基于剪力鍵數(shù)目及缺損的節(jié)段梁干接縫抗剪性能研究

邱 天

(武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063)

0 引 言

預制節(jié)段梁與整體梁相比，開裂及損失破壞往往集中于節(jié)段接縫部位，作為節(jié)段梁最薄弱的環(huán)節(jié)，接縫處受力十分復雜，很有必要對接縫抗剪性能進行全面的分析與研究。1989年麻省理工大學學者M. M. Bakhoum[1]等人通過對不同形式共計96個鍵齒接縫試件展開了試驗研究，通過對結果的數(shù)據回歸分析，針對不同的接縫形式提出了相應的計算公式；1993年，美國得克薩斯大學奧斯丁分校的J. E. Breen等人對鍵齒干接縫的結構及抗剪原理展開研究，運用莫爾應力圓理論分析得到了鍵齒干接縫抗剪承載力的計算公式，該公式于1999年由《節(jié)段式混凝土橋梁設計和施工指導性規(guī)范》(1999)AASHTO[2]收錄并用于計算干接縫抗剪承載力；2002年德國漢堡-哈爾堡工業(yè)大學學者G. Rombach[3]在M. M. Bakhoum等人所做試驗的基礎上對不同齒鍵尺寸及數(shù)目開展數(shù)值分析，提出了干接縫抗剪承載力計算公式。

本文在孫學帥[4]所做干接縫抗剪試驗基礎上對齒鍵個數(shù)以及齒鍵缺損狀況下的接縫抗剪承載能力進行有限元計算分析，分析了不同條件下接縫受力特征，對干接縫抗剪力學響應機制以及破壞模式進行了較為全面的研究。

1 試驗概況

1.1 試件尺寸設計

本試驗中試件尺寸參照J. Turmo[5]的試驗模型進行設計，考慮到箱梁的抗剪能力主要由腹板提供，將實際橋梁中的箱型截面簡化為矩形截面；鍵齒接縫構件的鍵齒尺寸參照美國AASHTO規(guī)范以及Zhou等[6]人的試驗構件尺寸進行設計，具體尺寸如圖1所示，其中中部試件厚度為120 mm。

圖1 試件參數(shù)示意圖(單位：mm)

1.2 材料性能

試件混凝土強度等級為C50，根據試驗機所測28 d抗壓強度計算得到混凝土立方體抗壓強度標準值取41.7 MPa，試件中的普通鋼筋均采用公稱直徑12 mm的HRB335鋼筋；預應力鋼筋采用公稱直徑為15.2 mm的鋼絞線，在有限元模擬中通過側壓應力代替，具體各項材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)表

1.3 試驗參數(shù)設計

孫學帥對干接縫抗剪僅設置了2組試驗，分別為無齒鍵干接縫及四齒鍵干接縫。本文通過有限元軟件對試件進行了數(shù)值計算，計算結果與試驗誤差均在5%以內，同時以此為基礎對不同鍵齒試件開展進一步研究，各試件具體參數(shù)見表2，其中K代表齒鍵數(shù)目，M代表接縫壓應力大小。

表2 試驗設計參數(shù)

1.4 有限元模型設計

在試驗模型的基礎上，對剪力鍵數(shù)目及位置重新分配，中間塊尺寸及位置如圖2所示，其中各試件剪力鍵根據位置自上向下進行編號如K4試件所示，各試件高度均為650 mm。

圖2 試件設計尺寸(單位：mm)

所有試件剪力鍵大小完全一致，只有個數(shù)及位置存在差異，根據各項設計參數(shù)進行有限元建模，將試件底部完全固結后，在試件頂端進行位移加載，對模型進行求解計算，分析比較剪力鍵齒數(shù)對于接縫抗剪承載力的影響。

