新型接縫抗彎性能實(shí)驗(yàn)研究及拉壓桿模型分析

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

新型接縫抗彎性能實(shí)驗(yàn)研究及拉壓桿模型分析

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

高寒地區(qū)全年中可供施工季節(jié)短，而全預(yù)制T形梁的運(yùn)用是克服施工期短的有效方法之一。文章對(duì)連接全預(yù)制T形梁的新型接縫的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)及理論分析研究。5片不同接縫參數(shù)的足尺梁試件在彎矩荷載下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析選出接縫最優(yōu)參數(shù)。運(yùn)用拉壓桿力學(xué)模型分析新型接縫的力學(xué)特性，得出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果、梁理論分析值進(jìn)行對(duì)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(zhǎng)度與間距是新型接縫的最重要的參數(shù)，為滿足新型接縫的抗彎承載力要求，搭接長(zhǎng)度應(yīng)不小于150 mm。基于拉壓桿力學(xué)模型的新型接縫極限承載力值小于實(shí)驗(yàn)值，偏保守，說明了拉壓桿力學(xué)分析方法的可行性。

新型接縫；橫向鋼筋；搭接長(zhǎng)度；拉壓桿力學(xué)模型

交通基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模興建對(duì)促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、加強(qiáng)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(shè)的加快推進(jìn)，高寒地區(qū)快速修建交通基礎(chǔ)設(shè)施需求迫切。高寒地區(qū)氣溫偏低，全年施工季節(jié)短是阻礙當(dāng)?shù)貥蛄航ㄔO(shè)不可避免的自然因素，而橋梁建設(shè)既要保證結(jié)構(gòu)的耐久性以及安全性，又要盡量縮短現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)間[2]。全預(yù)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(yù)制T形梁構(gòu)成的橋梁橫截面。該結(jié)構(gòu)不需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行大量的混凝土澆筑，縮短了施工時(shí)間，大大加快了施工速度。圖1結(jié)構(gòu)體系中相鄰全預(yù)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(qū)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(xiàn)場(chǎng)焊接鋼筋，對(duì)設(shè)備、工藝及安裝誤差有嚴(yán)格的要求，增加了現(xiàn)場(chǎng)工作量和施工時(shí)間[7]。

圖1 橋梁橫截面

1 新型非連續(xù)鋼筋接縫

理想接縫應(yīng)具有以下特點(diǎn)：(1)具有足夠的抗彎承載力及抗彎剪承載力；(2)破壞模式應(yīng)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(yīng)盡可能小，以方便快速施工。新型非連續(xù)鋼筋接縫如圖2所示。橫向鋼筋從相鄰預(yù)制T形梁上翼緣伸出，在接縫區(qū)域內(nèi)形成一定的搭接長(zhǎng)度，現(xiàn)澆注漿填充接縫后形成整體結(jié)構(gòu)，其中接縫的寬度由橫向鋼筋的搭接長(zhǎng)度決定，橫向鋼筋的間距取決于橋面板配筋要求，在交錯(cuò)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(kuò)展[8]。

圖2 新型非連續(xù)鋼筋接縫

2 實(shí)驗(yàn)方案

制作不同接縫參數(shù)的5片足尺梁試件，進(jìn)行抗彎實(shí)驗(yàn)，以確定最優(yōu)鋼筋參數(shù)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(zhǎng)、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(shù)

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(shí)驗(yàn)中，對(duì)5片梁施加相同的兩個(gè)荷載P進(jìn)行四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)。接縫區(qū)域承受純彎矩作用如圖3所示。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)度的梁試件(B1、B3)比65 mm和100 mm搭接長(zhǎng)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(shí)，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(zhǎng)度的B1、B3試件比65 mm和100 mm搭接長(zhǎng)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(yōu)參數(shù)，對(duì)鋼筋間距較大的B1試件進(jìn)一步分析，通過B1梁試件抗彎性能與相同參數(shù)的連續(xù)布筋梁試件的抗彎性能作對(duì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中檢測(cè)連續(xù)布筋梁的彎矩曲率性能[9]，通過軟件得到連續(xù)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(luò)了連續(xù)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。綜上所述，搭接長(zhǎng)度150 mm、鋼筋間距150 mm的梁試件B1性能最優(yōu)。

