新型銷接鋼筋鉸縫彎剪復合作用下傳力性能

陳記豪， 郭明臻， 范 林， 卞華偉， 董 鑫

(華北水利水電大學土木與交通學院， 鄭州 450045)

裝配式空心板橋是中外中小跨徑橋梁應用最廣泛的一種橋型[1-3]。鉸縫沿橋跨方向?qū)⒏髌v梁連成整體而協(xié)同工作，是該類橋梁的重要組成構(gòu)件。室內(nèi)模型試驗[4]和現(xiàn)場原型試驗[5]均表明：空心板橋最先發(fā)生開裂的部位是空心板與鉸縫的結(jié)合面，鉸縫破壞先于空心板。鉸縫耐用性較差是該類橋的一個薄弱點[6]。鉸縫傳力機理是該類橋維修加固提升耐用性的前提，十分有必要研究鉸縫傳力機理。

種永峰[7]空心板橋模型試驗表明，空心板橋沿鉸縫與空心板界面開裂后破壞，配制交叉鋼筋和門式鋼筋的鉸縫傳遞荷載能力較好。唐先習[8]空心板橋模型疲勞試驗表明，一定幅值的疲勞荷載不足以引起鉸縫損傷，超載車輛產(chǎn)生的疲勞作用會產(chǎn)生較嚴重的破壞，鉸縫試驗中橫向拉壓力和豎向剪應力是引起其破壞的關鍵因素。王渠等[4]深鉸縫足尺寸空心板橋荷載試驗結(jié)果表明，在彎拉作用下鉸縫沿與空心板結(jié)合面由底部向頂部開裂而形成通縫，開裂荷載值為70 kN。葉見曙等[1]采用深鉸縫的抗剪試件，分析了預留凹槽與人工鑿毛法界面粗糙處理后鉸縫抗剪性能，結(jié)果表明預留凹槽法界面黏結(jié)力較高且破壞呈現(xiàn)一定的延性。文獻[4]與文獻[1]試驗采用相同的鉸縫尺寸，分別實施了足尺試驗和抗剪試件模型試驗，文獻[1]試驗得到鉸縫開裂荷載和極限荷載分別為135、230 kN，而文獻[4]試驗所得開裂與極限荷載分別為70、140 kN。顯然，抗剪試件所得抗剪承載力明顯高于實際結(jié)構(gòu)，因而抗剪試件反映了鉸縫抗剪性能，但并不能反映彎剪復合應力狀態(tài)下鉸縫受力性能。邱志雄等[9]采用橫斷面足尺寸，寬度為2 m的局部節(jié)段模型實施了靜載試驗，結(jié)果表明整體化鋪裝厚度由0 cm增大至15 cm，開裂彎矩提高了112.5%，鉸縫內(nèi)交叉鋼筋在正常使用最大彎矩工況下應力值較小，對鉸縫傳遞彎矩和剪力貢獻較小，這與文獻[7]結(jié)果相沖突。

綜上可知，裝配式空心板橋破壞始于鉸縫與空心板結(jié)合面破壞得到了大多數(shù)學者的認可，但是鉸縫內(nèi)配筋的作用及鉸縫傳力機理尚未不明確，尤其是彎剪復合作用下鉸縫傳力機理尚未檢索相關報道。為提升鉸縫與空心板結(jié)合面及整個鉸縫的傳力能力，現(xiàn)提出一種銷接鋼筋鉸縫配筋形式，并采用帶鉸縫梁式構(gòu)件進行模型試驗，研究彎剪作用下，其與傳統(tǒng)鉸縫傳力機理的異同及傳力性能優(yōu)劣，探討鋪裝層厚度和銷接鋼筋鉸縫對空心板橋鉸縫傳力性能的影響規(guī)律，以期為該類橋梁提供一種新的配筋形式，進而提升其耐用性。

1 銷接鋼筋鉸縫及其模型設計、制作

1.1 新型銷接鋼筋鉸縫

鑒于鉸縫本身并未破壞，僅是結(jié)合面產(chǎn)生了黏結(jié)破壞，因而重點是提高結(jié)合面抗拉能力。結(jié)合面開裂后橫向拉力全部由鋼筋承擔，因而本課題組發(fā)明了圖1所示銷接鋼筋形式[10]，該方案去掉了交叉鋼筋，增加了若干層鉸縫抗拉鋼筋，鉸縫兩側(cè)空心板內(nèi)伸出的抗拉鋼筋在鉸縫內(nèi)通過銷接鋼筋連接起來，克服了鉸縫狹小，抗拉鋼筋錨固長度不足的難題。基于此，通過試驗研究銷接鋼筋鉸縫與傳統(tǒng)的傳力機理及其傳力效果。