2 齒數(shù)影響分析

2.1 齒數(shù)變化有限元結果

通過有限元軟件的數(shù)值計算，各試件極限抗剪承載力結果見表3。

表3 有限元計算結果

將有限元結果與美國規(guī)范AASHTO公式計算結果對比可以發(fā)現(xiàn)AASHTO公式計算結果相差不大，平均為計算值的95%左右。

2.2 荷載-位移曲線對比

比較不同剪力鍵數(shù)目條件下接縫的荷載-位移曲線，如圖3所示?？梢园l(fā)現(xiàn)在齒鍵尺寸不變的情況下，抗剪承載力與齒鍵數(shù)成正相關，試件剛度也隨之有一定程度的提升，但隨著齒數(shù)增多，抗剪承載力增長幅度有所減緩，即增加剪力鍵數(shù)目對于接縫抗剪承載力的邊際效應在逐步遞減。因此在實際工程中應根據具體受力情況配置適當?shù)募袅︽I齒數(shù)，使之在滿足受力需求的同時保證施工過程的經濟性及便捷性。各試件具體承載力相關結果見表4、表5。

圖3 不同齒鍵數(shù)荷載-位移曲線

表4 不同鍵齒結果對比

表5 不同鍵齒強度增量

2.3 試件損傷分布

圖4所示為在極限荷載作用下不同齒鍵數(shù)目接縫損傷分布圖，可以看到所有試件均在接縫鍵齒部位發(fā)生損傷，對于齒鍵數(shù)目較多的試件，其損傷發(fā)展較為均勻并延伸至支座處，整個接縫部位基本都對抗剪能力起到了一定的作用。而隨著齒鍵數(shù)目的減少，損傷分布范圍逐步集中至剪力鍵部位，試件破壞時未充分發(fā)揮接縫部位的抗剪性能。表明增加齒鍵數(shù)目可有效改善接縫部位的應力分布，使剪力鍵受力更加均勻，提高節(jié)段接縫的極限極限抗剪強度。

圖4 各試件損傷分布圖

2.5 齒鍵裂縫開展機制

圖5所示為4齒試件在極限荷載作用下的裂縫開展情況，可以看到接縫兩側裂縫分布較為均勻，主要沿剪力鍵根部斜向上呈60°開展并相互貫通形成斜壓桿，鍵齒部位混凝土發(fā)生類斜壓破壞后接縫抗剪承載能力達到極限。

圖5 K4-M2.5試件裂縫分布

3 齒鍵缺損分析

在節(jié)段預制橋梁裝配及實際受力過程中，剪力鍵可能由于碰撞等外界因素發(fā)生局部損傷破壞的情況，而節(jié)段接縫作為預制拼裝橋梁的關鍵部位，剪力鍵的損傷可能引起接縫抗剪承載能力降低。本節(jié)通過有限元模擬各部位剪力鍵完全缺失時節(jié)段接縫抗剪承載力的損失。

3.1 齒鍵缺損有限元結果分析

以K4-M2.5試件為對象，不改變原始試件尺寸，通過去掉單側不同編號剪力鍵模擬實際情況下的剪力鍵缺失狀態(tài)，以3號齒缺失為例，試件布置如圖6所示(以下以L指代齒鍵缺失試件)。

圖6 L3試件示意圖

圖7為不同部位齒鍵缺失時試件荷載-位移曲線的變化情況。

圖7 齒鍵缺失試件荷載相對位移曲線

根據計算結果可以看出，當齒鍵缺失位置發(fā)生變化時，整體試件力學性能存在一定差別。其中齒鍵完整的試件極限承載力以及剛度均最大，缺失底部4號鍵齒后整體剛度以及抗剪承載能力最小，相比無缺失試件承載力損失達到35.7%。各試件具體結果數(shù)據記錄見表6。

表6 齒鍵缺失結果

由表6計算結果可看出，除底部4號鍵缺失外的其他試件，極限承載力均高于4齒缺失試件，說明底部4號鍵對整體試件的抗剪貢獻較大。這是由于相對于加載端來說，支座墊塊處的受力面積較小且剛度較大，在抗剪過程中支座與試件間易發(fā)生應力集中，進而導致底部齒鍵應力相對較大且最先發(fā)生損傷破壞。而由于1、2、3號鍵處在試件中上方部位，加載過程中不會最先發(fā)生破壞，缺失鍵位的位置對結構的極限承載能力影響較小。

