预制混凝土节段桥梁剪力键抗剪强度影响因素研究进展及展望

王海良, 李搏瀚， 黄 欣

(1.天津城建大学土木工程学院，天津 300384；2.天津市建筑结构防护与加固重点实验室，天津 300384；3.建筑固体废弃物资源化利用技术国家地方联合工程研究中心，天津 300384；4.中铁十八局集团有限公司，天津 300222)

节段预制施工方法最早由法国工程师Eugene Freyssinet提出，并于1945～1948年采用该方法建造了Luzancy桥[1]。对预制混凝土节段桥梁剪力键研究，欧美、日本等国家起步较早，积累了较丰富经验，已提出相应规范与建议来指导该类型桥梁结构设计与施工[2,3]；我国在此方面研究起步相对较晚，该技术在我国早期应用集中于铁路桥[4,5]。相比于整体浇筑桥梁而言，预制混凝土节20:58 2020-11-20段桥突出特点为纵向存在节段间接缝，干、胶接缝位置处由于存在钢筋断开等问题，使得其成为结构相对薄弱部分，对桥梁整体受力和耐久性都产生比较重要影响。

剪力键是通过键齿和键槽形成互锁结构以传递剪力的构造，节段预制结构接缝间剪力键一般设置在腹板、顶底板和两者结合区域，目前做法趋向于在截面处分散设置多个剪力键，且键齿内不设加强钢筋。节段间剪力主要由剪力键进行传递，剪力键抗剪强度在一定程度上影响整个桥梁力学性能，可见抗剪是剪力键主要受力行为，抗剪强度对剪力键，乃至整个预制拼装混凝土桥梁上部结构，都是非常重要的性能之一。

自20世纪90年代开始，国内外行业专家通过一系列剪力键剪切破坏试验、数值模拟等方法，对预制拼装混凝土桥梁剪力键抗剪机理、抗剪强度影响因素等开展大量、系统研究，取得丰硕成果。

1 研究现状

1.1 接缝类型对接缝抗剪强度影响研究

目前预制混凝土拼装节段接缝主要包括干接缝、湿接缝和胶接缝，各类接缝特点见表1，目前对接缝抗剪强度影响研究中有关干接缝、胶接缝相对较多。

表1 各种接缝类型做法及特点

1.1.1 有关干接缝抗剪强度研究成果

作为预制混凝土节段桥最简单接缝类型，干接缝被广泛作为研究抗剪性能对象。1983年，美国德克萨斯大学奥斯汀分校J.E Breen与K.Koseki等[6]进行剪力键剪切破坏试验，得到了干、胶接缝及整体浇筑试件抗剪强度；2005年，香港科技大学Xiangming Zhou等人[7]通过一系列试验(如图1所示)得到干接缝剪力键裂缝发展过程；Haibo Jiang等人[8]的试验为常规混凝土和钢纤维混凝土干接缝开裂破坏机理提供了定量数据和分析。总结已有研究可知，干接缝具有以下特点：

图1 单键齿模型尺寸及加载位置示意[7](单位:mm)

(1)抗剪强度低、耐久性差。干接缝试件抗剪强度较整体试件降低幅度大[6]，且接缝部位未经任何处理，增加外界环境对接缝处侵蚀概率。

(2)键齿强度决定接缝抗剪性能。干接缝抗剪强度由接缝面混凝土间摩擦和剪力键键齿抵抗力两部分组成，且后者在接缝抗剪中占主导作用。单键齿裂缝出现在键齿根部，随后裂缝发展贯通，三键齿试件破坏时各键齿均出现裂缝，干接缝试件剪切破坏重要标志之一为键齿出现裂缝而破坏[7,8]。

1.1.2 有关胶接缝抗剪强度研究成果

胶的存在对接缝位置有一定改善作用，具体表现在三个方面：增加接缝强度，弥补接缝面缺陷，改善耐久性。

针对接缝强度，胶接缝试件抗剪强度与整体试件相近[6]，这揭示出胶接缝构件抗剪强度高于干接缝，接缝处胶增加接缝开裂荷载与抗剪强度、减小节段挠度[9]，试件破坏位置由接缝面(与键齿)转为环氧树脂附近混凝土[10]。

针对弥补接缝面缺陷，胶能够有效弥补连接面不平整性[11]，并作为连接润滑剂，减小节点缺陷，使剪应力均匀分布[12]。从细观层面上对粘结机理分析，环氧树脂胶浸入粘结面孔隙中形成多个微小铆钉结构,增强胶和混凝土间咬合作用[13]，胶层厚度对试件抗剪强度影响不大[14]。

针对改善耐久性，胶接缝避免了接缝内钢筋与混凝土直接和外部空气作用，同时胶接缝还具有一定抗拉强度[15]，能够减小在拉应力作用下节段面间分离概率，因此在考虑结构耐久性与整体性问题时应首选胶接缝[16],一些规范中还规定应避免使用干接缝[17,18]。

