體外預(yù)應(yīng)力預(yù)制節(jié)段高強(qiáng)混凝土梁抗剪性能的試驗(yàn)研究

陳遠(yuǎn)航 姜海波 葉 明 胡澤彬

（廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院）

0 引言

體外預(yù)應(yīng)力預(yù)制節(jié)段混凝土梁橋是一種新型的橋梁結(jié)構(gòu)形式。預(yù)制構(gòu)件之間的連接是通過(guò)采用鋼絞線(xiàn)對(duì)節(jié)段構(gòu)件加壓約束，讓各個(gè)預(yù)制構(gòu)件之間的連接面緊貼在一起，從而實(shí)現(xiàn)能夠整體受力的橋梁結(jié)構(gòu)。通過(guò)上述的方法，橋梁可以把梁的主體部分按橫縱向切割成為許多標(biāo)準(zhǔn)預(yù)制構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)在預(yù)制場(chǎng)工廠(chǎng)化制作并養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間后，再運(yùn)輸?shù)綐蛄航ㄔO(shè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行拼裝。憑借其施工過(guò)程對(duì)周邊的環(huán)境和車(chē)輛交通的影響比較小、現(xiàn)場(chǎng)施工效率高等優(yōu)點(diǎn)，體外預(yù)應(yīng)力預(yù)制節(jié)段混凝土梁橋已成為實(shí)際工程設(shè)計(jì)中具有競(jìng)爭(zhēng)力的橋型選擇。

早期的研究主要圍繞體外預(yù)應(yīng)力加固梁的抗彎性能展開(kāi)。1987 年，Rabbt 等人[1]設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究不同預(yù)應(yīng)力束布置方式對(duì)梁的破壞模式的影響，得出：采用體內(nèi)全粘結(jié)預(yù)應(yīng)力豎的試件，破壞時(shí)表現(xiàn)為傳統(tǒng)抗彎破壞；采用體外預(yù)應(yīng)力束的試件，則為剪壓破壞。1995 年，Hindi 等人[2]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在體內(nèi)束灌漿，試件梁的強(qiáng)度和延性比不灌漿時(shí)要高；而且，體外束與梁體灌漿的粘結(jié)面積越大，梁的強(qiáng)度和延性變化更顯著。2008年，Dinh Hung Nguyen 等人[3]通過(guò)試驗(yàn)研究接縫位置對(duì)梁腹的裂縫發(fā)展和接縫張開(kāi)寬度的影響。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)支梁在彎剪段的接縫在與跨中的距離越小，則接縫在開(kāi)始張開(kāi)時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載水平也越小。

體外預(yù)應(yīng)力加固梁的抗剪性能相對(duì)復(fù)雜，相關(guān)的研究資料也比較匱乏。2003 年，Tan 和Tjandra[4]發(fā)表論文指出來(lái)了體外預(yù)應(yīng)力梁的抗剪強(qiáng)度不足的問(wèn)題。2013年，李國(guó)平等人分別設(shè)計(jì)了兩批試驗(yàn)[5-6]并分別得出結(jié)論：當(dāng)接縫附近受力時(shí)，接縫位置對(duì)承載力有重要的影響；箍筋對(duì)連續(xù)梁的抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)大于對(duì)簡(jiǎn)支梁的抗剪強(qiáng)度。2018 年，姜海波等人[7]測(cè)試了一共14 根體外束預(yù)制節(jié)段試件，試驗(yàn)的結(jié)果表明利用體外束的實(shí)際預(yù)應(yīng)力能較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同剪跨比的試驗(yàn)梁的極限抗剪強(qiáng)度。

綜上所述，已有研究主要集中在體外預(yù)應(yīng)力預(yù)制節(jié)段梁的抗彎性能上，同時(shí)，以往的研究大多選擇低、中強(qiáng)度混凝土試件（低于55MPa），而忽略了高強(qiáng)度混凝土的應(yīng)用研究。已有試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)中，試驗(yàn)梁破壞時(shí)，往往表現(xiàn)為混凝土壓碎，而破壞時(shí)鋼絞線(xiàn)的應(yīng)力距離極限應(yīng)力仍然有一定的裕度。本文受?chē)?guó)家自然科學(xué)基金資助（51778150），推測(cè)提高混凝土強(qiáng)度可以有效地增加梁體的承載力，并加以試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)總結(jié)不同試驗(yàn)參數(shù)對(duì)試驗(yàn)梁的抗剪承載力的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)中所有梁的截面相同，皆為T(mén) 形截面，是由設(shè)計(jì)規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)截面通過(guò)截面的中心點(diǎn)不變，截面的形狀、尺寸滿(mǎn)足相似原理轉(zhuǎn)換而來(lái)。梁長(zhǎng)1.8m，有效跨徑為1.6m，梁的橫截面寬0.4m，深0.3m，梁的腹板厚度為0.1m，翼緣寬度為0.05m。每根梁在跨中處都設(shè)置有一個(gè)0.1m 長(zhǎng)的轉(zhuǎn)向塊。另外，在梁的底部設(shè)置有兩根直徑為12mm 的鋼筋作為縱向受力鋼筋，在腹板中間和翼板內(nèi)設(shè)置了一系列直徑為8mm 的鋼筋作為縱向構(gòu)造鋼筋。特別說(shuō)明：本試驗(yàn)中，節(jié)段梁的縱向鋼筋在接縫連接處是斷開(kāi)的，而整體梁的是整個(gè)長(zhǎng)度連續(xù)的。在箍筋的配筋中，試驗(yàn)區(qū)和非試驗(yàn)區(qū)設(shè)置的雙肢箍筋間距分別為140mm 和65mm。體外預(yù)應(yīng)力束選用的是7 股式的鋼絞線(xiàn)，其公稱(chēng)直徑為9.5mm，截面面積為54.8mm2。詳細(xì)的試件的構(gòu)造圖如圖1 所示。

