新型接縫抗彎性能實驗研究及拉壓桿模型分析

蔣正宣，龐 丹，李倫貴(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

新型接縫抗彎性能實驗研究及拉壓桿模型分析

蔣正宣，龐 丹，李倫貴
(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

高寒地區全年中可供施工季節短，而全預制T形梁的運用是克服施工期短的有效方法之一。文章對連接全預制T形梁的新型接縫的力學性質進行了實驗及理論分析研究。5片不同接縫參數的足尺梁試件在彎矩荷載下進行實驗，根據實驗結果分析選出接縫最優參數。運用拉壓桿力學模型分析新型接縫的力學特性，得出的結果與實驗結果、梁理論分析值進行對比。研究表明：新型接縫能夠提供足夠的抗彎承載力。橫向鋼筋的搭接長度與間距是新型接縫的最重要的參數，為滿足新型接縫的抗彎承載力要求，搭接長度應不小于150 mm?；诶瓑簵U力學模型的新型接縫極限承載力值小于實驗值，偏保守，說明了拉壓桿力學分析方法的可行性。

新型接縫；橫向鋼筋；搭接長度；拉壓桿力學模型

交通基礎設施的大規模興建對促進我國經濟發展、加強地方文化交流等方面有非常重要意義[1]。隨著西部交通建設的加快推進，高寒地區快速修建交通基礎設施需求迫切。高寒地區氣溫偏低，全年施工季節短是阻礙當地橋梁建設不可避免的自然因素，而橋梁建設既要保證結構的耐久性以及安全性，又要盡量縮短現場施工時間[2]。全預制T形梁是滿足以上條件的有效方法之一[3-5]。圖1為由5片全預制T形梁構成的橋梁橫截面。該結構不需要在現場進行大量的混凝土澆筑，縮短了施工時間，大大加快了施工速度。圖1結構體系中相鄰全預制T形梁上翼緣通過縱向接縫連接組成整體橋面板，縱向接縫區域通常包括焊接鋼筋連接和剪力鍵連接[6]，該接縫體系具有一定的抗彎承載力，能傳遞部分剪力，但須現場焊接鋼筋，對設備、工藝及安裝誤差有嚴格的要求，增加了現場工作量和施工時間[7]。

圖1 橋梁橫截面

1 新型非連續鋼筋接縫

理想接縫應具有以下特點：(1)具有足夠的抗彎承載力及抗彎剪承載力；(2)破壞模式應該是延性破壞而不是脆性破壞；(3)在保證極限承載能力的前提下，接縫寬度應盡可能小，以方便快速施工。新型非連續鋼筋接縫如圖2所示。橫向鋼筋從相鄰預制T形梁上翼緣伸出，在接縫區域內形成一定的搭接長度，現澆注漿填充接縫后形成整體結構，其中接縫的寬度由橫向鋼筋的搭接長度決定，橫向鋼筋的間距取決于橋面板配筋要求，在交錯排列的橫向鋼筋上下各布置一根縱向鋼筋，以控制橫向裂縫的擴展[8]。

圖2 新型非連續鋼筋接縫

2 實驗方案

制作不同接縫參數的5片足尺梁試件，進行抗彎實驗，以確定最優鋼筋參數組合。

2.1 試件尺寸

制造5片足尺梁試件B1、B2、B3、B4、B5，試件長、寬、高分別為3 000 mm、600 mm、150 mm，如圖3所示。

圖3 試件尺寸及布置

表1 梁試件主要參數

2.2 加載裝置

相鄰板之間的新型接縫，在靜載和車輛荷載作用下，主要承受彎矩荷載。在本階段實驗中，對5片梁施加相同的兩個荷載P進行四點彎曲實驗。接縫區域承受純彎矩作用如圖3所示。

2.3 實驗結果

實驗得到5片梁試件的彎矩-曲率曲線(圖4)。由圖可知，150 mm搭接長度的梁試件(B1、B3)比65 mm和100 mm搭接長度的梁試件(B2、B4、B5)具有更好的延性，其中B1、B3的最大曲率幾乎是B2、B4、B5梁試件最大曲率的兩倍。在配筋率相同時，B1的抗彎承載力大于B2、B5的抗彎承載力，B3的抗彎承載力大于B4的抗彎承載力。分析表明，150 mm搭接長度的B1、B3試件比65 mm和100 mm搭接長度的梁試件B2、B4、B5能夠提供較高的抗彎承載力和延性。為確定最優參數，對鋼筋間距較大的B1試件進一步分析，通過B1梁試件抗彎性能與相同參數的連續布筋梁試件的抗彎性能作對比，判斷B1試件是否滿足抗彎承載力要求。

圖4 試件彎矩-曲率曲線

圖5 彎矩-曲率比較曲線

Response2000軟件用于結構設計中檢測連續布筋梁的彎矩曲率性能[9]，通過軟件得到連續布筋梁的彎矩曲率曲線和B1梁試件的彎矩曲率曲線(圖5)。由圖可知，試件B1曲線包絡了連續布筋梁曲線，即B1的極限抗彎承載力及變形能力都能滿足結構設計要求。綜上所述，搭接長度150 mm、鋼筋間距150 mm的梁試件B1性能最優。

3 拉壓桿模型

對于混凝土結構中非連續區域，采用拉壓桿模型來進行力學分析[10]。新型接縫拉壓桿模型如圖6所示。在接縫區域內，內力通過非連續的橫向鋼筋、縱向鋼筋和混凝土進行傳遞，該區域內力的傳遞機理可由拉壓桿模型(直角三角形ABC)進行模擬。圖6中實線表示承受拉力(T)的橫向鋼筋和縱向鋼筋，代表拉桿構件，虛線表示承受壓力(C)的相鄰橫向鋼筋之間的混凝土，代表壓桿構件。其中拉壓桿之間的夾角是θ，鋼筋在節點區域提供足夠的錨固力，壓力和拉力在節點A處平衡，因此，新型接縫可概括為拉壓桿模型的C-C-T節點。

