发明的腹板的水平截面形状为梯形波折或正弦波形或平面板形。

本发明的上翼缘钢管混凝土和下翼缘钢管混凝土的圆形钢管的外径为100mm～500mm，管壁厚为3mm～16mm。本发明的上翼缘钢管混凝土和下翼缘钢管混凝土的矩形钢管横截面的外宽为100mm～700mm、外高为60mm～200mm、管壁厚为3mm～16mm，其中外宽大于外高。

本发明的上翼缘钢管混凝土与下翼缘钢管混凝土的钢管截面与形状相同或不相同。

本发明的梯形波折腹板的水平截面为正梯形与倒梯形首尾相互连为一体的梯形波折曲线。

本发明的正梯形为正等腰梯形，倒梯形为倒等腰梯形，正等腰梯形的上底与下底的比为1∶2～4，斜边与底边的夹角α为30°～45°，倒等腰梯形与正等腰梯形的几何形状相同方向相反，波高H₁取值为下翼缘钢管混凝土外径或外宽的3/10～3/5，该腹板的厚度为3mm～16mm，高度为200mm～2500mm。

本发明的正弦波形腹板的水平截面为正弦波形曲线，正弦波形曲线的方程为：

y＝H₂sin(2πx/L₂)

式中：L₂为波长，H₂为波高，y、x为正弦波形曲线计算点的坐标值。

本发明的正弦波形腹板的波高H₂取值为下翼缘钢管混凝土外径或外宽的3/10～3/5，波长L₂取值为180mm～2400mm，厚度为3mm～16mm，高度为200mm～2500mm。

本发明的平面板型腹板的厚度为3mm～16mm，高度为200mm～2500mm；加劲肋的厚度为4mm～16mm；混凝土上翼板的长度为1200mm～60000mm、宽度为500mm～2500mm、厚度为60mm～250mm，其中长大于宽。

本发明将传统钢-混凝土组合梁的上、下钢板翼缘用矩形或者圆形钢管代替，并在钢管内部填充高性能自密实混凝土，使传统组合梁的钢梁部分也成为组合梁，显著提高了组合梁的横向扭转刚度，减少了横梁数量和施工过程中临时构件的数量；避免了施工过程中钢梁受压平板翼缘发生局部屈曲，保证了施工的安全，简化了施工工艺。本发明中，上、下翼缘钢管的竖向尺寸减小了腹板的高度，克服了由于腹板高厚比过大在设计中引起的稳定问题；钢筋混凝土翼板混凝土压碎之后，钢管混凝土翼缘仍能够继续承载，不会出现结构的突然坍塌，对防灾减灾有重要意义。研究表明，对设计标准相同的简支梁，采用带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁自重比传统组合梁轻8.5％。本发明具有施工方便、自重轻、安全储备高、扭转刚度大、延性好等优点，在钢桥及钢-混凝土组合结构中具有很好的发展前景。

附图说明

图1是本发明实施例1的主视图。

图2是图1的左视图。

图3是本发明实施例4的主视图。

图4是图3的左视图。

图5是图1和图3的A-A剖视图。

图6是梯形波折腹板2的结构示意图。

图7是正弦波形腹板2的结构示意图。

图8是实施例1的荷载—跨中挠度曲线。

图9是实施例1的纵向应变沿梁高分布曲线。

图10是实施例4的荷载—跨中挠度曲线。

图11是实施例4的纵向应变沿梁高分布曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

图1、图2、图5给出了本实施例带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁的结构示意图。在图1、图2、图5中，本实施例的带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁由上翼缘钢管混凝土1、腹板2、下翼缘钢管混凝土3、加劲肋4、混凝土上翼板5、栓钉6连接构成。

本实施例的下翼缘钢管混凝土3由在矩形钢管内浇注自密实混凝土构成，矩形钢管的横截面为矩形环状结构。在下翼缘钢管混凝土3外表面长度方向焊接有腹板2，腹板2与下翼缘钢管混凝土3垂直，本实施例的腹板2为平面腹板，水平截面为矩形，结构示意图见图5。腹板2的上端焊接连接有上翼缘钢管混凝土1，上翼缘钢管混凝土1为在圆形钢管内浇注自密实混凝土构成，圆形钢管的横截面为圆形环状结构。在腹板2的前后表面上焊接有竖向加劲肋4，加劲肋4与上翼缘钢管混凝土1、下翼缘钢管混凝土3、腹板2垂直，加劲肋4的间距、宽度、厚度参照《钢结构设计规范》(GB50017-2003)或者《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ 025-86)进行设计。

上述上翼缘钢管混凝土1、下翼缘钢管混凝土3的自密实混凝土所用的质量比可以相同也可以不同。本实施例自密实混凝土原料配比如下：

每立方米混凝土中水泥与粉煤灰、砂、碎石、水的质量比为360∶90∶651∶1050∶227.75，减水剂的型号为HSP-GX，由陕西恒升外加剂有限公司生产，减水剂的掺入量为水泥和粉煤灰质量和的0.85％。

在上翼缘钢管混凝土1的上端面用栓钉6固定连接有混凝土上翼板5，混凝土上翼板5为钢筋混凝土结构。混凝土上翼板5的上表面为平面，混凝土上翼板5的下端面与上翼缘钢管混凝土1连接部位为半圆弧面，侧面与水平面的夹角为45°，混凝土上翼板5可以预制，也可现场浇筑。预制时，栓钉6的下端通过焊接与上翼缘钢管混凝土1的上端面连接，混凝土上翼板5上预留连接孔，混凝土上翼板5放置在上翼缘钢管混凝土1的上端面上，然后在预留孔内浇注水泥混凝土。现场浇筑时，栓钉6的下端通过焊接与上翼缘钢管混凝土1的上端面连接，然后立模板浇注混凝土上翼板5。采用多个带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁构成结构整体时，需设置必要的横向连接系。