此外，通過將單齒缺失試件與3齒完整試件對比可發(fā)現(xiàn)，單鍵缺失后極限抗剪承載力一般維持在810 kN，而對于三齒完整試件來說，其抗剪承載力為846 kN，較缺齒試件更大。這說明齒鍵缺失對整體抗剪性能的影響是非線性的，齒鍵缺失側接縫抗剪強度降低后，應力會向該側發(fā)生集中，完整側接縫齒鍵尚未充分發(fā)揮作用時構件已經喪失繼續(xù)承載能力，這會導致完整側接縫在抗剪過程中的利用率較大幅度降低。

3.2 齒鍵缺失破壞模式

以L4試件為例，其不同受力階段的混凝土損傷分布如圖8所示，其中初步損傷指第一個齒鍵破壞時的損傷分布，極限損傷分布指齒鍵缺失側最后一個齒鍵破壞時的損傷分布情況。

圖8 L4試件損傷分布

由圖8可以看出，底部4號齒鍵缺失后，其上方3號鍵最先發(fā)生損傷破壞，隨著荷載繼續(xù)增加，破壞逐漸向上部發(fā)展，最終左側接縫齒鍵完全破壞喪失承載能力。該過程與完整接縫抗剪破壞過程基本一致，但由于底部齒鍵的缺失，導致應力集中于左側3號齒鍵，且相對于完整接縫，齒鍵缺失的一側損傷程度更大，在以上兩種應力集中條件下，試件迅速破壞，抗剪承載力大幅降低。

其余試件損傷分布結果如圖9所示。

圖9 L1-L3試件損傷分布

根據圖9結果，結合各試件混凝土損傷發(fā)展規(guī)律可知，首次發(fā)生損傷的部位主要分布在接縫底部及缺失齒鍵上方位置。齒鍵缺失后位于缺失鍵下方的互補鍵對試件抗剪承載力基本不再發(fā)揮作用；加載過程中混凝土損傷主要集中在齒鍵缺失一側，而齒鍵完整側接縫損傷極小，抗剪承載利用率較低。

4 結 論

通過對節(jié)段接縫的有限元數(shù)值分析，比較了不同齒鍵數(shù)目的接縫抗剪承載能力，并就剪力鍵缺失情況下的接縫抗剪性能作了一定程度的分析。根據分析結果可得出如下結論：

(1) 對于相同尺寸矩形截面抗剪承載力來說，剪力鍵數(shù)目的越多，接縫抗剪承載能力越大，但增加剪力鍵的邊際效應在逐步遞減。

(2) 在荷載作用下，剪力通過齒鍵向下逐級傳遞，接縫底部齒鍵由于既要承受上部傳遞的剪力，又要抵抗支座傳遞的反力，往往最先發(fā)生破壞。當?shù)撞魁X鍵破壞后，損傷自下向上發(fā)展。

(3) 鍵齒干接縫中剪力鍵的受力機理類似于短牛腿的斜壓破壞，在荷載作用下裂縫從鍵齒底部向斜上方發(fā)展，最終裂縫貫通達到極限承載力。

(4) 當4齒干接縫某一部位齒鍵發(fā)生缺損破壞后，試件抗剪承載力迅速降低。其中底部齒鍵為抗剪關鍵部位，該齒鍵缺失會導致整體抗剪承載力下降36%，而除底部外的其他齒鍵缺失則會導致抗剪承載力下降約20%；

(5) 剪力鍵缺失會導致接縫局部發(fā)生應力集中現(xiàn)象，使得部分鍵齒過早發(fā)生破壞，進而造成缺失齒鍵一側接縫損傷速度更快，較大程度降低了接縫部位的抗剪能力。