體外預應力預制節段高強混凝土梁抗剪性能的試驗研究

陳遠航 姜海波 葉 明 胡澤彬

（廣東工業大學 土木與交通工程學院）

0 引言

體外預應力預制節段混凝土梁橋是一種新型的橋梁結構形式。預制構件之間的連接是通過采用鋼絞線對節段構件加壓約束，讓各個預制構件之間的連接面緊貼在一起，從而實現能夠整體受力的橋梁結構。通過上述的方法，橋梁可以把梁的主體部分按橫縱向切割成為許多標準預制構件，實現在預制場工廠化制作并養護一定時間后，再運輸到橋梁建設現場進行拼裝。憑借其施工過程對周邊的環境和車輛交通的影響比較小、現場施工效率高等優點，體外預應力預制節段混凝土梁橋已成為實際工程設計中具有競爭力的橋型選擇。

早期的研究主要圍繞體外預應力加固梁的抗彎性能展開。1987 年，Rabbt 等人[1]設計試驗研究不同預應力束布置方式對梁的破壞模式的影響，得出：采用體內全粘結預應力豎的試件，破壞時表現為傳統抗彎破壞；采用體外預應力束的試件，則為剪壓破壞。1995 年，Hindi 等人[2]通過試驗研究發現，在體內束灌漿，試件梁的強度和延性比不灌漿時要高；而且，體外束與梁體灌漿的粘結面積越大，梁的強度和延性變化更顯著。2008年，Dinh Hung Nguyen 等人[3]通過試驗研究接縫位置對梁腹的裂縫發展和接縫張開寬度的影響。試驗發現，簡支梁在彎剪段的接縫在與跨中的距離越小，則接縫在開始張開時所對應的荷載水平也越小。

體外預應力加固梁的抗剪性能相對復雜，相關的研究資料也比較匱乏。2003 年，Tan 和Tjandra[4]發表論文指出來了體外預應力梁的抗剪強度不足的問題。2013年，李國平等人分別設計了兩批試驗[5-6]并分別得出結論：當接縫附近受力時，接縫位置對承載力有重要的影響；箍筋對連續梁的抗剪強度的貢獻大于對簡支梁的抗剪強度。2018 年，姜海波等人[7]測試了一共14 根體外束預制節段試件，試驗的結果表明利用體外束的實際預應力能較準確地預測不同剪跨比的試驗梁的極限抗剪強度。

綜上所述，已有研究主要集中在體外預應力預制節段梁的抗彎性能上，同時，以往的研究大多選擇低、中強度混凝土試件（低于55MPa），而忽略了高強度混凝土的應用研究。已有試驗經驗中，試驗梁破壞時，往往表現為混凝土壓碎，而破壞時鋼絞線的應力距離極限應力仍然有一定的裕度。本文受國家自然科學基金資助（51778150），推測提高混凝土強度可以有效地增加梁體的承載力，并加以試驗驗證，同時總結不同試驗參數對試驗梁的抗剪承載力的影響規律。

1 試驗設計

本實驗中所有梁的截面相同，皆為T 形截面，是由設計規范中的標準截面通過截面的中心點不變，截面的形狀、尺寸滿足相似原理轉換而來。梁長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置有一個0.1m 長的轉向塊。另外，在梁的底部設置有兩根直徑為12mm 的鋼筋作為縱向受力鋼筋，在腹板中間和翼板內設置了一系列直徑為8mm 的鋼筋作為縱向構造鋼筋。特別說明：本試驗中，節段梁的縱向鋼筋在接縫連接處是斷開的，而整體梁的是整個長度連續的。在箍筋的配筋中，試驗區和非試驗區設置的雙肢箍筋間距分別為140mm 和65mm。體外預應力束選用的是7 股式的鋼絞線，其公稱直徑為9.5mm，截面面積為54.8mm2。詳細的試件的構造圖如圖1 所示。