參考已有的研究資料，并結(jié)合影響因素對(duì)試件抗剪性能的影響程度，在本試驗(yàn)研究中選取了3 個(gè)主要影響因素作為研究參數(shù)，即施工方法（整體式和節(jié)段式）、混凝土強(qiáng)度（C55 和C85）和剪跨比（1.3、1.8 和2.3）。

試驗(yàn)所用混凝土包括普通混凝土C55 和高強(qiáng)混凝土C85，混凝土混合料包括：42.5R 水泥；本地的中粗河砂，細(xì)度模數(shù)為2.8；粗骨料為粒徑小于12mm 的大理石碎石；減水劑濃度為20%的聚羧酸鹽高性能減水劑。C55混凝土和C85 混凝土的水灰比分別為0.49 和0.31，平均彈性模量分別為36012MPa 和4.54GPa，各個(gè)試件混凝土強(qiáng)度見(jiàn)表1。試驗(yàn)所用鋼材：縱向普通鋼筋采用型號(hào)為HRB335 的熱軋鋼筋，箍筋和頂部翼緣板面筋采用型號(hào)為HRB335 的光圓鋼筋，普通鋼筋的平均屈服強(qiáng)度為454.40MPa，彈性模量為2.013GPa。鋼絞線(xiàn)的屈服強(qiáng)度和彈性模量分別是1815MPa 和1.93GPa。

表1 試件參數(shù)

2 試驗(yàn)方法

試件在28 天養(yǎng)護(hù)后，將相應(yīng)的節(jié)段拼接組裝成完整的梁并施加預(yù)應(yīng)力fy，使用千斤頂將鋼絞線(xiàn)張拉至0.5 倍左右屈服強(qiáng)度。由于預(yù)應(yīng)力損失，最終有效預(yù)應(yīng)力的大小在加載前保持在0.35～0.55fy的范圍內(nèi)，預(yù)應(yīng)力的詳細(xì)內(nèi)容列于表2 中。

圖1 一般構(gòu)造圖及配筋圖

表2 試驗(yàn)結(jié)果匯總

圖2 試驗(yàn)裝置圖

正式加載前，首先施加10kN 的預(yù)加載，以確保所有測(cè)試設(shè)備連接和設(shè)置無(wú)誤。在正式試驗(yàn)期間，在開(kāi)裂前，每5 分鐘以20kN 一級(jí)的增量施加荷載；出現(xiàn)裂縫后，轉(zhuǎn)換成每級(jí)10kN 的增量繼續(xù)施加荷載，直至梁破壞。在每次加載之間，觀察并標(biāo)記裂縫的出現(xiàn)和擴(kuò)展。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，采集施加的荷載力、各預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力、5 個(gè)測(cè)點(diǎn)處梁的撓度，各測(cè)點(diǎn)位置如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)裝置及測(cè)點(diǎn)位置示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 裂縫發(fā)展和破壞模式

對(duì)于整體式梁，當(dāng)施加約47.5%Vu的荷載（346kN）后，在荷載點(diǎn)正下方的梁底出現(xiàn)裂縫。并且隨著荷載等級(jí)的增加，純彎段的梁底的不同位置也都出現(xiàn)更多的彎曲裂縫，這些裂縫在梁底產(chǎn)生并垂直地向上擴(kuò)展。當(dāng)荷載達(dá)到50%Vu（364.6kN）時(shí)，剪跨區(qū)腹板出現(xiàn)斜剪裂縫，隨著荷載增加，斜裂縫不斷分別向荷載點(diǎn)和支承點(diǎn)的方向延伸。最終，當(dāng)荷載達(dá)到729kN 時(shí)，梁體混凝土破壞之前，一根體外束斷裂，試件破壞，破壞模式歸類(lèi)于鋼絞線(xiàn)崩裂。