虽然胶接缝在结构使用过程中显示出非常好性能，但也存在以下缺点：

(1)环氧树脂胶硬化与使用过程受环境作用影响较大。环氧树脂胶硬化需要一定时间[19]，在硬化过程中难免会受环境因素影响。有试验指出低温固化试件比常温固化试件抗剪强度低28%[20]；预制混凝土节段桥使用过程中在整体升温、降温作用下,各截面剪应力非常接近[21]，但是湿热环境会加速环氧树脂老化，降低构件轴心抗拉强度等力学性能[22]；氯盐侵蚀与力学荷载长期共同作用，胶接缝氯离子浓度可能会高于其他位置[23]，使接缝处钢筋受到腐蚀作用风险增大。

(2)胶接缝施工工艺复杂。胶应在整个接缝面均匀涂抹，避免断胶；涂胶后至胶粘剂固化前，对胶接缝进行覆盖，防止雨淋、暴晒[24]。复杂的施工工艺增加胶接缝施工耗时以及受环境影响概率，环氧树脂胶配合制备与涂抹使用间隔时间较长会导致试件破坏荷载明显下降[25]。

(3)胶接缝并未改变破坏模式。2014年袁爱民等人[26]进行节段式胶接缝体外预应力混凝土桥梁剪力键抗剪试验，试件开裂后不久即达到破坏荷载，且无明显稳定屈服段，这与干接缝破坏同属脆性破坏，是工程设计中不利因素。

简言之，干接缝做法简单，对结构强度、整体性与耐久性都有所削弱，抗剪强度低；胶接缝能极大改善接缝面性能，抗剪强度高于干接缝，施工复杂性与环境影响是限制其应用主要因素。

1.2 键齿数、尺寸与形状对剪力键抗剪强度影响研究

关于键齿数对抗剪强度影响研究大多选取控制变量法，即以键齿根部面积、键齿形状及尺寸等其他参数一致、仅键齿数不同试件为对象开展分析。1997年，铁道部大桥局科研院汪双炎[27]采用1∶4模型比对石长线湘江铁路桥进行节段间接缝抗剪试验；2005年，日本T.Wakasa等学者[3]进行9片悬臂梁剪切试验，试验梁设置不同数目剪力键。已有试验结果表明键齿数不同(如图2所示)会影响试件抗剪破坏，键齿数量多会增加剪力键根部剪应力分布不均匀程度与接缝抗剪强度[27-31]，对这一现象Alcalde等人[32]作出如下分析：随着键齿数增加，键齿顺序失效引起键齿传递平均剪应力减少；对单键齿而言，失效后无其他剪力键抵抗载荷，对多键齿而言，在第一个键齿失效后，剩余键仍能通过其剩余抗剪强度抵抗荷载，失效键齿使剩余键抗剪强度低于全部键齿抗剪强度，所以剩余键出现裂纹。三键齿抗剪强度并非单键齿代数相加[33]，从多键齿试件键齿并不是同时失效也可说明这点。

图2 单键齿与三键齿尺寸示意[28](单位：mm)

不同桥梁接缝截面设计可能会采用不同尺寸剪力键，美国AASHTO规范[34]和德国哈堡工业大学G.Rombach[35]基于剪力键莫尔应力圆与非线性有限元分析结果，分别给出干接缝抗剪强度计算式(式(1)、式(2))，键齿尺寸越大，则键齿根部面积越大，接缝抗剪强度越高，增大接缝试件厚度与键齿深度也能提高试件极限抗剪强度[36,37]。

(1)

式中：Vj为接缝面抗剪承载力；μ为混凝土表面间摩擦系数；σn为接缝面平均正应力；Ak为接缝面上键齿根部面积；Asm为接触面上摩擦部分面积；fc＇为混凝土圆柱体抗压强度。

(2)

式中：Vdj为干接缝抗剪承载力；μ为混凝土表面间摩擦系数；σn为接缝面平均正应力;Ajoint为接缝面总面积；Akey为接缝面键齿根部面积；f为接缝面上键齿系数；fck为混凝土抗压强度标准值；γF为安全系数。

Ibrahim S. I.等人[38]对半圆形、矩形、三角形等不同形状剪力键进行抗剪强度试验，结果表明不同形状键齿会影响试件抗剪强度，其中半圆形键齿试件抗剪强度最高。常用梯形剪力键承载力随着键齿倾角增加而增加[39]，梯形底脚角度适宜范围是45～60°，此范围内抗剪强度变化不大[40]。

