預(yù)制節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁膠接縫抗剪性能研究

潘鑫鵬， 曹 健， 曾志偉， 趙尚傳， 李國(guó)宇

(1.南昌工程學(xué)院 a.土木與建筑工程學(xué)院，b.瑤湖學(xué)院， 南昌 330099； 2.交通運(yùn)輸部 公路科學(xué)研究院， 北京 100088)

節(jié)段箱梁預(yù)制拼裝技術(shù)之所以能被工程界廣泛認(rèn)同，主要的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在：橋梁上部結(jié)構(gòu)節(jié)段預(yù)制和下部結(jié)構(gòu)的施工可同時(shí)進(jìn)行，施工速度快，工期縮短；梁體的預(yù)制工廠化，施工質(zhì)量好，而且上部結(jié)構(gòu)線形控制較為容易；節(jié)段箱梁的養(yǎng)護(hù)時(shí)間較長(zhǎng)，成橋以后梁體的徐變和預(yù)應(yīng)力損失較?。还S化預(yù)制和機(jī)械化施工提高了現(xiàn)代化橋梁的建設(shè)水平；采用流水施工，箱梁的預(yù)制和安裝可以分開(kāi)進(jìn)行，相互不干擾，縮短了施工工期；有利于橋位處的環(huán)保，減少了對(duì)橋下的現(xiàn)有交通的影響。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)預(yù)制節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁膠接縫處的抗剪特性已開(kāi)展了一定的研究。Koseki等[1]發(fā)現(xiàn)粘結(jié)涂料膠接縫的破壞形式為支座或腹板處混凝土被壓碎，且粘結(jié)涂料膠接縫梁體的承載能力與整體澆筑梁體的承載能力基本相當(dāng)。Issa等[2]研究了兩種不同類型環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)涂料對(duì)接縫抗剪切性能的影響，發(fā)現(xiàn)涂抹常溫固化型環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)涂料的膠接縫抗剪切能力比涂抹低溫固化型環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)涂料同類型膠接縫的要高出約28%。盧文良[3]推導(dǎo)了預(yù)制節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁接縫處的抗剪計(jì)算公式。Zhou[4]證明了膠接縫的破壞表現(xiàn)為一定的脆性。李國(guó)平[5]發(fā)現(xiàn)節(jié)段式體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁的剪切性能與整體澆筑梁體的剪切性能差異很大，接縫的類型幾乎決定了剪切破壞形態(tài)及裂縫的產(chǎn)生，配置體內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋可以很好地改善體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁的剪切性能。

與整跨澆筑箱梁的受力特性不同，當(dāng)預(yù)制節(jié)段拼裝箱梁開(kāi)始加載時(shí)，梁體處于全截面受壓狀態(tài)，荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力不能抵消預(yù)應(yīng)力所施加的預(yù)壓力，接縫處于閉合狀態(tài)；隨著荷載增加，節(jié)段接縫處的應(yīng)力狀態(tài)由受壓逐漸變?yōu)槭芾?，由于接縫只能承受壓應(yīng)力，當(dāng)受壓轉(zhuǎn)化為受拉狀態(tài)時(shí)，此時(shí)節(jié)段預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)立即表現(xiàn)出明顯的接觸非線性[6-7]。箱梁接縫在張開(kāi)前，節(jié)段間整體性較好，跨中截面應(yīng)變基本符合平截面假定。隨荷載進(jìn)一步增加，接縫開(kāi)始陸續(xù)張開(kāi)，中和軸不斷上移，中和軸上移至距頂板最近時(shí)，達(dá)到極限荷載，如荷載繼續(xù)增加，頂板混凝土壓碎，梁體破壞[8]。當(dāng)預(yù)應(yīng)力施加后，體外預(yù)應(yīng)力束比重越大，達(dá)到極限承載能力時(shí)，中和軸距梁頂板越近，梁體的裂縫主要集中在節(jié)段間接縫的素混凝土處，跨中接縫沿梁高張開(kāi)寬度顯示，接縫張開(kāi)后跨中截面應(yīng)變?nèi)苑掀浇孛婕俣╗9]。剪跨比是影響預(yù)制節(jié)段梁和整體梁抗剪承載力的主要因素，隨著剪跨比增大，節(jié)段梁和整體梁的抗剪承載力明顯降低；接縫控制梁抗剪承載力，但接縫數(shù)量對(duì)節(jié)段式混凝土梁抗剪承載力的影響很小[10]。

