体外预应力预制节段高强混凝土梁抗剪性能的试验研究

2020-06-11陈远航姜海波胡泽彬

广东建材 2020年5期

陈远航姜海波叶明胡泽彬

（广东工业大学土木与交通工程学院）

0 引言

体外预应力预制节段混凝土梁桥是一种新型的桥梁结构形式。预制构件之间的连接是通过采用钢绞线对节段构件加压约束，让各个预制构件之间的连接面紧贴在一起，从而实现能够整体受力的桥梁结构。通过上述的方法，桥梁可以把梁的主体部分按横纵向切割成为许多标准预制构件，实现在预制场工厂化制作并养护一定时间后，再运输到桥梁建设现场进行拼装。凭借其施工过程对周边的环境和车辆交通的影响比较小、现场施工效率高等优点，体外预应力预制节段混凝土梁桥已成为实际工程设计中具有竞争力的桥型选择。

早期的研究主要围绕体外预应力加固梁的抗弯性能展开。1987 年，Rabbt 等人[1]设计试验研究不同预应力束布置方式对梁的破坏模式的影响，得出：采用体内全粘结预应力竖的试件，破坏时表现为传统抗弯破坏；采用体外预应力束的试件，则为剪压破坏。1995 年，Hindi 等人[2]通过试验研究发现，在体内束灌浆，试件梁的强度和延性比不灌浆时要高；而且，体外束与梁体灌浆的粘结面积越大，梁的强度和延性变化更显著。2008年，Dinh Hung Nguyen 等人[3]通过试验研究接缝位置对梁腹的裂缝发展和接缝张开宽度的影响。试验发现，简支梁在弯剪段的接缝在与跨中的距离越小，则接缝在开始张开时所对应的荷载水平也越小。

体外预应力加固梁的抗剪性能相对复杂，相关的研究资料也比较匮乏。2003 年，Tan 和Tjandra[4]发表论文指出来了体外预应力梁的抗剪强度不足的问题。2013年，李国平等人分别设计了两批试验[5-6]并分别得出结论：当接缝附近受力时，接缝位置对承载力有重要的影响；箍筋对连续梁的抗剪强度的贡献大于对简支梁的抗剪强度。2018 年，姜海波等人[7]测试了一共14 根体外束预制节段试件，试验的结果表明利用体外束的实际预应力能较准确地预测不同剪跨比的试验梁的极限抗剪强度。

综上所述，已有研究主要集中在体外预应力预制节段梁的抗弯性能上，同时，以往的研究大多选择低、中强度混凝土试件（低于55MPa），而忽略了高强度混凝土的应用研究。已有试验经验中，试验梁破坏时，往往表现为混凝土压碎，而破坏时钢绞线的应力距离极限应力仍然有一定的裕度。本文受国家自然科学基金资助（51778150），推测提高混凝土强度可以有效地增加梁体的承载力，并加以试验验证，同时总结不同试验参数对试验梁的抗剪承载力的影响规律。

1 试验设计

本实验中所有梁的截面相同，皆为T 形截面，是由设计规范中的标准截面通过截面的中心点不变，截面的形状、尺寸满足相似原理转换而来。梁长1.8m，有效跨径为1.6m，梁的横截面宽0.4m，深0.3m，梁的腹板厚度为0.1m，翼缘宽度为0.05m。每根梁在跨中处都设置有一个0.1m 长的转向块。另外，在梁的底部设置有两根直径为12mm 的钢筋作为纵向受力钢筋，在腹板中间和翼板内设置了一系列直径为8mm 的钢筋作为纵向构造钢筋。特别说明：本试验中，节段梁的纵向钢筋在接缝连接处是断开的，而整体梁的是整个长度连续的。在箍筋的配筋中，试验区和非试验区设置的双肢箍筋间距分别为140mm 和65mm。体外预应力束选用的是7 股式的钢绞线，其公称直径为9.5mm，截面面积为54.8mm2。详细的试件的构造图如图1 所示。

参考已有的研究资料，并结合影响因素对试件抗剪性能的影响程度，在本试验研究中选取了3 个主要影响因素作为研究参数，即施工方法（整体式和节段式）、混凝土强度（C55 和C85）和剪跨比（1.3、1.8 和2.3）。

试验所用混凝土包括普通混凝土C55 和高强混凝土C85，混凝土混合料包括：42.5R 水泥；本地的中粗河砂，细度模数为2.8；粗骨料为粒径小于12mm 的大理石碎石；减水剂浓度为20%的聚羧酸盐高性能减水剂。C55混凝土和C85 混凝土的水灰比分别为0.49 和0.31，平均弹性模量分别为36012MPa 和4.54GPa，各个试件混凝土强度见表1。试验所用钢材：纵向普通钢筋采用型号为HRB335 的热轧钢筋，箍筋和顶部翼缘板面筋采用型号为HRB335 的光圆钢筋，普通钢筋的平均屈服强度为454.40MPa，弹性模量为2.013GPa。钢绞线的屈服强度和弹性模量分别是1815MPa 和1.93GPa。