如前所述，干接缝剪切破坏一般发生于键齿根部，键齿数、尺寸等因素改变了键齿根部面积，不同形状键齿应力集中存在差别，造成抗剪强度不同。

1.3 剪力键材料性能对剪力键抗剪强度影响研究

接缝位置(尤其是干接缝)抗剪强度主要由剪力键提供，剪力键材料性能对增强键齿强度、提高接缝抗剪有显著影响。为合理反映剪力键所用材料对抗剪强度影响，研究中对其强度等力学性质进行测量，如香港科技大学Xiangming Zhou等人[7]试验中测出不同试件fc＇及抗剪强度，陈黎等[41]对掺入钢纤维的混凝土立方体抗压强度与单键齿干接缝试件抗剪强度进行测量，袁爱民等人[42]采用键齿内配筋试件与素混凝土试件对比，得到了两者开裂强度与破坏模式。

近年来，随着超高性能混凝土(UHPC)广泛应用，在预制节段拼装桥梁方面应用UHPC得到重视，目前世界范围内已建造多座预制拼装UHPC桥梁[43-45]。相对普通混凝土，UHPC优势在于抗压强度大幅度提升，能显著减小钢筋变化长度，增强其与混凝土间粘结[46]；但同时UHPC存在很多无法避免的缺点，专家研究发现，UHPC水灰比较小，早期水化反应剧烈，强度发展迅速[47]，不同养护和施工条件下UHPC早期强度可能出现较大差别[48,49]。已建成跨径较大UHPC预制节段拼装桥梁中，其节段间均采用尺寸与间距较大干接缝键齿连接，如日本东京国际机场航道桥[44]和马来西亚Batu6桥[45]。Lee C H等人[50]较早进行UHPC材料接缝抗剪性能试验，其对剪切键连接处剪切行为和抗剪强度等进行试验，分析影响接缝处连接力学性能因素，并给出最佳连接方式，此后一些学者对于UHPC剪力键(如图3所示)抗剪性能开展了系列试验[51-56]。

图3 UHPC剪力键试验试件及破坏示意图[55] (单位：mm)

总结已有文献，材料性能对剪力键抗剪强度存在以下影响：

(1)剪力键抗剪强度与材料强度成正比。采用更高标号混凝土、在混凝土中掺入钢纤维与使用UHPC不仅增加整体结构强度，也提升了剪力键抗剪性能[7,41,50-54]。

(2)混凝土强度不能改变结构薄弱部位。剪力键使用素混凝土时，破坏位置总是出现在键齿附近，且达到破坏荷载后键齿发生无明显屈服节段破坏[55]，混凝土强度增加后破坏位置依旧位于键齿附近[7,51,53,55]，说明混凝土强度并未改变接缝位置薄弱性。键齿内配筋使破坏形式从原来的素混凝土键齿根部脆性破坏变为键齿配筋处的保护层脱落破坏，钢筋与混凝土共同作用，可增加键齿抗剪强度。

可以看到剪力键所用混凝土强度提高可以增加其抗剪强度，但是素混凝土键齿仍在剪切作用下最先破坏。

1.4 正应力大小对剪力键抗剪强度影响研究

大部分预制节段拼装桥梁内部布置预应力钢筋，使混凝土结构具有预压应力。预应力使节段间接缝位置相互挤压，研究中此作用以施加于键齿两端正应力进行模拟(如图4所示)，部分文献称其为围压。Haibo Jiang等人[8]、Xiangming Zhou等人[7]、Liang Hualian等人[57]研究中均在试件上设置了不同正应力，正应力对于接缝抗剪破坏影响主要体现在抗剪强度方面。

图4 数值模拟三维有限元分析模型[57](斜线部分为侧面施加压力荷载区域)

正应力提升不仅可以增强节段预制桥整体强度、延性[58]，而且增加接缝面间相互挤压作用，干接缝间混凝土摩擦力、胶接缝中胶层粘结性能和两种接缝中剪力键键齿与键槽咬合力都因此得到提升，正应力水平增加能够提高接缝部位抗剪能力[3,7,57,59]，正应力越大，接缝抗剪强度提升越明显[60]。除对抗剪强度产生影响，正应力可能会改变裂缝产生与发展和应变值曲线斜率[61]。

1.5 外部荷载对剪力键抗剪强度影响研究

荷载是直接反映节段预制桥梁抗剪强度的参数，早期研究大部分对试件施加纯剪切荷载，如J.E Breen等人[6]、Xiangming Zhou等人[7]和Rabee Shamass等人[62]试验和数值模拟。近年来，除纯剪试验外，国内外专家开展了剪跨比、复合荷载、周期荷载等方面剪力键抗剪研究：A.H. Ghallab[63]等人与Jia-Nan Qi等人[64]在试验中设置不同剪跨比试件，得到接缝位置抗剪强度与裂缝发展情况；袁爱民等[65]对节段预制PC箱梁进行试验，M. A. Algo-rafi等人[66]对受到弯曲、剪切、法向和扭转等联合应力作用接缝抗剪强度进行试验，并基于AASHTO规范[34]和试验结果给出计算方程，但方程中未体现复合荷载对抗剪影响；S. Saibabu等人[67]对试件施加低周反复荷载，用来模拟桥梁上交通重复加、卸载对钢筋与混凝土疲劳、粘结性能等影响。