本实施例带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁部件的具体几何尺寸如下：

上翼缘钢管混凝土1的圆钢管横截面外径为133mm、管壁厚为4mm，上翼缘钢管混凝土1的长度为4300mm；下翼缘钢管混凝土3的矩形钢管横截面外宽、外高、管壁厚分别为160mm、80mm、6.5mm，下翼缘钢管混凝土3的长度为4300mm；腹板2的厚度为6mm、高度为227mm、长度为4300mm；加劲肋4的宽度为57mm、厚度为12mm；混凝土上翼板5的长、宽、厚度分别为4300mm、600mm、80mm。

实施例2

本实施例带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁的部件以及部件的连接关系与实施例1相同，部件的具体几何尺寸如下：

上翼缘钢管混凝土1的圆钢管横截面外径为100mm、管壁厚为3mm，上翼缘钢管混凝土1的长度为1200mm；下翼缘钢管混凝土3的矩形钢管横截面外宽、外高、管壁厚分别为100mm、60mm、3mm，下翼缘钢管混凝土3的长度为1200mm；腹板2为平面腹板，腹板2的厚度为3mm、高度为200mm、长度为1200mm；加劲肋4的厚度为4mm；混凝土上翼板5的长、宽、厚度分别为1200mm、500mm、60mm。

实施例3

本实施例带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁的部件以及部件的连接关系与实施例1相同，部件的具体几何尺寸如下：

上翼缘钢管混凝土1的圆钢管外径为500mm、管壁厚为16mm，上翼缘钢管混凝土1的长度为60000mm；下翼缘钢管混凝土3的矩形钢管横截面的外宽、外高、管壁厚分别为700mm、200mm、16mm，下翼缘钢管混凝土3的长度为60000mm；腹板2为平面腹板，腹板2的厚度为16mm、高度为2500mm，长度为60000mm；加劲肋4的厚度为16mm；混凝土上翼板5的长、宽、厚度分别为60000mm、2500mm、250mm。

实施例4

图3、图4、图5给出了本实施例带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁的结构示意图。在图3、图4、图5中，本实施例的上翼缘钢管混凝土1为矩形钢管，上翼缘钢管混凝土1的横截面为矩形环状结构，上翼缘钢管混凝土1内浇注自密实混凝土。下翼缘钢管混凝土3为矩形钢管，下翼缘钢管混凝土3的横截面为矩形环状结构，下翼缘钢管3内浇注自密实混凝土。自密实混凝土所用的原料及其质量配比与实施例1相同。混凝土上翼板5的下端面为平面，混凝土上翼板5为钢筋混凝土结构，可以预制或现场浇注。其它部件以及部件的连接关系与实施例1相同。

本实施例带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁部件的具体几何尺寸如下：

上翼缘钢管混凝土1的矩形钢管横截面外宽、外高、管壁厚分别为160mm、80mm、6mm，上翼缘钢管混凝土1的长度为4300mm；下翼缘钢管混凝土3的矩形钢管横截面的外宽、外高、管壁厚分别为160mm、80mm、6.5mm，下翼缘钢管混凝土3的长度为4300mm；腹板2为平腹板，长度为4300mm、厚度为6mm、高度为280mm；加劲肋4的宽度为57mm、厚度为12mm；混凝土上翼板5的长、宽、厚度分别为4300mm、600mm、80mm。

实施例5

本实施例带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁的部件以及部件的连接关系与实施例4相同，部件的具体几何尺寸如下：

上翼缘钢管混凝土1的矩形钢管横截面外宽、外高、管壁厚分别为100mm、60mm、3mm；下翼缘钢管混凝土3的矩形钢管横截面外宽、外高、管壁厚分别为100mm、60mm、3mm；腹板2为平腹板，长度为1200mm、厚度为3mm、高度为200mm；加劲肋4的厚度为4mm；混凝土上翼板5的长、宽、厚度分别为1200mm、500mm、60mm。

实施例6

本实施例带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁的部件以及部件的连接关系与实施例4相同，部件的具体几何尺寸如下：

上翼缘钢管混凝土1的矩形钢管横截面的外宽、外高、管壁厚分别为700mm、200mm、16mm，上翼缘钢管混凝土1的长度为60000mm；下翼缘钢管混凝土3矩形钢管横截面的外宽、外高、管壁厚分别为700mm、200mm、16mm，下翼缘钢管混凝土3的长度为60000mm；腹板2为平腹板，长度为60000mm、厚度为16mm、高度为2500mm；加劲肋4的厚度为16mm；混凝土上翼板5的长、宽、厚度分别为60000mm、2500mm、250mm。

实施例7

本实施例的上翼缘钢管混凝土1的钢管为矩形钢管，上翼缘钢管混凝土1钢管的横截面为矩形环状结构，上翼缘钢管混凝土1的钢管内浇注自密实混凝土，上翼缘钢管混凝土1的钢管的几何尺寸与实施例4的上翼缘钢管混凝土1的钢管相同。下翼缘钢管混凝土3的钢管为圆形钢管，下翼缘钢管混凝土3钢管的横截面为圆形环状结构，下翼缘钢管混凝土3的钢管内浇注自密实混凝土，下翼缘钢管混凝土3的圆形钢管几何尺寸与实施例1上翼缘钢管混凝土1的钢管相同。上翼缘钢管混凝土1、下翼缘钢管混凝土3的自密实混凝土所用的原料及其质量配比与实施例1相同。混凝土上翼板5与实施例4相同。其它部件以及部件的连接关系与实施例4相同。

