预制混凝土节段梁接缝抗剪承载力试验研究

李学斌，苏永华，杨心怡，魏 峰

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所，北京 100081；2.中国国家铁路集团有限公司 科技与信息化部，北京 100844）

近年来，我国在公路、市政、城市轨道交通和铁路桥梁领域修建了大量的预制节段胶接拼装梁桥，如杭州湾嘉绍大桥引桥、南京长江四桥引桥、苏通长江大桥引桥、郑州四环高架桥，以及广州地铁4号线、郑阜高铁、徐连高铁、拉林铁路、黄韩侯铁路上的一些桥梁，积累了一定的设计和施工经验。节段拼装梁最大特点是在接缝位置混凝土和普通钢筋不连续。接缝面没有混凝土骨料和普通钢筋提供的抗剪强度，而是通过正压力和剪力键的共同作用，实现剪力传递。由于节段拼装梁在接缝面的剪力传力机理与整体梁不一样，为探究接缝的力学性能，国内外学者进行了大量的试验研究。

国外方面，Base 通过试验研究了接缝表面处理方式、环氧胶涂抹方法和预应力大小对环氧胶接缝抗剪承载力的影响。试验发现：接缝侧面混凝土开裂导致了接缝破坏；使用脱模油会破坏环氧树脂与混凝土的黏结；施加纵向预应力可以提高接缝的抗剪承载力［1］。Koseki 等对无键、单个大键和多个凸起键3种接头类型的干接缝和环氧树脂胶接缝进行了抗剪承载力试验研究，结果表明：各种接头类型的干接缝在相同滑动条件下的抗剪承载力存在显著差异；所有接头类型的环氧树脂胶接缝基本上达到了湿接缝的强度［2］。Buyukozturk 等对节段间的4种类型接缝分别进行了试验，研究了各种接缝的剪切性能和强度；通过试验结果回归分析，提出了4 种接缝的抗剪强度计算建议公式。研究还发现：4 种接缝的抗剪强度均随压应力的增加而增加，呈线性变化；胶接缝的抗剪强度高于干接缝的，有键胶接缝的抗剪强度比有键干接缝高约25%～60%；干接缝的剪切刚度低于胶接缝的；有键胶接缝的抗剪强度比整体浇注素混凝土接缝的高；平面胶接缝的抗剪强度与整体浇注素混凝土接缝的相当；胶接缝和有键接缝的剪切破坏都为脆性破坏［3］。Kuranishi 等进行了胶接缝直剪试验，研究发现粗糙的接缝表面抗剪承载力比光滑表面大［4］。Hindi 等的试验研究表明：由于胶接缝和干接缝的开裂方式和裂缝伸展高度不同，导致胶接缝的承载能力和延性要比干接缝高［5］。Turmo 等进行了多键齿干接缝试件的直剪试验，研究表明混凝土间摩擦系数的大小与压应力成反比，多键齿与单键齿承载力的总和存在1个强度折减系数［6］。美国《节段式混凝土桥梁设计与施工指南》规范中给出了有剪力键干接缝面的抗剪承载力计算公式［7］。