表1 试件参数

2 试验方法

试件在28 天养护后，将相应的节段拼接组装成完整的梁并施加预应力fy，使用千斤顶将钢绞线张拉至0.5 倍左右屈服强度。由于预应力损失，最终有效预应力的大小在加载前保持在0.35～0.55fy的范围内，预应力的详细内容列于表2 中。

图1 一般构造图及配筋图

表2 试验结果汇总

图2 试验装置图

正式加载前，首先施加10kN 的预加载，以确保所有测试设备连接和设置无误。在正式试验期间，在开裂前，每5 分钟以20kN 一级的增量施加荷载；出现裂缝后，转换成每级10kN 的增量继续施加荷载，直至梁破坏。在每次加载之间，观察并标记裂缝的出现和扩展。在整个试验过程中，采集施加的荷载力、各预应力筋的应力、5 个测点处梁的挠度，各测点位置如图3 所示。

图3 试验装置及测点位置示意图

3 试验结果与分析

3.1 裂缝发展和破坏模式

对于整体式梁，当施加约47.5%Vu的荷载（346kN）后，在荷载点正下方的梁底出现裂缝。并且随着荷载等级的增加，纯弯段的梁底的不同位置也都出现更多的弯曲裂缝，这些裂缝在梁底产生并垂直地向上扩展。当荷载达到50%Vu（364.6kN）时，剪跨区腹板出现斜剪裂缝，随着荷载增加，斜裂缝不断分别向荷载点和支承点的方向延伸。最终，当荷载达到729kN 时，梁体混凝土破坏之前，一根体外束断裂，试件破坏，破坏模式归类于钢绞线崩裂。

对于预制节段式梁，腹板则几乎没有出现弯曲裂缝。破坏模式主要有两种：第一种情况，预制节段梁的初始剪切裂缝一般出现在剪力键的底部。随着荷载增加，裂缝沿荷载点与支撑点的连线方向延伸，大多数情况下，其中的一条裂缝最终会发展成为把梁分成两部分并导致梁破坏的关键裂缝。在这种情况下，破坏模式被描述为剪压破坏（SC）。另一种情况，即预应力筋在混凝土破坏前断裂，破坏模式被描述为钢绞线断裂（AT）。

3.2 变形规律

图4 显示了标准试验梁在垂直荷载的不同值下，试验梁沿长度的挠度分布。随着荷载的增大，梁的竖向位移逐渐增大。在试验过程中，没有观察到节段之间的相对垂直位移。值得注意的是，对于剪跨比为1.4 的梁，挠度在0.8Vu之前变化缓慢，之后变化迅速；对于剪跨比为1.8 和2.3 的梁，其挠度变化速度在整个过程中是相对均匀的；此外，梁的一侧比另一侧更早开裂，这导致当达到垂直破坏荷载Vu时，这一侧的挠度比另一侧的挠度大。

图4 竖向挠度- 跨径图

图5 是梁跨中的荷载-挠度曲线。如图所示，随着荷载的增加，挠度开始呈线性增加。但从一个特定的点开始，这种变化就变得非线性了。通过对试验数据的分析，发现该点对应梁的开裂荷载，这意味着开裂后梁的刚度降低。

图5 不同剪跨比荷载- 跨中挠度曲线

通过比较预制节段梁的荷载-挠度曲线，发现试验参数对梁变形的影响。观察图6 不同强度混凝土梁的荷载-挠度曲线，可知梁的刚度与混凝土强度无关，但混凝土强度越高，跨中挠度最大值越大。对于剪跨比，图6表明增大剪跨比将降低梁的刚度。

图6 不同砼强度荷载- 跨中挠度曲线

3.3 极限抗剪承载力分析

图7 给出了所有试件的抗剪承载力。图中可以看出，对于高强混凝土（85MPa）梁，预制节段梁与整体式梁相比，预制梁的抗剪强度降低了约三分之一[（729－487）/729=0.331]。另外，提高试件的混凝土强度可以有效地提高体外预应力预制节段混凝土梁的抗剪承载力，试件S1.3-C85 的抗剪承载力比试件S1.3-C55 高62kN（34%）。通过对不同剪跨比的梁进行比较，可以得出结论，减小加载剪跨比能提高梁的抗剪强度。