实施例8

本实施例的上翼缘钢管混凝土1的钢管为矩形钢管，上翼缘钢管混凝土1钢管的横截面为矩形环状结构，上翼缘钢管混凝土1的钢管内浇注自密实混凝土，上翼缘钢管混凝土1的钢管的几何尺寸与实施例5的上翼缘钢管混凝土1的钢管相同。下翼缘钢管混凝土3的钢管为圆形钢管，下翼缘钢管混凝土3钢管的横截面为圆形环状结构，下翼缘钢管混凝土3的钢管内浇注自密实混凝土，下翼缘钢管混凝土3的圆形钢管几何尺寸与实施例2上翼缘钢管混凝土1的钢管相同。上翼缘钢管混凝土1、下翼缘钢管混凝土3的自密实混凝土所用的原料及其质量配比与实施例1相同。混凝土上翼板5与实施例5相同。其它部件以及部件的连接关系与实施例5相同。

实施例9

本实施例的上翼缘钢管混凝土1的钢管为矩形钢管，上翼缘钢管混凝土1钢管的横截面为矩形环状结构，上翼缘钢管混凝土1的钢管内浇注自密实混凝土，上翼缘钢管混凝土1的钢管的几何尺寸与实施例6的上翼缘钢管混凝土1的钢管相同。下翼缘钢管混凝土3的钢管为圆形钢管，下翼缘钢管混凝土3钢管的横截面为圆形环状结构，下翼缘钢管混凝土3的钢管内浇注自密实混凝土，下翼缘钢管混凝土3的圆形钢管几何尺寸与实施例3上翼缘钢管混凝土1的钢管相同。上翼缘钢管混凝土1、下翼缘钢管混凝土3的自密实混凝土所用的原料及其质量配比与实施例1相同。混凝土上翼板5与实施例6相同。其它部件以及部件的连接关系与实施例6相同。

实施例10

本实施例的上翼缘钢管混凝土1的钢管为圆形钢管，上翼缘钢管混凝土1钢管的横截面为圆形环状结构，下翼缘钢管混凝土3的钢管为圆形钢管，下翼缘钢管混凝土3钢管的横截面为圆形环状结构。上翼缘钢管混凝土1和下翼缘钢管混凝土3的圆形钢管的几何尺寸相同，且与实施例1的上翼缘钢管混凝土1的钢管相同。上翼缘钢管混凝土1和下翼缘钢管混凝土3的钢管内浇注自密实混凝土，自密实混凝土所用的原料及其质量配比与实施例1相同。混凝土上翼板5与实施例1相同。其它部件以及部件的连接关系与实施例1相同。

实施例11

本实施例的上翼缘钢管混凝土1的钢管为圆形钢管，上翼缘钢管混凝土1钢管的横截面为圆形环状结构，下翼缘钢管混凝土3的钢管为圆形钢管，下翼缘钢管混凝土3钢管的横截面为圆形环状结构。上翼缘钢管混凝土1和下翼缘钢管混凝土3的圆形钢管的几何尺寸相同，且与实施例2的上翼缘钢管混凝土1的钢管相同。上翼缘钢管混凝土1和下翼缘钢管混凝土3的钢管内浇注自密实混凝土，自密实混凝土所用的原料及其质量配比与实施例1相同。混凝土上翼板5与实施例2相同。其它部件以及部件的连接关系与实施例2相同。

实施例12

本实施例的上翼缘钢管混凝土1的钢管为圆形钢管，上翼缘钢管混凝土1钢管的横截面为圆形环状结构，下翼缘钢管混凝土3的钢管为圆形钢管，下翼缘钢管混凝土3钢管的横截面为圆形环状结构。上翼缘钢管混凝土1和下翼缘钢管混凝土3的圆形钢管的几何尺寸相同，且与实施例3的上翼缘钢管混凝土1的钢管相同。上翼缘钢管混凝土1和下翼缘钢管混凝土3的钢管内浇注自密实混凝土，自密实混凝土所用的原料及其质量配比与实施例1相同。混凝土上翼板5与实施例3相同。其它部件以及部件的连接关系与实施例3相同。

实施例13

在以上的实施例1、4、7、10中，将腹板2的形状改为梯形波折结构，结构示意图见图6。腹板2的水平截面为正等腰梯形与倒等腰梯形首尾相互连为一体的梯形波折曲线，正等腰梯形上底与下底的比为1∶2.6，斜边与底边的夹角α为37°(波高H₁为48mm，波长L₁为288mm)，腹板2的厚度为4mm，高度为300mm。其它部件以及部件的连接关系与相应的实施例相同。

实施例14

在以上的实施例2、5、8、11中，将腹板2的形状改为梯形波折结构，结构示意图见图6。腹板2的水平截面为正等腰梯形与倒等腰梯形首尾相互连为一体的梯形波折曲线，正等腰梯形的上底与下底的比为1∶4，斜边与底边的夹角α为30°(波高H₁为30mm，波长L₁为173.2mm)，腹板2的厚度为3mm，高度为200mm。其它部件以及部件的连接关系与相应的实施例相同。