国内方面，汪双炎通过干接缝剪力键模型试验研究了剪力键的破坏形式和抗剪承载力，得出的主要结论是接缝最上面键齿受力最大，往下逐渐减小；5 键齿的受力均匀程度比3 键齿好；抗剪承载力中摩擦力所占比例较大，键齿的承压剪力所占比例较小，键齿数量的多少对抗剪承载力影响甚微［8］。李国平等通过节段式体外预应力混凝土简支模型梁试验，研究了梁体的剪切性能，研究表明：节段式体外预应力混凝土梁的剪切性能和整体式梁有很大差异；接缝的存在决定了剪切破坏形态和破坏裂缝的形成；接缝降低了梁体的抗剪承载力、增大了破坏裂缝的宽度和梁体破坏时的变形；并提出了可用于体外预应力混凝土梁截面抗剪承载力设计的简化计算方法［9-10］。姜海波等对节段施工体外预应力梁接缝的力学性能进行了研究，提出了干接缝的抗剪承载力计算公式［11］。邹琳斌等采用有限元软件进行数值模拟，分析了干接缝在直剪模式下的受力机理，得到了接缝面剪力键各键齿位移和应力的分布规律。干接缝键齿的承压剪力约为接缝面剪力的14%，摩擦力所占比例约为86%，占比较大［12］。申俊在总结现有理论计算公式和实验数据的基础上，总结出了一种包含混凝土抗剪承载力、正压应力抗剪承载力增量以及破坏面摩擦力3部分的抗剪承载力计算方法［13］。袁爱民等通过模型试验研究了剪力键齿深和齿距对胶接缝抗剪承载力的影响，得出的结论为剪切试件的破坏类型属于脆性破坏，胶接缝剪力键的抗剪承载力与直剪破坏面面积成正比关系，与齿深和齿距的设置无直接关联［14］。轩帅飞等通过ABAQUS软件建立剪切试件的有限元模型，对有键干接缝和胶接缝的抗剪承载力进行了分析，结论为胶接缝试件的抗剪承载力比干接缝的提高约16%［15］。

节段拼装梁胶接缝的剪力传力机理与干接缝有不同之处。干接缝面抗剪承载力是由正压力作用下的接缝面摩擦力和剪力键的剪切破坏力2 部分提供。胶接缝由于在接缝面上涂抹了环氧树脂胶，接缝面不存在摩擦力，接缝面抗剪承载力是由胶与混凝土黏结界面的剪切破坏力和剪力键的剪切破坏力2部分提供。

为探究干接缝和胶接缝面的抗剪承载力，本文设计纯剪切受力的试件，通过静力试验进行接缝抗剪承载力研究。

1 试验概况

为分别研究干接缝和胶接缝的抗剪承载力，本试验共预制9 个剪切试件，分为3 种类型：①型为平面干接缝试件；②型为有剪力键干接缝试件；③型为有剪力键胶接缝试件。每种类型各3 个试件［16］。

试件为钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为C50，在试件内配置少量普通钢筋。②型和③型试件在接缝面上设置2 个剪力键，剪力键的尺寸按美国AASHTO 规范要求设定［17］。①型试件接缝为平面，接触面积为0.144 m2；②型和③型试件接缝上既有剪力键接触（投影面积为0.06 m2），又有平面接触（面积为0.084 m2），接缝投影总面积为0.144 m2，剪力键投影面积与接缝投影总面积的比为0.417。剪切试件尺寸如图1所示。

图1 剪切试件尺寸（单位：cm）

剪切试验在中国铁道科学研究院结构实验室5 000 kN压力试验机上进行。试验加载合力的作用线与试件接缝面处于同一平面内，在接缝面上形成纯剪切受力状况。剪切试件接缝面的压力由试件中部横穿接缝的钢绞线张拉力的反力提供。试验加载示意图如图2所示。

图2 试验加载示意图

接缝抗剪承载力与接缝面压应力水平有关［3］，每种类型的3个试件分别按7，11和15 MPa压应力水平施加接缝面压力。试验时通过预应力筋先施加垂直接缝的压力，再通过应力试验机施加平行接缝的剪力，剪力采用连续缓慢加载方式。在试件中间的1根钢绞线上安装穿心式荷载传感器，监测试验过程中钢绞线拉力的变化。加载过程中，当剪力键齿块部分出现剪切裂缝或胶接面出现错动滑移时，试验机荷载值会突然下降，即认为试件已达到剪切极限状态。试验机荷载传感器监测到的最大力值即为试件的抗剪承载力。

试件拼装前未对接触面进行特殊处理，只清除脱模剂和灰尘。试验前，③型试件在接缝面上均匀涂抹3 mm 厚的环氧树脂胶。通过张拉试件中部角上的4 根钢绞线施加40 kN 总压力，使接缝内胶体在0.28 MPa［17］压应力作用下完成固化。待试件混凝土试块和接缝胶体的抗压强度都达到50 MPa 以后，再进行静力剪切试验。剪切试验实景如图3所示。