當(dāng)前，雖然國(guó)內(nèi)外針對(duì)預(yù)制節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的整體設(shè)計(jì)計(jì)算已有相應(yīng)的規(guī)范規(guī)定[11-13]。但針對(duì)預(yù)制節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁接縫處的抗剪性能，規(guī)范中還沒(méi)有針對(duì)性的計(jì)算規(guī)定，當(dāng)前的工程設(shè)計(jì)也一般參照整跨連續(xù)箱梁橋的計(jì)算，缺乏理論基礎(chǔ)。

一般情形下，對(duì)于抗剪性能要求較高的結(jié)構(gòu)，通常采用膠接縫形式[14]，而當(dāng)前針對(duì)膠接縫抗剪承載力的研究還不是很充分?；诖耍疚氖紫仍趯?duì)膠接縫處箱梁的抗剪機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，找出影響抗剪承載力的關(guān)鍵參數(shù)；其次在已有計(jì)算公式的基礎(chǔ)上，考慮混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和鍵齒數(shù)的影響，建立適用于預(yù)制節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁膠接縫抗剪承載力計(jì)算公式；最后，利用已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證本文所建計(jì)算公式，為預(yù)制階段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 預(yù)制節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁抗剪機(jī)理

一般認(rèn)為，膠接縫的承載能力經(jīng)過(guò)養(yǎng)護(hù)后與整體澆筑構(gòu)件的接近，由于膠接縫部位的強(qiáng)度較高，破壞模式也考慮為接縫的直剪破壞，因此在計(jì)算接縫處的抗剪承載力時(shí)常采用某個(gè)系數(shù)對(duì)整跨梁進(jìn)行修正的方式。

由于干接縫抗剪強(qiáng)度由混凝土直剪破壞承載力和鍵齒摩擦力承擔(dān)的剪力兩部分組成，而對(duì)于環(huán)氧樹(shù)脂膠接縫，接縫鍵齒處一般不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)或者錯(cuò)動(dòng)，因此鍵齒不會(huì)產(chǎn)生豎向摩擦力，鑒于膠接縫部位的強(qiáng)度較高，可以人為地將膠接縫抗剪強(qiáng)度Vjoint分為混凝土抗剪承載力Vc和鍵齒摩擦力承擔(dān)的剪力Vf兩部分。對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋，為了保持施工階段的穩(wěn)定性及節(jié)段成橋后的整體性，需采用體外預(yù)應(yīng)力筋，其豎向分力Vpv可看做接縫抗剪承載力的一部分。

因此，膠接縫抗剪承載力V由混凝土抗剪承載力、鍵齒接觸面摩擦力和體外預(yù)應(yīng)力筋彎起部分豎向分力構(gòu)成，即：

V=Vc+Vf+Vpv

(1)

上式中，Vc為混凝土抗剪承載力，Vf為鍵齒接觸面摩擦力，Vpv為體外預(yù)應(yīng)力筋彎起部分的豎向分力。

圖1 接縫處抗剪機(jī)理

2 接縫處抗剪承載力公式

文獻(xiàn)[3]提出膠接縫單鍵齒或多鍵齒抗剪承載力公式為：

(2)

強(qiáng)度等級(jí)C40C45C50C55C60C65C70C75C80均值f0.05cu1.202 51.209 61.216 01.221 81.227 11.232 11.236 61.240 951.244 961.225 77