实施例15

在以上的实施例3、6、9、12中，将腹板2的形状改为梯形波折结构，结构示意图见图6。腹板2的水平截面为正等腰梯形与倒等腰梯形首尾相互连为一体的梯形波折曲线，正等腰梯形的上底与下底的比为1∶2，斜边与底边的夹角α为45°(波高H₁为420mm，波长L₁为2520mm)，腹板2的厚度为16mm，高度为2500mm。其它部件以及部件的连接关系与相应的实施例相同。

实施例16

在以上的实施例1、4、7、10中，将腹板2的形状改为正弦波形结构，结构示意图见图7。腹板2的水平截面为正弦波形曲线，正弦波形曲线的方程为：

y＝H₂sin(2πx/L₂)

式中：H₂为波高，L₂为波长，y、x为正弦波形曲线计算点的坐标值，正弦波形曲线的坐标体系如图7所示。正弦波形腹板2的波高H₂取值为下翼缘钢管混凝土3钢管外径或外宽的1/3，波长L₂取值为576mm，厚度为4mm，高度为300mm。其它部件以及部件的连接关系与相应的实施例相同。

实施例17

在以上的实施例2、5、8、11中，将腹板2的形状改为正弦波形结构，结构示意图见图7。腹板2的水平截面为正弦波形曲线，正弦波形曲线的方程为：

y＝H₂sin(2πx/L₂)

式中：H₂为波高，L₂为波长，y、x为正弦波形曲线计算点的坐标值，正弦波形曲线的坐标体系如图7所示。正弦波形腹板2的波高H₂取值为下翼缘钢管混凝土3钢管外径或外宽的3/10，波长L₂取值为180mm，厚度为3mm，高度为200mm。其它部件以及部件的连接关系与相应的实施例相同。

实施例18

在以上的实施例3、6、9、12中，将腹板2的形状改为正弦波形结构，结构示意图见图7。腹板2的水平截面为正弦波形曲线，正弦波形曲线的方程为：

y＝H₂sin(2πx/L₂)

式中：H₂为波高，L₂为波长，y、x为正弦波形曲线计算点的坐标值，正弦波形曲线的坐标体系如图7所示。正弦波形腹板2的波高H₂取值为下翼缘钢管混凝土3钢管外径或外宽的3/5，波长L₂取值为2400mm，厚度为16mm，高度为2500mm。其它部件以及部件的连接关系与相应的实施例相同。

为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1和实施例4制备的带混凝土翼板的双钢管混凝土翼缘组合梁(试验时简称试验梁)进行试验，各种试验情况如下：

测试仪器：1000kN油压千斤顶，型号为ZJ100型加载千斤顶，由上海遵义液压机械厂生产；静态电阻应变仪，型号为TDS-602，由日本生产；1000kN压力传感器，型号为9801-L1-100T，由日本生产；位移计，型号为YHD-100型，由江苏溧阳市仪表厂生产；机电百分表，型号为WBD型，由浙江省温岭市科特电子仪器厂生产；导杆式引伸仪，型号为YHD-10导型，由江苏溧阳市仪表厂生产；电阻应变计，型号为BE120-5AA、BQ120-80AA、BE-120-3CA由陕西汉中市中航工业电测仪器股份有限公司生产。

一、实施例1 试验梁的抗弯性能试验

1、试验梁设计参数

试验梁钢材均采用Q235钢，轴心抗压强度为46.4MPa。上翼缘钢管混凝土1的钢管采用外径为133mm、管壁厚为4mm的直缝焊接钢管，长度为4300mm。下翼缘钢管混凝土3的钢管采用外宽、外高、管壁厚分别为160mm、80mm、6.5mm的直缝焊接钢管，长度为4300mm。腹板2为平面腹板，厚度为6mm、高度为227mm，长度为4300mm。加劲肋4的宽度为57mm、厚度为12mm。混凝土上翼板5的长×宽×厚度为4300mm×600mm×80mm，制备混凝土上翼板5的普通钢筋均为Ⅰ级钢筋，公称直径6mm，纵向配筋率为0.89％，横向配筋率为0.82％，混凝土上翼板5的混凝土轴心抗压强度为40.8MPa、弹性模量为3.47×10⁴MPa。试验梁的高度为520mm、长度为4300mm、两支点间距为4000mm。

2、试验装置及加载步骤

试验在长安大学桥梁结构实验室进行，使用1000kN油压千斤顶加载，荷载由1000kN压力传感器测量。采用TDS-602静态电阻应变仪对试验全过程的应变和位移进行数据采集。试验梁简支安装，两个支点分别位于试验梁靠近两个端部的加劲肋的正下方，其中一个支点约束试验梁的纵向位移以及竖向位移，另一个支点只约束试验梁的竖向位移。试验梁采用四点加载方法，加载时在试验梁混凝土上翼板5顶面放置两个支座，两个加载支座在混凝土上翼板5上的位置与试验梁两道中间竖向加劲肋对应。支座上放置加载分配横梁，千斤顶加载点位于分配梁的正中间。试验时先预压试验梁三次，最大预压荷载为50kN，然后从0kN开始连续加载直到试验梁破坏。

3、试验结果及分析

(1)破坏过程及破坏形态

试验梁破坏时，下翼缘钢管混凝土3底面钢板已经屈服，混凝土上翼板5位于两个加载点之间的底面出现大量的弯曲裂缝，加载点位置裂缝贯穿整个混凝土板。导杆引伸仪测试结果显示，试验过程中混凝土上翼板5和上翼缘钢管混凝土1之间没有发生相对滑移，混凝土上翼板5与上翼缘钢管混凝土1之间连接可靠。实验过程中没有发现上翼缘钢管混凝土1、腹板2发生局部屈曲。