圖1 新型銷接鋼筋鉸縫示意圖[10]Fig.1 Schematic diagram of new pin-connected rebar of the hinge joint[10]

1.2 模型設計

鉸縫抗剪試件難以考慮彎矩的影響，足尺寸整橋試驗體量較大，且難以獲得鉸縫裂縫開展隨荷載的變化情況，也難以進行疲勞試驗，迫切需要創(chuàng)新實驗手段和測試手段。研究表明：鉸縫傳力具有明顯的局部性[4,6,11]：荷載作用于空心板時，橫向上該空心板兩側(cè)的鉸縫受力最大，其余鉸縫受力較?。豢v向上荷載作用位置處鉸縫受力最大，其余位置均較小，基本可以忽略。因而，可以在荷載作用處沿橋跨縱向取較小的一段鉸縫和空心板，研究鉸縫的受力性能。鉸縫主要受剪力和橫向彎矩作用，可采用普通矩形梁代替原縱梁，這就相當于在普通梁跨中設置一個鉸縫連接，鉸縫的受力狀態(tài)與其在原橋中受力狀態(tài)基本一致，這里稱為帶鉸縫梁?；诖?，提出了“一種空心板橋鉸縫承載力測試試件及制作方法和測試方法”的發(fā)明專利(201610219969.7)[12]，進而得到了本試驗所用構(gòu)件尺寸，如圖2所示。鋪裝層厚度為100 mm，配置圖3所示鋼筋網(wǎng)片。

B2和B4為梁編號圖2 試件設計圖Fig.2 Design drawing of specimen

圖3 鋪裝層構(gòu)造圖Fig.3 Structure drawing of pavement

本次試驗共2組4個試件，試件配筋情況如表1和圖4所示，其中B1和B2是傳統(tǒng)鉸縫結(jié)構(gòu)[圖4(a)]，B3和B4是新型銷接鋼筋鉸縫結(jié)構(gòu)[圖4(b)]。

表1 各試件鋼筋配制情況Table 1 Reinforcement preparation of each specimen

圖4 梁配筋示意圖Fig.4 Schematic diagram of beam reinforcement

1.3 試驗材料

梁段采用C30混凝土，實測立方體抗壓強度為35.4 MPa，鉸縫和鋪裝采用C40混凝土，實測立方體抗壓強度為54.5 MPa?？估摻詈徒徊驿摻畈捎弥睆綖?2 mm的HRB400級鋼筋，實測屈服強度為431.85 MPa，極限強度為575.78 MPa，伸長率為23%，銷接鋼筋采用直徑為20 mm的HRB400級鋼筋。

1.4 模型制作

如圖5所示，梁段制作養(yǎng)護28 d后綁扎鉸縫鋼筋[圖5(a)]，澆筑鉸縫后自然養(yǎng)護[圖5(b)]。再養(yǎng)護28 d后，實施靜載試驗。

圖5 試件制作與養(yǎng)護Fig.5 Specimen fabrication and curing

2 試驗加載及測點布置

加載點位于鉸縫一側(cè)梁段上，具體位置如圖6所示。墊板橫向長度為0.6 m，縱向長度為0.2 m[4]。在鉸縫抗拉鋼筋、交叉鋼筋上預埋應變片(圖4)，跨中鉸縫兩側(cè)梁段架設位移計(圖6)。

圖6 加載工況圖Fig.6 Loading diagram

3 試驗加載破壞過程

所有構(gòu)件裂縫均出現(xiàn)在鉸縫與梁段交接面，B3梁破壞形態(tài)如圖7所示，從加載到破壞，鋪裝與梁段之間未發(fā)生剪切破壞，二者協(xié)同受力性能良好，這與文獻[13]整橋試驗結(jié)果一致。試件從開始加載到破壞，可以分為三個受力階段。