3 拉壓桿模型

對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)中非連續(xù)區(qū)域，采用拉壓桿模型來進(jìn)行力學(xué)分析[10]。新型接縫拉壓桿模型如圖6所示。在接縫區(qū)域內(nèi)，內(nèi)力通過非連續(xù)的橫向鋼筋、縱向鋼筋和混凝土進(jìn)行傳遞，該區(qū)域內(nèi)力的傳遞機(jī)理可由拉壓桿模型(直角三角形ABC)進(jìn)行模擬。圖6中實(shí)線表示承受拉力(T)的橫向鋼筋和縱向鋼筋，代表拉桿構(gòu)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(gòu)件。其中拉壓桿之間的夾角是θ，鋼筋在節(jié)點(diǎn)區(qū)域提供足夠的錨固力，壓力和拉力在節(jié)點(diǎn)A處平衡，因此，新型接縫可概括為拉壓桿模型的C-C-T節(jié)點(diǎn)。

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(jì)算得到(Collins and Mitchell 1991)[12]。如果接縫內(nèi)單側(cè)有N條橫向鋼筋，則其極限承載力計(jì)算公式為：

(5)

對(duì)于新型接縫，在車輛荷載作用下主要受彎矩作用。上部區(qū)域的極限壓力Cu等于下部區(qū)域的極限拉力Tu；當(dāng)混凝土發(fā)生破壞時(shí)，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(jì)算：

(6)

(7)

式中：b為梁試件的寬度；ds為上部受壓區(qū)邊緣到鋼筋形心的距離。

3.2 結(jié)果分析

由以上公式計(jì)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(jì)算的梁理論分析值(Bentz and Collins 2006)[9]，如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表2可知：拉壓桿模型中縱向鋼筋(拉桿BC)的極限強(qiáng)度Tul值比橫向鋼筋(拉桿AB)的極限強(qiáng)度Tuh值、壓桿(拉桿AC)的極限強(qiáng)度Tus值大，表明試件破壞時(shí)，縱向鋼筋尚未達(dá)到屈服。對(duì)于搭接長(zhǎng)度150 mm的4塊試件(B1、B3)，極限強(qiáng)度Tus值大于極限強(qiáng)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(duì)于65 mm搭接長(zhǎng)度的B2、B4試件，極限強(qiáng)度Tuh值大于極限強(qiáng)度Tus值，表明橫向鋼筋(拉桿AB)屈服前，混凝土(壓桿AC)已經(jīng)破壞；對(duì)于搭接長(zhǎng)度100 mm、間距150 mm的B5試件，實(shí)驗(yàn)中混凝土(壓桿AC)破壞時(shí)橫向鋼筋(拉桿AB)開始屈服。以上可知，試件B2、B4、B5發(fā)生脆性破壞，變形量較小。因此，拉壓桿模型與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果一致。

實(shí)驗(yàn)分析表明，對(duì)于相同試件，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與拉壓桿模型計(jì)算值的比值都大于或等于實(shí)驗(yàn)結(jié)果與梁理論分析值的比值，可知拉壓桿模型計(jì)算值比梁理論分析值小，說明了拉壓桿力學(xué)模型的計(jì)算值偏保守，拉壓桿力學(xué)模型方法的可行性，基于拉壓桿力學(xué)模型計(jì)算得到的新型接縫極限承載力是在安全范圍之內(nèi)的。

4 結(jié)論

通過新型接縫的實(shí)驗(yàn)分析以及拉壓桿模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比得出以下結(jié)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(diǎn)；

(2)鋼筋間距對(duì)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(zhǎng)度和間距是新型接縫最重要的參數(shù)，為了滿足新型接縫的抗彎承載力要求，搭接長(zhǎng)度應(yīng)不少于150 mm；

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

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蔣正宣(1989～)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)快速再生工程及安全技術(shù)。

李倫貴(1977～)，男，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)快速再生工程及安全技術(shù)。

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[定稿日期]2016-07-05