(2)荷载与挠度关系

试验时在试验梁跨中下翼缘钢管混凝土3底面布置位移计测试荷载与试验梁挠度关系，位移计编号为DF4。荷载与挠度关系见表1和图8。表1中荷载由力传感器测试得到，挠度由位移计DF4测试得到。图8绘制了位移计DF4测试结果随荷载的变化规律。

                       表1 荷载与挠度关系

  荷载(kN)  挠度(mm)  荷载(kN)  挠度(mm)  荷载(kN)  挠度(mm)  荷载(kN)  挠度(mm)  0.0  0.00  509.9  8.71  599.2  10.44  790.5  17.16  20.2  0.40  519.3  8.88  603.8  10.77  801.3  17.79  41.1  0.69  530.7  9.08  606.7  10.83  802.9  18.14  60.6  1.01  540.2  9.26  609.6  10.92  804.6  18.27  82.5  1.39  538.6  9.46  616.8  11.04  810.4  18.75  80.8  1.38  544.1  9.48  620.4  11.10  812.7  18.96  99.1  1.66  547.7  9.54  620.4  11.17  820.9  19.30  120.0  2.00  550.3  9.56  623.6  11.21  834.9  20.17  138.9  2.29  552.9  9.61  629.5  11.32  843.0  20.75  159.4  2.59  556.5  9.65  630.8  11.38  849.6  21.36  209.3  3.33  559.1  9.70  640.6  11.51  856.1  21.93

  238.6  3.67  561.0  9.79  650.7  11.70  863.9  22.66  295.4  4.57  562.7  9.86  655.6  11.87  870.1  23.30  384.0  6.59  538.6  9.46  659.8  11.92  876.9  24.13  394.8  6.69  544.1  9.48  662.8  12.00  886.4  25.36  402.9  6.77  547.7  9.54  667.0  12.13  892.3  26.09  405.2  6.80  550.3  9.56  678.4  12.68  896.8  26.69  407.2  6.82  552.9  9.61  689.2  12.96  901.1  27.41  419.6  6.98  556.5  9.65  699.9  13.22  907.9  28.55  418.6  6.98  559.1  9.70  702.2  13.33  911.2  29.04  431.6  7.20  561.0  9.79  712.6  13.56  916.7  29.84  429.7  7.20  562.7  9.86  716.9  13.75  919.6  30.62  439.4  7.30  568.9  9.87  719.5  13.85  922.6  31.34  458.4  7.59  573.8  9.88  730.6  14.27  925.5  31.86  461.6  7.64  577.0  9.93  740.3  14.50  930.4  32.72  469.8  7.78  579.3  10.05  750.1  14.94  933.7  33.41  480.2  7.94  582.6  10.12  759.3  15.35  940.5  35.14  489.3  8.11  585.8  10.18  767.4  15.68  947.7  36.80  499.4  8.30  588.4  10.23  780.4  16.29  950.9  37.76  502.0  8.59  593.3  10.31  786.3  16.68  954.5  38.64  505.6  8.63  596.9  10.36  788.3  16.98  956.8  39.35

由表1和图8可见，试验梁的受力过程可以分为弹性阶段、弹塑性阶段、塑性阶段。当荷载在0.0kN～458.4kN时，试验梁的受力过程处于弹性阶段，试验梁各截面均处于弹性状态，表现出整体工作性能，荷载与跨中挠度基本呈直线关系。荷载在458.4kN～911.2kN时，试验梁的受力过程处于弹塑性阶段，试验梁截面部分进入塑性，挠度发展明显加快，试验梁跨中挠度随荷载增加呈现非线性变化。荷载在911.2kN～956.8kN时，试验梁的受力过程处于塑性阶段，试验梁刚度明显降低，跨中挠度发展较快；当外荷载达到956.8kN时，实验梁承受的荷载达到最大值。从加载开始到试验梁的下翼缘钢管混凝土3钢管底面开始屈服前，试验梁呈现出很好的整体工作性能，变形较小，仅为7.65mm，说明试验梁在弹性范围内具有较大刚度。试验梁破坏时跨中挠度最大为39.35mm，说明试验梁延性较好。

(3)不同荷载作用下试验梁跨中截面纵向应变沿梁高方向分布规律

在试验梁跨中断面布置纵向应变片，测试不同荷载作用下纵向应变沿梁高方向的变化规律。以下翼缘钢管混凝土3底面为零点，分别在试验梁跨中断面梁高为0mm、40mm、80mm、195mm、373.5mm、480mm、520mm位置布置应变测点测试各级荷载作用下纵向应变沿梁高的变化规律。不同荷载作用下试验梁纵向应变沿梁高方向分布规律见表2和图9，表2中荷载由力传感器测试得到，应变由应变片测试得到。图9绘制了各级荷载作用下应变片测试结果沿梁高的变化规律。

        表2 不同荷载作用下试验梁纵向应变沿梁高方向的分布

由表2和图9可见，在加载的初期阶段，试验梁的钢梁部分和混凝土上翼板5各测点测试值保持在同一条平滑的直线，说明在跨中截面混凝土翼板和钢梁的弯曲曲率基本相同，可见试验梁处于弹性受力阶段时，截面应变服从平截面假定。当下翼缘钢管混凝土3的钢管底面屈服后，平截面假定仍近似成立。以下翼缘钢管混凝土3底面为原点，随着荷载的进一步增大，中性轴从弹性阶段的390mm不断上移至梁高的427mm位置，试验梁应变增长速度加快，在接近极限荷载时，试验梁全截面塑形发展较充分。

