基于剪力键数目及缺损的节段梁干接缝抗剪性能研究

邱 天

(武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063)

0 引 言

预制节段梁与整体梁相比，开裂及损失破坏往往集中于节段接缝部位，作为节段梁最薄弱的环节，接缝处受力十分复杂，很有必要对接缝抗剪性能进行全面的分析与研究。1989年麻省理工大学学者M. M. Bakhoum[1]等人通过对不同形式共计96个键齿接缝试件展开了试验研究，通过对结果的数据回归分析，针对不同的接缝形式提出了相应的计算公式；1993年，美国得克萨斯大学奥斯丁分校的J. E. Breen等人对键齿干接缝的结构及抗剪原理展开研究，运用莫尔应力圆理论分析得到了键齿干接缝抗剪承载力的计算公式，该公式于1999年由《节段式混凝土桥梁设计和施工指导性规范》(1999)AASHTO[2]收录并用于计算干接缝抗剪承载力；2002年德国汉堡-哈尔堡工业大学学者G. Rombach[3]在M. M. Bakhoum等人所做试验的基础上对不同齿键尺寸及数目开展数值分析，提出了干接缝抗剪承载力计算公式。

本文在孙学帅[4]所做干接缝抗剪试验基础上对齿键个数以及齿键缺损状况下的接缝抗剪承载能力进行有限元计算分析，分析了不同条件下接缝受力特征，对干接缝抗剪力学响应机制以及破坏模式进行了较为全面的研究。

1 试验概况

1.1 试件尺寸设计

本试验中试件尺寸参照J. Turmo[5]的试验模型进行设计，考虑到箱梁的抗剪能力主要由腹板提供，将实际桥梁中的箱型截面简化为矩形截面；键齿接缝构件的键齿尺寸参照美国AASHTO规范以及Zhou等[6]人的试验构件尺寸进行设计，具体尺寸如图1所示，其中中部试件厚度为120 mm。

图1 试件参数示意图(单位：mm)

1.2 材料性能

试件混凝土强度等级为C50，根据试验机所测28 d抗压强度计算得到混凝土立方体抗压强度标准值取41.7 MPa，试件中的普通钢筋均采用公称直径12 mm的HRB335钢筋；预应力钢筋采用公称直径为15.2 mm的钢绞线，在有限元模拟中通过侧压应力代替，具体各项材料参数见表1。

表1 材料参数表

1.3 试验参数设计

孙学帅对干接缝抗剪仅设置了2组试验，分别为无齿键干接缝及四齿键干接缝。本文通过有限元软件对试件进行了数值计算，计算结果与试验误差均在5%以内，同时以此为基础对不同键齿试件开展进一步研究，各试件具体参数见表2，其中K代表齿键数目，M代表接缝压应力大小。

表2 试验设计参数

1.4 有限元模型设计

在试验模型的基础上，对剪力键数目及位置重新分配，中间块尺寸及位置如图2所示，其中各试件剪力键根据位置自上向下进行编号如K4试件所示，各试件高度均为650 mm。

图2 试件设计尺寸(单位：mm)

所有试件剪力键大小完全一致，只有个数及位置存在差异，根据各项设计参数进行有限元建模，将试件底部完全固结后，在试件顶端进行位移加载，对模型进行求解计算，分析比较剪力键齿数对于接缝抗剪承载力的影响。

2 齿数影响分析

2.1 齿数变化有限元结果

通过有限元软件的数值计算，各试件极限抗剪承载力结果见表3。

表3 有限元计算结果

将有限元结果与美国规范AASHTO公式计算结果对比可以发现AASHTO公式计算结果相差不大，平均为计算值的95%左右。

2.2 荷载-位移曲线对比

比较不同剪力键数目条件下接缝的荷载-位移曲线，如图3所示。可以发现在齿键尺寸不变的情况下，抗剪承载力与齿键数成正相关，试件刚度也随之有一定程度的提升，但随着齿数增多，抗剪承载力增长幅度有所减缓，即增加剪力键数目对于接缝抗剪承载力的边际效应在逐步递减。因此在实际工程中应根据具体受力情况配置适当的剪力键齿数，使之在满足受力需求的同时保证施工过程的经济性及便捷性。各试件具体承载力相关结果见表4、表5。

图3 不同齿键数荷载-位移曲线

表4 不同键齿结果对比

表5 不同键齿强度增量

2.3 试件损伤分布

图4所示为在极限荷载作用下不同齿键数目接缝损伤分布图，可以看到所有试件均在接缝键齿部位发生损伤，对于齿键数目较多的试件，其损伤发展较为均匀并延伸至支座处，整个接缝部位基本都对抗剪能力起到了一定的作用。而随着齿键数目的减少，损伤分布范围逐步集中至剪力键部位，试件破坏时未充分发挥接缝部位的抗剪性能。表明增加齿键数目可有效改善接缝部位的应力分布，使剪力键受力更加均匀，提高节段接缝的极限极限抗剪强度。

图4 各试件损伤分布图

2.5 齿键裂缝开展机制

图5所示为4齿试件在极限荷载作用下的裂缝开展情况，可以看到接缝两侧裂缝分布较为均匀，主要沿剪力键根部斜向上呈60°开展并相互贯通形成斜压杆，键齿部位混凝土发生类斜压破坏后接缝抗剪承载能力达到极限。