试验结果表明：在剪跨比方面，剪跨比对接缝抗剪强度和破坏均存在影响[63,64]，减小剪跨比能够提高接缝抗剪强度[68]、减小挠度、降低体外筋应力与接缝处裂缝增长速率[69]；在复合荷载作用方面，弯矩、扭转等组合荷载对接缝影响不容忽视，加载位置偏离中点距离与接缝位置抗剪性能降低幅度成正比[70]，破坏位置往往出现于组合作用突变最大节段接缝处[65](如图5所示)；周期荷载导致节段间接缝不停张开与关闭，造成接缝位置刚度损失和混凝土破坏，混凝土开裂时破坏荷载有所降低，干接缝受到周期荷载时损伤更加严重[67,71]。

图5 试验中不同梁体破坏情况[65]

简言之，荷载不仅反映抗剪强度指标，也对接缝位置抗剪强度具有影响，尤其产生附加作用时影响更加明显。相对其他影响因素，荷载对接缝部位(尤其是裂缝发展情况)影响更复杂，总体上荷载产生附加作用越大，接缝(和剪力键)抗剪强度降低越高，剪力键破坏往往发生在复合荷载较大位置。一些学者提出复合抗弯剪机理和考虑复合荷载作用影响抗剪强度计算方法[66,72,73]，我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[74]中给出剪力键构造要求，美国AASHTO规范[34]中给出接缝面抗剪承载力计算式，但目前仍缺乏考虑弯、剪、扭等多工况作用接缝抗剪性能研究。

2 综合分析

通过以上对现有研究成果分析不难发现，影响预制混凝土节段桥梁剪力键抗剪强度主要因素可归为内因和外因两类，其中内因是指与接缝和剪力键自身相关因素，包括接缝类型、键齿数、尺寸形状、材料等；外因指剪力键在制作、使用过程受到能够影响其抗剪强度的外部因素，包括正应力、荷载种类与施加位置、环境因素等。

从内因看，胶接缝抗剪强度明显优于干接缝抗剪强度，但是胶接缝易受到环境作用影响，且对施工有较高要求；键齿数、键齿根部面积增加通常情况下能够增大键齿根部面积，提高极限抗剪强度；不同尺寸形状键齿抗剪强度不相同，其中梯形键齿底脚角度范围在45～60°时抗剪强度较为适宜；键齿使用混凝土强度越高，抗剪强度相应也会提高，且键齿内配钢筋时比素混凝土抗剪强度更高。

从外因看，正应力(或围压)增加能提高接缝部位挤压程度，增加其极限抗剪强度；荷载产生的附加作用需要剪力键部分抗剪强度承担，周期荷载降低接缝刚度，加大混凝土破坏程度，导致剪力键抗剪强度降低；环境会与接缝面胶层、混凝土和钢筋发生作用，降低抗剪强度。

3 研究建议

影响节段预制拼装桥梁剪力键抗剪强度有多种因素，这些因素单一或综合作用均会对剪力键抗剪强度产生影响，分析已有研究成果会发现，当前研究更多是开展单一荷载、单一环境影响，实际桥梁在使用过程中，所受荷载较为复杂，尤其是对位于平曲线、宽幅多车道桥梁，剪力键受力更加复杂，作者认为，为有效推进预制拼装混凝土桥梁应用环境、场所，今后需加强开展以下方面研究：

(1)复杂环境综合作用下胶接缝耐久性降低对抗剪强度影响。桥梁在一些地区面临复杂环境因素作用，多种环境因素间有可能相互促进，加快胶接缝耐久性及抗剪强度降低，因此胶接缝在多环境作用下耐久性劣化机制以及应需采取防护措施，是在复杂环境条件应用预制混凝土节段桥需重点关注研究内容。

(2)多荷载工况下剪力键抗剪性能。目前关于复合荷载对剪力键抗剪强度研究尚不深入，且其中相当部分是弯剪复合作用研究。在位于平曲线桥梁、宽幅多车道桥梁中，车辆荷载作用下不可避免会对剪力键产生剪、弯、扭组合作用，有关此领域研究需深入开展。

(3)疲劳荷载作用下剪力键抗剪行为。桥梁结构和建筑结构的主要区别是桥梁结构主要承受疲劳荷载，在多工况作用下，需要对剪力键抗剪疲劳性能有更清楚认识。