(4)相对滑移测试

试验过程中，在试验梁上翼缘钢管混凝土1和下翼缘钢管混凝土3内的自密实混凝土两端面布置机电百分表来测试上翼缘钢管混凝土1和下翼缘钢管混凝土3的钢管与自密实混凝土之间是否发生相对滑移，测试结果表明均未发生相对滑移。在试验梁上翼缘钢管混凝土1的圆形钢管与混凝土上翼板5之间布置导杆式引伸仪来测试上翼缘钢管混凝土1的圆形钢管与混凝土上翼板5之间是否发生相对滑移，测试结果显示在靠近固定铰支座端产生相对滑移，最大值为0.13mm；活动铰支座端无相对滑移。

4、试验结论

(1)试验结果表明，试验梁的上翼缘钢管混凝土1的圆形钢管、下翼缘钢管混凝土3的矩形钢管与内浇注的自密实混凝土均粘结紧密，变形一致；试验梁呈塑性弯曲破坏特征，结构延性较好。

(2)试验梁的上翼缘钢管混凝土1和下翼缘钢管混凝土3，降低了腹板2的高度，提高了试验梁的稳定性。

二、实施例1 试验梁的偏载试验

1、试验梁

偏载试验所采用的试验梁与实施例1抗弯试验梁(上翼缘为圆形钢管混凝土、下翼缘为矩形钢管混凝土)相同。

2、试验装置及加载步骤

试验在长安大学桥梁结构实验室进行，使用500kN手摇机械千斤顶加载，荷载由1000kN压力传感器测量。采用TDS-602静态电阻应变仪对试验全过程的应变和位移进行数据采集。试验梁简支安装，两个支点分别位于试验梁靠近两个端部的加劲肋的正下方，其中一个支点约束试验梁的纵向位移以及竖向位移，另一个支点只约束试验梁的竖向位移。试验梁采用三点加载方法，千斤顶加载点位于试验梁混凝土上翼板5顶面正中间。试验时先预压试验梁三次，最大预压荷载为10kN。加载时按照千斤顶横向偏离试验梁跨中断面混凝土上翼板5顶面中心0mm、20mm、50mm、100mm，将试验分为4个工况。每个试验工况从0kN开始按照10kN一个荷载步加载，加载到100kN时停止加载。试验结果见表3。

3、试验结果及分析

(1)应变分析

表3中SW5和SW8为试验梁跨中断面腹板上的竖向应变测点，SW5和SW8布置在腹板正反面同一高度位置，距下翼缘矩形钢管混凝土3的下表面110mm，SW5位于偏载侧。通过SW5和SW8的值可以反应试验梁在偏载作用下的应变分布情况。50kN荷载作用下各工况的应变测试结果见表3。

                表3 腹板2的竖向应变

  工况  工况一  工况二  工况三  工况四  SW5(με)  28  32  37  54  SW8(με)  57  54  48  41

由表3可见，在偏载工况下，试验梁偏载侧的测点SW5的应变随着偏载距离的增加而增大，测点SW8的应变随着偏载距离的增加而减小。

(2)位移分析

表4中DT3和DT4为试验梁跨中断面混凝土上翼板5竖向位移测点，DT3和DT4位于试验梁混凝土顶板两侧对称位置，距梁轴线200mm。通过DT3和DT4的测试值可以反映试验梁在偏载作用下的竖向位移大小。表4中各测点测试值为50kN荷载作用下各个测点竖向位移值。

                 表4 混凝土上翼板5的竖向位移

  工况  工况一  工况二  工况三  工况四  DT3测试值(mm)  0.72  0.89  1.14  1.57  DT4测试值(mm)  0.72  0.56  0.32  -0.08

由表4可见，试验梁偏载侧的测点DT3的位移随着偏载距离的增加而增大，测点DT4的位移随着偏载距离的增加而减小。

三、实施例4试验梁的抗弯性能试验

1、试验梁设计参数

试验梁钢材均采用Q235钢，上翼缘钢管混凝土1是在矩形钢管内浇注自密实混凝土构成，下翼缘钢管混凝土3是在矩形钢管内浇注自密实混凝土构成，自密实混凝土所用的原料及其原料的质量配比与实施例1试验梁相同，轴心抗压强度为46.4MPa。上翼缘钢管混凝土1的钢管采用外宽、外高、管壁厚分别为160mm、80mm、6mm的直缝焊接钢管，长度为4300mm。下翼缘钢管混凝土3的钢管采用外宽、外高、管壁厚分别为160mm、80mm、6.5mm的直缝焊接钢管，长度为4300mm。腹板2为平腹板，长度为4300mm、厚度为6mm、高度为280mm。加劲肋4的宽度为57mm、厚度为12mm。混凝土上翼板5的长、宽、厚度分别为4300mm、600mm、80mm，混凝土上翼板5的普通钢筋均为Ⅰ级钢筋，公称直径为6mm，纵向配筋率为0.89％，横向配筋率为0.82％，混凝土上翼板5的混凝土轴心抗压强度为40.8MPa、弹性模量为3.47×10⁴MPa。试验梁的高度为520mm、长度为4300mm、两支点间距为4000mm。