图5 K4-M2.5试件裂缝分布

3 齿键缺损分析

在节段预制桥梁装配及实际受力过程中，剪力键可能由于碰撞等外界因素发生局部损伤破坏的情况，而节段接缝作为预制拼装桥梁的关键部位，剪力键的损伤可能引起接缝抗剪承载能力降低。本节通过有限元模拟各部位剪力键完全缺失时节段接缝抗剪承载力的损失。

3.1 齿键缺损有限元结果分析

以K4-M2.5试件为对象，不改变原始试件尺寸，通过去掉单侧不同编号剪力键模拟实际情况下的剪力键缺失状态，以3号齿缺失为例，试件布置如图6所示(以下以L指代齿键缺失试件)。

图6 L3试件示意图

图7为不同部位齿键缺失时试件荷载-位移曲线的变化情况。

图7 齿键缺失试件荷载相对位移曲线

根据计算结果可以看出，当齿键缺失位置发生变化时，整体试件力学性能存在一定差别。其中齿键完整的试件极限承载力以及刚度均最大，缺失底部4号键齿后整体刚度以及抗剪承载能力最小，相比无缺失试件承载力损失达到35.7%。各试件具体结果数据记录见表6。

表6 齿键缺失结果

由表6计算结果可看出，除底部4号键缺失外的其他试件，极限承载力均高于4齿缺失试件，说明底部4号键对整体试件的抗剪贡献较大。这是由于相对于加载端来说，支座垫块处的受力面积较小且刚度较大，在抗剪过程中支座与试件间易发生应力集中，进而导致底部齿键应力相对较大且最先发生损伤破坏。而由于1、2、3号键处在试件中上方部位，加载过程中不会最先发生破坏，缺失键位的位置对结构的极限承载能力影响较小。

此外，通过将单齿缺失试件与3齿完整试件对比可发现，单键缺失后极限抗剪承载力一般维持在810 kN，而对于三齿完整试件来说，其抗剪承载力为846 kN，较缺齿试件更大。这说明齿键缺失对整体抗剪性能的影响是非线性的，齿键缺失侧接缝抗剪强度降低后，应力会向该侧发生集中，完整侧接缝齿键尚未充分发挥作用时构件已经丧失继续承载能力，这会导致完整侧接缝在抗剪过程中的利用率较大幅度降低。

3.2 齿键缺失破坏模式

以L4试件为例，其不同受力阶段的混凝土损伤分布如图8所示，其中初步损伤指第一个齿键破坏时的损伤分布，极限损伤分布指齿键缺失侧最后一个齿键破坏时的损伤分布情况。

图8 L4试件损伤分布

由图8可以看出，底部4号齿键缺失后，其上方3号键最先发生损伤破坏，随着荷载继续增加，破坏逐渐向上部发展，最终左侧接缝齿键完全破坏丧失承载能力。该过程与完整接缝抗剪破坏过程基本一致，但由于底部齿键的缺失，导致应力集中于左侧3号齿键，且相对于完整接缝，齿键缺失的一侧损伤程度更大，在以上两种应力集中条件下，试件迅速破坏，抗剪承载力大幅降低。

其余试件损伤分布结果如图9所示。

图9 L1-L3试件损伤分布

根据图9结果，结合各试件混凝土损伤发展规律可知，首次发生损伤的部位主要分布在接缝底部及缺失齿键上方位置。齿键缺失后位于缺失键下方的互补键对试件抗剪承载力基本不再发挥作用；加载过程中混凝土损伤主要集中在齿键缺失一侧，而齿键完整侧接缝损伤极小，抗剪承载利用率较低。

4 结 论

通过对节段接缝的有限元数值分析，比较了不同齿键数目的接缝抗剪承载能力，并就剪力键缺失情况下的接缝抗剪性能作了一定程度的分析。根据分析结果可得出如下结论：

(1) 对于相同尺寸矩形截面抗剪承载力来说，剪力键数目的越多，接缝抗剪承载能力越大，但增加剪力键的边际效应在逐步递减。

(2) 在荷载作用下，剪力通过齿键向下逐级传递，接缝底部齿键由于既要承受上部传递的剪力，又要抵抗支座传递的反力，往往最先发生破坏。当底部齿键破坏后，损伤自下向上发展。

(3) 键齿干接缝中剪力键的受力机理类似于短牛腿的斜压破坏，在荷载作用下裂缝从键齿底部向斜上方发展，最终裂缝贯通达到极限承载力。

(4) 当4齿干接缝某一部位齿键发生缺损破坏后，试件抗剪承载力迅速降低。其中底部齿键为抗剪关键部位，该齿键缺失会导致整体抗剪承载力下降36%，而除底部外的其他齿键缺失则会导致抗剪承载力下降约20%；

(5) 剪力键缺失会导致接缝局部发生应力集中现象，使得部分键齿过早发生破坏，进而造成缺失齿键一侧接缝损伤速度更快，较大程度降低了接缝部位的抗剪能力。