图3 剪切试验实景

剪切试验前，试件混凝土试块的实测抗压强度均大于52 MPa。环氧树脂胶的7 d 抗压强度大于60 MPa，钢对钢拉伸剪切强度大于11 MPa。

2 试验结果及分析

2.1 试件破坏形态

剪切极限状态时，试件剪切荷载达到峰值，②型和③型试件主裂缝出现在剪力键根部和接缝面上，主裂缝位置如图4所示。有键干接缝试件的破坏面出现在剪力键根部位置，接缝内2 个键的根部都被剪断，如图5所示。有键胶接缝试件的破坏面出现在接缝面上，接缝内2 个键的根部都被剪断，同时平面接触部分胶与混凝土黏结区出现剥离，如图6 所示。2 种试件在不同压应力水平下的剪切破坏形态均为脆性破坏。

图4 剪切破坏主裂缝

图5 ②型试件剪切破坏实景

图6 ③型试件剪切破坏实景

2.2 剪切试验结果及分析

2.2.1 平面干接缝试件

平面干接缝的抗剪承载力即接缝面的滑动摩擦力。滑动摩擦力F的计算公式为

式中：μ为摩擦系数；A为接缝面面积；σc为接缝面平均正压应力。

由式（1）可以计算出接缝两侧混凝土平面间的摩擦系数。

试验结果见表1。由表1 可见：混凝土平面之间的摩擦系数与接触面的粗糙度和压应力水平有关；3 个试件实测接缝面正压应力分别为14.99，9.64 和7.42 MPa，相应摩擦系数计算值分别为0.57，0.66和0.61，平均值为0.61。

表1 ①型试件剪切试验结果

国外部分研究人员关于平面干接缝摩擦系数的试验结果在0.40～0.80 之间［3］，本文试验结果也在该范围内。美国《节段式混凝土桥梁设计与施工指南》［7］和《钢筋混凝土建筑规范》［18］中给出的混凝土平面摩擦系数为0.60，与试验结果平均值比较接近。干接缝计算抗剪承载力时，摩擦系数取0.60是偏于安全的。

2.2.2 有剪力键干接缝试件

有剪力键干接缝试件的抗剪承载力是由平面部分的摩擦力和剪力键根部的剪切破坏力2 部分提供。美国《节段式混凝土桥梁设计与施工指南》中给出的有键干接缝抗剪承载力计算式为

式中：Fuj为干接缝抗剪承载力；ϕj为干接缝设计强度折减系数，取0.75；Fnj为干接缝名义抗剪承载力；Ak为接缝面全部剪力键根部的面积；σ'c为圆柱体试件混凝土抗压强度；σpc为接缝面重心轴位置混凝土有效压应力；Asm为接缝面平面接触部分的面积。

美国规范公式采用的是英制单位，将式（2）换算为国际单位制，有键干接缝的名义抗剪承载力计算式为

式（4）也可近似表达为

式中第1 部分是剪力键混凝土提供的极限剪力；第2 部分是剪力键因压应力作用而提供的剪力；第3部分是压应力作用下平面部分摩擦提供的剪力。

在另一项剪切试验研究［19］中，作者推导出了纯剪力键（不涂胶）的抗剪承载力计算式为

式中：Fk为剪力键的抗剪承载力；τcu为剪力键混凝土提供的极限剪应力，取5.0 MPa。

结合考虑接缝平面部分的摩擦力，有键干接缝的抗剪承载力Fu计算式为

阿斯图里亚斯通过《波波尔·乌》来了解玛雅世界，并在《玉米人中》为加斯巴尔、戈约和尼丘创造了一个他自己想象的玛雅世界，让三者在他所构造的亦真亦幻的世界中与被自己丢失的玛雅文化重新联结在一起，试图为以三人为代表的玛雅人民所面对的社会危机提出了自己的解决方案——重拾危地马拉精神，用玛雅人的方式生活，方能让自己被拉迪诺人打乱的生活重归安宁。