圖6 新型接縫拉壓桿模型

3.1 基于拉壓桿模型的極限承載力

(1)

Tuh=Fh=fyhAh

(2)

(3)

(4)

式中：D為壓桿AC的高度，安全保守考慮其大小等于橫向鋼筋圓形接頭的直徑；Ws為壓桿AC的寬度，其值通過鋼筋混凝土梁桁架模型計算得到(Collins and Mitchell 1991)[12]。如果接縫內單側有N條橫向鋼筋，則其極限承載力計算公式為：

(5)

對于新型接縫，在車輛荷載作用下主要受彎矩作用。上部區域的極限壓力Cu等于下部區域的極限拉力Tu；當混凝土發生破壞時，中性軸的位置c和新型接縫的極限彎矩Mu可以通過以下公式計算：

(6)

(7)

式中：b為梁試件的寬度；ds為上部受壓區邊緣到鋼筋形心的距離。

3.2 結果分析

由以上公式計算所得新型接縫的Tus、Tuh、Tul、Tu和Mu的值以及基于梁理論模型計算的梁理論分析值(Bentz and Collins 2006)[9]，如表2所示。

表2 實驗結果

由表2可知：拉壓桿模型中縱向鋼筋(拉桿BC)的極限強度Tul值比橫向鋼筋(拉桿AB)的極限強度Tuh值、壓桿(拉桿AC)的極限強度Tus值大，表明試件破壞時，縱向鋼筋尚未達到屈服。對于搭接長度150 mm的4塊試件(B1、B3)，極限強度Tus值大于極限強度Tuh值，表明橫向鋼筋(拉桿AB)先屈服，混凝土(壓桿AC)后破壞；對于65 mm搭接長度的B2、B4試件，極限強度Tuh值大于極限強度Tus值，表明橫向鋼筋(拉桿AB)屈服前，混凝土(壓桿AC)已經破壞；對于搭接長度100 mm、間距150 mm的B5試件，實驗中混凝土(壓桿AC)破壞時橫向鋼筋(拉桿AB)開始屈服。以上可知，試件B2、B4、B5發生脆性破壞，變形量較小。因此，拉壓桿模型與實驗的結果一致。

實驗分析表明，對于相同試件，實驗結果與拉壓桿模型計算值的比值都大于或等于實驗結果與梁理論分析值的比值，可知拉壓桿模型計算值比梁理論分析值小，說明了拉壓桿力學模型的計算值偏保守，拉壓桿力學模型方法的可行性，基于拉壓桿力學模型計算得到的新型接縫極限承載力是在安全范圍之內的。

4 結論

通過新型接縫的實驗分析以及拉壓桿模型與實驗結果的對比得出以下結論：

(1)新型接縫能夠提供足夠的抗彎承載力，并且具有快速施工的特點；

(2)鋼筋間距對新型接縫的抗彎承載力有一定的影響，鋼筋間距越小，承載力越大；

(3)橫向鋼筋的搭接長度和間距是新型接縫最重要的參數，為了滿足新型接縫的抗彎承載力要求，搭接長度應不少于150 mm；

(4)說明了拉壓桿力學模型方法的可行性，基于拉壓桿力學模型計算得到的極限承載力能夠合理分析新型接縫非連續區域，能夠提供偏于保守的極限承載力。

[1] 吉伯海，傅中秋.近年國內橋梁倒塌事故原因分析[J].土木工程學報,2010, 43(S1):495-498.

[2] 《中國公路學報》編輯部.中國橋梁工程學術研究綜述2014[J].中國公路學報,2014, 27(5):1-96.

[3] Stanton J, Mattock A H.Load distribution and connection design for precast stemmed multibeam bridge superstructures[R].Washington: NCHRP Rep.1986: 287.

[4] Ralls M L, Prefabricated bridge elements and systems in Japan and Europe [J], Rep.No.FHWA-PL-05-003, Federal Highway Administration, Washington, DC.2005:103-109.

[5] Li L.Improved Longitudinal Joint Details in Decked Bulb Tees for Accelerated Bridge Construction: Concept Development [J].ASCE Journal of Bridge Engineering, 2010 15(3): 327-336.

[6] Ma Z.Field Test and 3D FE Modeling of Decked Bulb-Tee Bridges[J], ASCE Journal of Bridge Engineering, 2007 ,12(3):306-314.

[7] 李倫貴，趙文成.全預制預應力混凝土橋梁聯接系統分析[J].土木工程學報，2013,46(1)：220-225.

[8] Li L.Improved Longitudinal Joint Details in Decked Bulb Tees for Accelerated Bridge Construction: Fatigue Evaluation.ASCE Journal of Bridge Engineering, 2010，15(5): 511-522.

[9] Bentz E C, Collins M P.Response-2000 Reinforced Concrete Sectional Analysis[OL].2006 A software downloaded http://www.ecf.utoronto.ca/～bentz/r2k.htm.

[10] Schlaich J, Schafer K.Design and Detailing of Structural Concrete Using Strut-and-Tie Models, The Structure Engineer [J], 1991，69(6): 113-125.

[11] ACI Committee 318 Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-11) and commentary, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI.2011.

[12] Collins M P, Mitchell D.Prestressed concrete structures, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ.1991.

蔣正宣(1989～)，男，碩士研究生，研究方向為橋梁結構快速再生工程及安全技術。

李倫貴(1977～)，男，博士，副教授，碩士研究生導師，研究方向為橋梁結構快速再生工程及安全技術。

U448.21+8

A

[定稿日期]2016-07-05