圖7 B3構(gòu)件破壞照片F(xiàn)ig.7 Destroy photos of B3

第一階段，鉸縫界面開裂前階段。鉸縫完好，能較好地承載及傳遞荷載，構(gòu)件整體受力。

第二階段，鉸縫界面裂縫貫通前階段。當荷載加到一定數(shù)值時，裂縫沿鉸縫結(jié)合面在構(gòu)件底部在彎拉復合應力下開裂，直至鋪裝層下部。

第三階段，試件破壞階段。隨著荷載的不斷增加，裂縫沿結(jié)合面向上不斷擴展，到構(gòu)件頂部或鋪裝層下部而形成通縫，此后依靠鉸縫抗拉鋼筋傳遞荷載，鉸縫受拉區(qū)鋼筋拉斷，鉸縫破壞而退出工作。傳統(tǒng)鉸縫結(jié)構(gòu)破壞具有突然性，呈現(xiàn)出脆性破壞特征；新型銷接鋼筋鉸縫結(jié)構(gòu)受拉鋼筋自下而上依次破壞，接近破壞時荷載不再增加而鉸縫處撓度持續(xù)增大，呈現(xiàn)出一定的延性破壞特征。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 試件主要試驗結(jié)果

構(gòu)件開裂荷載、通縫荷載和極限荷載如表2所示。B2開裂荷載比B1提高了7.7%，B4開裂荷載比B3提高了9.8%，B2通縫荷載比B1提高了114.3%，B4開裂荷載比B3提高了61.3%，B2極限荷載比B1提高了25.9%，B4開裂荷載比B3提高了58%，說明鋪裝層提高了鉸縫的開裂、通縫和極限荷載，尤其對通縫荷載和極限荷載提升效果顯著。銷接鋼筋鉸縫的傳力性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)鉸縫，其開裂、通縫和極限荷載均高于傳統(tǒng)鉸縫，B4、B3分別比B2、B1的極限荷載提升了88.2%、50%。鋪裝層對荷載有一定的擴散作用，將直接作用在鉸縫上的荷載進行力的重分布，延長了力的傳遞路徑，提高了鉸縫的傳力性能。銷接鋼筋鉸縫增強了鉸縫與梁體的聯(lián)系，提高了鉸縫傳力能力，銷接鉸縫鋼筋與鋪裝復合作用下，極大提升了鉸縫的傳力能力。

表2 承載力試驗結(jié)果Table 2 Test results of bearing capacity

4.2 荷載應力試驗曲線

門式鋼筋和銷接鋼筋應變片測點如圖8(a)和8(b)所示，部分預埋鋼筋應變片損壞，根據(jù)有效應變片測得的應力，繪制荷載-應力試驗曲線如圖8所示。由圖8(c)可知：傳統(tǒng)鉸縫內(nèi)設置的交叉抗剪鋼筋在受荷過程中應力均非常小最大拉應力僅為2 MPa，基本可以忽略。如圖8(d)所示，增加鋪裝層后，交叉抗剪鋼筋受力增大，但仍處于較低應力水平。如圖8(e)所示，銷接鋼筋將三層抗拉鋼筋連接起來，鉸縫結(jié)合面開裂前，抗拉鋼筋基本不受力，開裂后非加載側(cè)鋼筋基本不受力(測點2、3、7)，加載側(cè)底部和中部抗拉鋼筋開始受拉(測點5、6、10)，底部拉應力大于中部，裂縫貫通后頂部抗拉鋼筋也開始受拉，這說明非加載側(cè)鉸縫界面自始至終未開裂，這與觀測結(jié)果一致(圖7)。

1～12為鋼筋應變測點編號 圖8 荷載-應力圖Fig.8 Load stress diagram

4.3 荷載-相對撓度試驗曲線

鉸縫開裂后，加載側(cè)位移大于非加載側(cè)，根據(jù)鉸縫兩側(cè)位移計所得撓度差值(加載側(cè)撓度減去非加載側(cè)撓度)與荷載關系，繪制荷載相對撓度差曲線如圖9所示。由圖9可知，B1、B2、B3和B4的開裂時鉸縫兩側(cè)撓度差分別為0.04、0.00、0.01和0.00 mm；當荷載為210 kN時，B1、B2、B3和B4鉸縫兩側(cè)撓度差分別為0.32、0.08、0.16和0.01 mm，增設鋪裝后，傳統(tǒng)鉸縫撓度差降低了75%，銷接鋼筋鉸縫撓度差降低了94%，這與文獻[14]所得規(guī)律一致，且本文模型試驗鋪裝對撓度的降低幅度高于整橋試驗結(jié)果。顯然，鋪裝層能夠減緩裂縫發(fā)展和鉸縫兩側(cè)撓度差，開裂后作用更顯著，這也印證了所提出的銷接鋼筋鉸縫結(jié)構(gòu)傳遞能力顯著高于傳統(tǒng)鉸縫結(jié)構(gòu)。