2、试验装置及加载步骤

试验在长安大学桥梁结构实验室进行，使用1000kN油压千斤顶加载，荷载由1000kN压力传感器测量。采用TDS-602静态电阻应变仪对试验全过程的应变和位移进行数据采集。试验梁简支安装，两个支点分别位于试验梁靠近两个端部的加劲肋的正下方，其中一个支点约束试验梁的纵向位移以及竖向位移，另一个支点只约束试验梁的竖向位移。试验梁采用四点加载方法，加载时在试验梁混凝土上翼板5顶面放置两个支座，两个加载支座在混凝土上翼板5上的位置与试验梁两道中间竖向加劲肋对应。支座上放置加载分配横梁，千斤顶加载点位于分配梁的正中间。试验时先预压试验梁三次，最大预压荷载为50kN，然后从0kN开始连续加载直到试验梁破坏。

3、试验结果及分析

(1)破坏过程及破坏形态

试验梁破坏时，下翼缘钢管混凝土3底面钢板已经完全屈服，混凝土上翼板5位于两个加载点之间的部分底面出现大量的弯曲裂缝，加载点位置裂缝分布密集。试验梁塑性变形发展充分。导杆引伸仪测试结果表明，整个试验过程中混凝土上翼板5和上翼缘钢管混凝土1之间没有发生相对滑移，混凝土上翼板5和上翼缘钢管混凝土1之间连接可靠。实验过程中没有发现试验梁上翼缘钢管混凝土1发生局部屈曲，也没有出现腹板2屈曲。

(2)荷载与挠度关系

试验时在试验梁跨中下翼缘钢管混凝土3底面布置位移计测试荷载与试验梁挠度关系，位移计编号为DF4。荷载与挠度关系见表5和图10。表5中荷载由力传感器测试得到，挠度由位移计DF4测试得到。图10绘制了位移计DF4测试结果随荷载的变化规律。

                               表5 荷载与挠度关系

  荷载(kN)  挠度(mm)  荷载(kN)  挠度(mm)  荷载(kN)  挠度(mm)  荷载(kN)  挠度(mm)  0.0  0.00  429.7  7.94  717.2  15.85  870.1  30.49

  19.9  0.36  439.8  8.17  719.2  15.95  873.7  31.21  30.6  0.47  449.6  8.37  719.5  15.96  877.6  31.91  40.1  0.62  460.0  8.58  720.1  16.02  883.1  33.04  51.8  0.83  469.8  8.78  723.7  16.14  887.0  33.95  60.6  0.94  480.2  9.00  726.0  16.24  889.7  34.63  80.5  1.26  490.3  9.21  728.3  16.31  893.2  35.46  90.3  1.41  500.7  9.41  728.9  16.37  896.2  36.15  99.8  1.55  509.9  9.66  729.6  16.44  900.1  37.35  110.2  1.70  520.6  9.86  730.9  16.51  903.3  38.19  120.0  1.87  530.1  10.10  732.2  16.57  910.5  42.03  130.4  2.04  550.9  10.51  736.1  16.73  915.4  42.98  139.9  2.21  560.1  10.80  741.0  16.91  919.3  44.26  160.4  2.59  570.5  11.10  743.6  17.02  920.6  44.65  171.8  2.79  580.6  11.30  746.5  17.20  921.6  45.16  179.6  2.94  591.0  11.55  749.1  17.41  922.6  45.62  200.5  3.39  600.8  11.79  750.5  17.53  923.2  46.11  220.4  3.75  610.3  12.04  756.0  17.75  925.2  46.57  231.1  3.97  620.7  12.38  757.3  17.98  926.8  47.09  240.9  4.16  632.1  12.63  759.6  18.12  928.8  47.79  250.4  4.32  640.3  12.86  761.9  18.30  929.8  48.27  259.5  4.51  650.0  13.20  762.8  18.43  931.1  48.73  269.9  4.71  661.1  13.53  763.2  18.61  932.0  49.27  281.3  4.95  671.2  13.78  763.8  18.71  935.0  49.76  289.8  5.08  681.3  14.11  763.5  18.80  935.6  50.34  300.2  5.26  685.9  14.34  805.5  20.72  936.9  50.94

  310.0  5.49  689.8  14.49  802.9  21.09  939.5  51.73  320.5  5.69  690.1  14.59  811.4  21.89  940.5  52.22  329.9  5.89  692.1  14.69  818.6  22.73  941.8  52.77  339.7  6.08  694.4  15.02  823.8  23.43  944.7  53.73  350.4  6.29  694.7  15.05  829.3  24.15  945.4  55.69  360.2  6.49  696.7  15.11  835.2  24.98  947.0  59.06  370.7  6.67  699.9  15.18  840.4  25.64  949.3  60.26  380.4  6.89  702.2  15.29  845.6  26.61  950.6  61.48  389.9  7.11  706.4  15.38  849.6  27.27  950.9  63.21  400.3  7.29  710.0  15.48  853.8  27.99  951.6  65.94  409.8  7.54  712.6  15.59  860.6  28.78  949.3  66.09  420.2  7.75  714.6  15.71  865.9  29.79  947.7  66.09

由表5、图10可见，试验梁的受力过程可以分为弹性阶段、弹塑性阶段和塑性阶段。当荷载在0.0kN-449.6kN之间时试验梁处于弹性阶段，试验梁各截面均处于弹性状态，表现出整体工作性能，荷载与跨中挠度基本呈直线关系。荷载在449.6kN～903.3kN时，试验梁的受力过程处于弹塑性阶段，试验梁截面部分进入塑性，挠度发展明显加快，试验梁的荷载-跨中挠度曲线呈现非线性变化。荷载在903.3kN～951.6kN时，试验梁的受力过程处于塑性阶段，试验梁刚度明显降低，跨中挠度发展较快。当外荷载达到951.6kN时，实验梁承受的荷载达到最大值。从加载开始到试验梁的下翼缘钢管混凝土3的钢管底面开始屈服前，试验梁呈现出很好的整体工作性能，变形较小，仅为8.37mm，说明试验梁在弹性范围内具有较大刚度。试验梁承受最大荷载时跨中挠度为65.94mm，说明试验梁具有很好的延性。