式（7）中μ取0.60。

②型试件抗剪承载力实测与计算结果见表2。从数据结果可见：各计算值与实测值均有一定偏差；压应力较小时，各计算值均比实测值小，偏差较大，且随着压应力的增大偏差在减小；式（7）和0.85Fnj的计算结果非常接近，相对误差在±1%以内，本文推导计算式等同于0.85Fnj。

表2 ②型试件抗剪承载力试验和计算结果

图7 给出了②型试件的抗剪承载力-压应力曲线。

图7 ②型试件抗剪承载力-压应力曲线

由图7 可见：②型试件抗剪承载力与压应力的实测和计算曲线都呈线性变化；干接缝名义抗剪承载力式（4）计算曲线和实测曲线相交，当接缝面压应力小于10.6 MPa 时，计算值比实测值小，计算值偏于安全，而当大于10.6 MPa 时，计算值比实测值大，计算值偏于不利；本文推导的式（7）计算曲线和实测曲线也相交，当接缝面压应力小于14.4 MPa 时，计算值比实测值小，计算值偏于安全，而当大于14.4 MPa 时，计算值比实测值大，计算值偏于不利；式（4）和式（7）计算值仅在一定压应力范围内和实测值比较接近；干接缝抗剪承载力计算式（3）是在干接缝名义抗剪承载力计算式（4）的基础上考虑了0.75 的剪切强度折减系数，式（3）计算值比实测值偏小，且随着压应力的增大，二者的偏差在减小；式（7）计算曲线和0.85Fnj计算曲线几乎重合；用式（3）计算的3 个试件，计算值与实测值的比值平均值为0.785，计算值过于偏安全；从曲线分布可见，当干接缝剪切强度折减系数为0.80 时，计算值仍小于实测值，且还有一定的安全储备。因此，采用美国规范式（3）计算干接缝抗剪承载力时，干接缝抗剪设计强度折减系数ϕj建议取0.80。

2.2.3 有剪力键胶接缝试件

③型试件接缝既有剪力键又有环氧树脂胶，试件实测抗剪承载力和接缝面压应力结果见表3。由表3可见：试件实测抗剪承载力与接缝面压应力呈线性变化，式（8）为由试验结果得到的回归方程，线性相关系数为0.991。

表3 ③型试件抗剪承载力试验与计算结果

式中：F'u为有键胶接缝的抗剪承载力。

由回归方程推导出有键胶接缝的抗剪承载力简化计算式为

式中：τu为有键胶接缝提供的名义极限剪应力，取5.9 MPa。

表3 还给出了③型试件抗剪承载力计算结果。由表3 可见：③型试件依据式（9）计算的抗剪承载力与实测值的比值在0.993～1.023 之间，推导式计算值与实测值的相对误差均在±5%以内。

美国规范中未给出胶接缝的抗剪承载力计算公式，一般是按规范中给出的干接缝名义抗剪承载力计算值并考虑一定的强度折减后作为胶接缝的抗剪承载力。规范中给出了不同预应力束黏结条件和接缝形式下的剪切强度折减系数，对于全粘结束胶接缝，剪切强度折减系数为0.90。

图8 给出了③型试件抗剪承载力-压应力曲线。由图8可见：③型试件抗剪承载力与压应力的实测和计算曲线都呈线性变化；按干接缝名义抗剪承载力计算式（4）的计算值均小于胶接缝实测值，偏小程度在6.2%～18.1%之间，按干接缝名义承载力计算值再考虑0.90 的剪切强度折减系数后，偏小程度在15.6%～26.2%之间，且偏小程度随着接缝面压应力的增大而减小；当有键胶接缝的抗剪承载力按有键干接缝名义抗剪承载力计算式计算时，未考虑环氧树脂胶对抗剪的有利作用，已经是偏于安全，当再考虑0.90 的剪切强度折减时，则会导致安全储备偏多。胶接缝的抗剪承载力可按美国规范中干接缝名义抗剪承载力计算式计算，计算时建议不用再考虑剪切强度折减。