圖9 荷載-撓度差圖Fig.9 Load deflection difference diagram

4.4 荷載-裂縫寬度試驗曲線

鉸縫界面開裂后，當荷載繼續(xù)增大，裂縫寬度隨之增大，并沿結(jié)合面繼續(xù)向上擴展至受壓區(qū)，對于未加鋪裝層的B1和B3，裂縫貫通了整個鉸縫；對于有鋪裝層的B2和B4，裂縫延伸到鋪裝層底部停止擴展，鋪裝層限制了裂縫的進一步擴展。根據(jù)鉸縫底部抗拉鋼筋位置處鉸縫寬度值與荷載關系，繪制荷載-裂縫寬度試驗曲線如圖10所示。由圖10可知，相同荷載下，裂縫寬度B1

圖10 荷載-裂縫寬度圖Fig.10 Load crack width diagram

4.5 鉸縫傳力過程分析

加載初期鉸縫與梁段結(jié)合面未開裂，結(jié)構(gòu)處于彈性階段，鉸縫能夠較好地承受荷載并傳遞荷載，鉸縫彎矩主要依靠結(jié)合面黏結(jié)力傳遞，鉸縫底部的門式鋼筋或抗拉鋼筋未產(chǎn)生拉應力。結(jié)合面開裂后，加載側(cè)門式鋼筋(B1和B2)和抗拉鋼筋應力(B3和B4)突然變大，鋼筋拉應力繼續(xù)隨荷載增大而增大，結(jié)合面自下而上逐步開裂，荷載主要依靠門式鋼筋和結(jié)合面黏結(jié)力傳遞。隨著荷載增大，鉸縫界面裂縫形成通縫，鉸縫兩側(cè)相對位移顯著增大，依靠門式鋼筋傳遞荷載，鋼筋應變隨荷載增加而大幅增大，直至各個構(gòu)件受拉區(qū)鋼筋被拉斷，鉸縫破壞，荷載無法繼續(xù)傳遞。B3和B4采用了銷接鋼筋鉸縫，其破壞形態(tài)與B1、B2不盡相同：B3、B4受拉區(qū)鋼筋拉斷是呈梯次拉斷，先是最底層的鋼筋斷裂，然后中間層鋼筋斷裂，極限承載力分別比B1和B2增大了50%和88.2%。

4.6 銷接鋼筋鉸縫傳力效果分析

由圖9和圖10可知，相同荷載下B2撓度差和裂縫寬度小于B1，B4小于B3，而且B3遠低于B1，B4遠低于B2。例如，在250 kN時，B1、B2、B3和B4的撓度差分別為1.09、0.23、0.28和0.01 mm。銷接鋼筋鉸縫B4的撓度差比B2降低了95.6%，B3比B1降低了74.3%。B1、B2、B3和B4鉸縫結(jié)合面裂縫寬度分別為2.75、0.75、0.50和0.26 mm。銷接鋼筋鉸縫B4的裂縫寬度比B2降低了65.3%，B3比B1降低了81.8%。鋪裝層使得B2比B1降低了74.5%，B4比B3降低了48%。因而，銷接鋼筋和增大鋪裝層厚度均可用使鉸縫更好地傳遞荷載，降低鉸縫兩側(cè)位移差和結(jié)合面開裂寬度，銷接鋼筋鉸縫相比傳統(tǒng)的配筋方式在減小鉸縫位移和限制鉸縫開裂上效果顯著。

5 結(jié)論

(1)鋪裝層提高了鉸縫的開裂荷載、通縫荷載和極限荷載，與傳統(tǒng)鉸縫相比，帶鋪裝的銷接鋼筋鉸縫彎剪承載力提高了88.2%，不帶鋪裝的提高了50%。

(2)彎剪荷載作用下，加載側(cè)與鉸縫間荷載傳遞，在鉸縫界面開裂前依靠界面黏結(jié)力，界面開裂后依靠界面黏結(jié)力和抗拉鋼筋，界面裂縫貫通后，依靠抗拉鋼筋傳遞荷載；鉸縫與非加載側(cè)自始至終通過界面黏結(jié)力實現(xiàn)荷載傳遞。

(3)在彎剪荷載作用下10 cm鋪裝層銷接鋼筋鉸縫結(jié)構(gòu)的開裂荷載、通縫荷載和極限荷載分別比傳統(tǒng)鉸縫結(jié)構(gòu)提高了28.6%、66.7%和88.2%。銷接鋼筋鉸縫具有良好的傳力性能，克服了傳統(tǒng)鉸縫結(jié)構(gòu)易開裂，傳遞荷載能力差的弱點，具有重要的工程應用價值。