對(duì)于預(yù)制節(jié)段式梁，腹板則幾乎沒(méi)有出現(xiàn)彎曲裂縫。破壞模式主要有兩種：第一種情況，預(yù)制節(jié)段梁的初始剪切裂縫一般出現(xiàn)在剪力鍵的底部。隨著荷載增加，裂縫沿荷載點(diǎn)與支撐點(diǎn)的連線(xiàn)方向延伸， 大多數(shù)情況下，其中的一條裂縫最終會(huì)發(fā)展成為把梁分成兩部分并導(dǎo)致梁破壞的關(guān)鍵裂縫。在這種情況下，破壞模式被描述為剪壓破壞（SC）。另一種情況，即預(yù)應(yīng)力筋在混凝土破壞前斷裂，破壞模式被描述為鋼絞線(xiàn)斷裂（AT）。

3.2 變形規(guī)律

圖4 顯示了標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)梁在垂直荷載的不同值下，試驗(yàn)梁沿長(zhǎng)度的撓度分布。隨著荷載的增大，梁的豎向位移逐漸增大。在試驗(yàn)過(guò)程中，沒(méi)有觀察到節(jié)段之間的相對(duì)垂直位移。值得注意的是，對(duì)于剪跨比為1.4 的梁，撓度在0.8Vu之前變化緩慢，之后變化迅速；對(duì)于剪跨比為1.8 和2.3 的梁，其撓度變化速度在整個(gè)過(guò)程中是相對(duì)均勻的；此外，梁的一側(cè)比另一側(cè)更早開(kāi)裂，這導(dǎo)致當(dāng)達(dá)到垂直破壞荷載Vu時(shí)，這一側(cè)的撓度比另一側(cè)的撓度大。

圖4 豎向撓度- 跨徑圖

圖5 是梁跨中的荷載-撓度曲線(xiàn)。如圖所示，隨著荷載的增加，撓度開(kāi)始呈線(xiàn)性增加。但從一個(gè)特定的點(diǎn)開(kāi)始，這種變化就變得非線(xiàn)性了。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)該點(diǎn)對(duì)應(yīng)梁的開(kāi)裂荷載，這意味著開(kāi)裂后梁的剛度降低。

圖5 不同剪跨比荷載- 跨中撓度曲線(xiàn)

通過(guò)比較預(yù)制節(jié)段梁的荷載-撓度曲線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)參數(shù)對(duì)梁變形的影響。觀察圖6 不同強(qiáng)度混凝土梁的荷載-撓度曲線(xiàn)，可知梁的剛度與混凝土強(qiáng)度無(wú)關(guān)，但混凝土強(qiáng)度越高，跨中撓度最大值越大。對(duì)于剪跨比，圖6表明增大剪跨比將降低梁的剛度。

圖6 不同砼強(qiáng)度荷載- 跨中撓度曲線(xiàn)

3.3 極限抗剪承載力分析

圖7 給出了所有試件的抗剪承載力。圖中可以看出，對(duì)于高強(qiáng)混凝土（85MPa）梁，預(yù)制節(jié)段梁與整體式梁相比，預(yù)制梁的抗剪強(qiáng)度降低了約三分之一[（729－487）/729=0.331]。另外，提高試件的混凝土強(qiáng)度可以有效地提高體外預(yù)應(yīng)力預(yù)制節(jié)段混凝土梁的抗剪承載力，試件S1.3-C85 的抗剪承載力比試件S1.3-C55 高62kN（34%）。通過(guò)對(duì)不同剪跨比的梁進(jìn)行比較，可以得出結(jié)論，減小加載剪跨比能提高梁的抗剪強(qiáng)度。

圖7 試驗(yàn)梁極限荷載

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)，分別分析了施工方法、混凝土強(qiáng)度和剪跨比對(duì)體外預(yù)應(yīng)力預(yù)制節(jié)段高強(qiáng)混凝土梁斜截面抗剪性能的影響；測(cè)試并記錄了加載過(guò)程中的裂縫的發(fā)展情況和破壞模式、撓度變化、鋼絞線(xiàn)預(yù)應(yīng)力大小等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

⑴預(yù)制節(jié)段梁的初始裂紋以剪切裂縫的形式出現(xiàn)在健齒的根部，這些裂縫會(huì)沿著連接加載點(diǎn)和支撐點(diǎn)的方向分別向兩端伸展，并最終導(dǎo)致梁發(fā)生剪切破壞。

⑵對(duì)于剪跨比為1.3 的梁，撓度在荷載等級(jí)達(dá)到0.8Vu前變化較緩慢，達(dá)到0.8Vu之后則變化速度加快；對(duì)于剪跨比為1.8 和2.3 的梁，撓度在加載過(guò)程中變化速度比較穩(wěn)定；此外，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)預(yù)制節(jié)段梁的剛度小于整體式梁，梁的剛度在開(kāi)裂后會(huì)降低。

⑶對(duì)于高強(qiáng)混凝土梁來(lái)說(shuō)，體外預(yù)應(yīng)力預(yù)制節(jié)段梁的抗剪強(qiáng)度比整體式梁降低了約1/3。提高混凝土強(qiáng)度可以有效提高預(yù)制節(jié)段梁的斜截面抗剪承載力。

⑷抗剪強(qiáng)度與剪跨比成反比，即剪跨比越大，梁的抗剪承載力越小。