图8 ③型试件抗剪承载力-压应力曲线

3 接缝抗剪承载力影响因素

3.1 剪力键的影响

①型和②型试件均为干接缝，区别是②型试件接缝面增设了剪力键。①型试件依据滑动摩擦力公式（1）可以计算出与②型试件同等压应力水平下的抗剪承载力，计算结果见表4。2 种试件随着压应力的增加，抗剪承载力的差值在减小，如图9所示。

表4 干接缝试件抗剪承载力结果

图9 干接缝试件抗剪承载力-压应力曲线

有键干接缝抗剪极限状态是剪力键根部剪切破坏和平面接触面间摩擦滑移同时出现，而不是单纯的混凝土与混凝土界面间的摩擦滑移。平面干接缝增设剪力键后会较大程度地提高接缝的抗剪承载力。随着接缝面压应力水平的提高，由压应力引起的剪力在总承载力中的占比增大，由剪力键提供的剪力在总承载力中的占比降低。由表4可见：平面干接缝因增设剪力键而增加的抗剪承载力比例在50%～128%之间，剪力键在干接缝抗剪承载力中的贡献明显，由剪力键提供的抗剪承载力占有键干接缝抗剪承载力的比例约在33%～56%之间，与接缝面压应力水平相关。

3.2 环氧树脂胶的影响

②型和③型试件接缝均设有剪力键，投影面积均为0.144 m2，区别是③型试件接缝面涂抹了环氧树脂胶。表5给出了同等压应力水平下②型试件的试验抗剪承载力和按式（9）计算的③型试件的抗剪承载力。图10 给出了有键干接缝和胶接缝试件抗剪承载力-压应力曲线。由表5 和图10 可见：当接缝面压应力较小时，有键干接缝与胶接缝的抗剪承载力相差也较小；随着压应力的增加，二者的差距增大。

表5 ②型试件和③型试件抗剪承载力对比结果

图10 ②型试件和③型试件抗剪承载力-压应力曲线

有键干接缝涂抹环氧树脂胶会提高接缝的抗剪承载力。随着接缝面压应力水平的提高，因涂抹环氧树脂胶而增加的承载力在总承载力中的占比在增加。从试验数据看，因涂抹环氧树脂胶而引起的接缝抗剪承载力提高程度约在6%～26%之间，与接缝面压应力水平相关。

4 结 论

（1）有键干接缝和胶接缝试件在不同压应力水平下的剪切破坏形态均为脆性破坏。有键干接缝试件的破坏面出现在剪力键根部位置；有键胶接缝试件的破坏面出现在接缝面上，接缝平面部分和剪力键位置同时出现剪切破坏。

（2）平面干接缝增设剪力键会明显提高接缝的抗剪承载力，剪力键提供的抗剪承载力占有键干接缝抗剪承载力的比例约在33%～56%之间，与接缝面压应力水平相关。

（3）对于干接缝面，美国规范中提供的有键干接缝承载力公式计算值过于偏安全，设计强度折减系数ϕj建议取0.80。干接缝名义承载力计算式计算值仅是在一定压应力范围内能和试验值比较接近。

（4）环氧树脂胶对有键干接缝的抗剪承载力有一定提高作用，提高程度约在6%～26%之间，与接缝面压应力水平相关。采用美国规范中有键干接缝抗剪名义承载力公式计算值作为胶接缝的抗剪承载力是偏于安全的，可将环氧树脂胶对抗剪承载力的提高程度作为胶接缝抗剪承载力的安全储备。当全黏结体内束节段梁有键胶接缝的抗剪承载力按干接缝计算时，建议不用再考虑剪切强度折减。

（5）文中提出的有键干接缝和胶接缝的抗剪承载力计算式可为预制节段拼装梁接缝面抗剪承载力计算提供参考。