(3)不同荷载作用下试验梁跨中截面纵向应变沿梁高方向分布规律

在试验梁跨中断面布置纵向应变片，测试不同荷载作用下纵向应变沿梁高方向的变化规律。以下翼缘钢管混凝土3底面为零点，分别在试验梁跨中断面梁高为0mm、40mm、80mm、220mm、360mm、400mm、440mm、480mm、520mm位置布置应变测点测试各级荷载作用下纵向应变沿梁高的变化规律。各级荷载下跨中应变沿梁高方向变化规律见表6和图11，表6中荷载由力传感器测试得到，应变由应变片测试得到。图11中分别绘制了各级荷载作用下应变片测试结果沿梁高的变化规律。

        表6 不同荷载作用下试验梁纵向应变沿梁高方向的分布

由表6和图11可见，在加载的初期阶段，钢梁部分和混凝土上翼板5测点测试值保持在同一条平滑的直线上，说明在跨中截面上翼板和钢梁的弯曲曲率基本相同，可见在试验梁的弹性受力阶段，截面应变服从平截面假定。当下翼缘钢管混凝土3的钢管底面屈服后，平截面假定仍近似成立。以下翼缘钢管混凝土3底面为原点，随着荷载的进一步增大，中性轴从弹性阶段的378mm不断上移至梁高的436mm位置，试验梁应变增长速度加快，在接近极限荷载时，试验梁全截面塑形发展充分。

(4)相对滑移测试

试验过程中，在试验梁上翼缘钢管混凝土1和下翼缘钢管混凝土3内的自密实混凝土两端面布置机电百分表来测试上翼缘钢管混凝土1和下翼缘钢管混凝土3的矩形钢管与自密实混凝土之间是否发生相对滑移，测试结果表明均未发生相对滑移。在试验梁上翼缘钢管混凝土1的矩形钢管与混凝土上翼板5之间布置导杆式引伸仪来测试上翼缘钢管混凝土1的矩形钢管与混凝土上翼板5之间是否发生相对滑移，测试结果显示在靠近固定铰支座端产生相对滑移，最大值为0.43mm；活动铰支座端的相对滑移最大值为0.09mm。

4、试验结论

(1)试验梁的上翼缘钢管混凝土1的矩形钢管、下翼缘钢管混凝土3的矩形钢管与内浇注的自密实混凝土均粘结紧密，变形一致；试验梁塑性弯曲破坏特征显著，结构延性好。

(2)试验梁的上翼缘钢管混凝土1和下翼缘钢管混凝土3，降低了腹板2的高度，提高了试验梁的稳定性。

四、实施例4试验梁的偏载试验

1、试验梁

偏载试验所采用的试验梁与实施例4抗弯试验梁(上翼缘为矩形钢管混凝土、下翼缘为矩形钢管混凝土)相同。

2、试验装置及加载步骤

试验在长安大学桥梁结构实验室进行，使用500kN手摇机械千斤顶加载，荷载由1000kN压力传感器测量。采用TDS-602静态电阻应变仪对试验全过程的应变和位移进行数据采集。试验梁简支安装，两个支点分别位于试验梁靠近两个端部的加劲肋的正下方，其中一个支点约束试验梁的纵向位移以及竖向位移，另一个支点只约束试验梁的竖向位移。试验梁采用三点加载方法，千斤顶加载点位于试验梁混凝土上翼板5顶面正中间。试验时先预压试验梁三次，最大预压荷载为10kN。加载时按照千斤顶横向偏离试验梁跨中断面混凝土上翼板5顶面中心0mm、20mm、50mm、100mm，将试验分为4个工况。每个试验工况从0kN开始按照10kN一个荷载步加载，加载到100kN时停止加载。

3、试验结果及分析

(1)应变分析

表7中SW5和SW8为试验梁跨中腹板2位置的竖向应变测点，SW5和SW8布置在腹板正反面同一高度位置，距下翼缘矩形钢管混凝土3的下表面110mm，SW5位于偏载侧。通过SW5和SW8的值可以反应试验梁在偏载作用下的应变分布情况。50kN荷载作用下各工况的应变测试结果见表7。

                表7 腹板2的竖向应变

  工况  工况一  工况二  工况三  工况四  SW5测试值(με)  48  63  67  72  SW8测试值(με)  37  23  22  17

由表7可见，在偏载工况下，试验梁偏载侧的测点SW5的应变随着偏载距离的增加而增大，测点SW8的应变随着偏载距离的增加而减小。

(2)位移分析

表8中DT3和DT4为试验梁跨中断面混凝土上翼板5竖向位移测点，DT3和DT4位于混凝土上翼板5两侧对称位置，距梁轴线250mm。通过DT3和DT4的测试值可以反映试验梁在偏载作用下的竖向位移大小。表8中各测点测试值为50kN荷载作用下对应的竖向位移值。

            表8 混凝土上翼板5的竖向位移

  工况  工况一  工况二  工况三  工况四  DT3测试值(mm)  0.70  0.82  1.01  1.33  DT4测试值(mm)  0.70  0.57  0.39  0.09

由表8可见，试验梁偏载侧的测点DT3的位移随着偏载距离的增加而增大，测点DT4的位移随着偏载距离的增加而减小。