文獻(xiàn)[18]通過(guò)數(shù)值計(jì)算，模擬了膠接縫處多鍵齒共同作用的修正系數(shù)，但未考慮鍵齒接觸面積的增大對(duì)承載力的增益效應(yīng)。本文中，取Ψ為修正系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[19]，當(dāng)σx為0.5 MPa時(shí)，抗剪強(qiáng)度值不放大，當(dāng)σx為1 MPa及1 MPa以上時(shí)，抗剪強(qiáng)度放大10%。

文獻(xiàn)[19]中，建議考慮鍵齒數(shù)量修正系數(shù)Ψ的影響，可得單鍵齒或多鍵齒抗剪承載力公式如下：

(3)

上式中，Ψ為鍵齒數(shù)量修正系數(shù)，當(dāng)σx大于1.0 MPa時(shí)，取Ψ=1.10；Aj為鍵齒接觸面面積，m2；σn為接縫面鍵齒的正應(yīng)力，MPa。

3 公式驗(yàn)證

為了研究不同鍵齒數(shù)量下預(yù)制節(jié)段拼裝箱梁的抗剪承載力，Zhou[4]于2005年分別進(jìn)行了單鍵齒和三鍵齒的膠接縫抗剪承載力試驗(yàn)。試驗(yàn)中的鍵齒試件接縫的細(xì)部構(gòu)造具體如圖2所示。

針對(duì)單鍵齒膠接縫情況，將本文建議公式計(jì)算值、文獻(xiàn)[3]建議公式計(jì)算值與文獻(xiàn)[4]中試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果具體如表2所示。

圖2 不同鍵齒數(shù)量試件接縫細(xì)部構(gòu)造圖

表2 單鍵齒膠接縫試件本文模型計(jì)算值與文獻(xiàn)[3]計(jì)算值及試驗(yàn)值[4]的對(duì)比

從表2可以看出，通過(guò)與6組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，文獻(xiàn)[3]建議公式的計(jì)算值與試驗(yàn)值有約7.53%的平均偏差，而采用本文建議公式的平均偏差僅為0.40%，且標(biāo)準(zhǔn)差比文獻(xiàn)[3]建議公式的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差更小，精度更高。

針對(duì)三鍵齒膠接縫情況，將本文建議公式計(jì)算值、文獻(xiàn)[3]建議公式計(jì)算值與文獻(xiàn)[4]中試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

表3 三鍵齒膠接縫試件本文模型計(jì)算值與文獻(xiàn)[3]計(jì)算值及試驗(yàn)值[4]的對(duì)比

由表3可知，采用文獻(xiàn)[3]建議公式的計(jì)算值與試驗(yàn)值有約7.27%的平均偏差，而采用本文建議公式的平均偏差僅為0.51%，且本文建議公式的標(biāo)準(zhǔn)差更小，精度更高。由于考慮到三鍵齒膠接縫的鍵齒接觸面積較單鍵齒膠接縫的更大，在考慮外加正應(yīng)力σx大于1.0 MPa的前提下，本文建議公式增加了一個(gè)修正系數(shù)1.1，得到的結(jié)果與文獻(xiàn)[3]的計(jì)算結(jié)果相比總體偏差更小，更接近試驗(yàn)值。

4 結(jié)論

當(dāng)前有關(guān)預(yù)制節(jié)段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的抗剪性能研究還不是很充分，本文在已有研究的基礎(chǔ)上，考慮了拼裝塊接縫處鍵齒數(shù)量的影響，提出了修正計(jì)算公式，具有合理的物理含義。對(duì)于單鍵齒膠接縫，與已有公式計(jì)算結(jié)果相比，本文建議的公式計(jì)算值與試驗(yàn)值更為相近，精度更高；隨著鍵齒數(shù)量的增多，造成了接縫處抗剪性能變異性逐漸不明顯，對(duì)于三鍵齒膠接縫，與已有公式計(jì)算值相比，本文提出的公式計(jì)算值與試驗(yàn)值更為相近，偏差更小。研究成果可為預(yù)制階段拼裝預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。