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

試驗所用混凝土包括普通混凝土C55 和高強混凝土C85，混凝土混合料包括：42.5R 水泥；本地的中粗河砂，細度模數為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，各個試件混凝土強度見表1。試驗所用鋼材：縱向普通鋼筋采用型號為HRB335 的熱軋鋼筋，箍筋和頂部翼緣板面筋采用型號為HRB335 的光圓鋼筋，普通鋼筋的平均屈服強度為454.40MPa，彈性模量為2.013GPa。鋼絞線的屈服強度和彈性模量分別是1815MPa 和1.93GPa。

表1 試件參數

2 試驗方法

試件在28 天養護后，將相應的節段拼接組裝成完整的梁并施加預應力fy，使用千斤頂將鋼絞線張拉至0.5 倍左右屈服強度。由于預應力損失，最終有效預應力的大小在加載前保持在0.35～0.55fy的范圍內，預應力的詳細內容列于表2 中。

圖1 一般構造圖及配筋圖

表2 試驗結果匯總

圖2 試驗裝置圖

正式加載前，首先施加10kN 的預加載，以確保所有測試設備連接和設置無誤。在正式試驗期間，在開裂前，每5 分鐘以20kN 一級的增量施加荷載；出現裂縫后，轉換成每級10kN 的增量繼續施加荷載，直至梁破壞。在每次加載之間，觀察并標記裂縫的出現和擴展。在整個試驗過程中，采集施加的荷載力、各預應力筋的應力、5 個測點處梁的撓度，各測點位置如圖3 所示。

圖3 試驗裝置及測點位置示意圖

3 試驗結果與分析

3.1 裂縫發展和破壞模式

對于整體式梁，當施加約47.5%Vu的荷載（346kN）后，在荷載點正下方的梁底出現裂縫。并且隨著荷載等級的增加，純彎段的梁底的不同位置也都出現更多的彎曲裂縫，這些裂縫在梁底產生并垂直地向上擴展。當荷載達到50%Vu（364.6kN）時，剪跨區腹板出現斜剪裂縫，隨著荷載增加，斜裂縫不斷分別向荷載點和支承點的方向延伸。最終，當荷載達到729kN 時，梁體混凝土破壞之前，一根體外束斷裂，試件破壞，破壞模式歸類于鋼絞線崩裂。

對于預制節段式梁，腹板則幾乎沒有出現彎曲裂縫。破壞模式主要有兩種：第一種情況，預制節段梁的初始剪切裂縫一般出現在剪力鍵的底部。隨著荷載增加，裂縫沿荷載點與支撐點的連線方向延伸， 大多數情況下，其中的一條裂縫最終會發展成為把梁分成兩部分并導致梁破壞的關鍵裂縫。在這種情況下，破壞模式被描述為剪壓破壞（SC）。另一種情況，即預應力筋在混凝土破壞前斷裂，破壞模式被描述為鋼絞線斷裂（AT）。

3.2 變形規律

圖4 顯示了標準試驗梁在垂直荷載的不同值下，試驗梁沿長度的撓度分布。隨著荷載的增大，梁的豎向位移逐漸增大。在試驗過程中，沒有觀察到節段之間的相對垂直位移。值得注意的是，對于剪跨比為1.4 的梁，撓度在0.8Vu之前變化緩慢，之后變化迅速；對于剪跨比為1.8 和2.3 的梁，其撓度變化速度在整個過程中是相對均勻的；此外，梁的一側比另一側更早開裂，這導致當達到垂直破壞荷載Vu時，這一側的撓度比另一側的撓度大。

圖4 豎向撓度- 跨徑圖

圖5 是梁跨中的荷載-撓度曲線。如圖所示，隨著荷載的增加，撓度開始呈線性增加。但從一個特定的點開始，這種變化就變得非線性了。通過對試驗數據的分析，發現該點對應梁的開裂荷載，這意味著開裂后梁的剛度降低。

圖5 不同剪跨比荷載- 跨中撓度曲線

通過比較預制節段梁的荷載-撓度曲線，發現試驗參數對梁變形的影響。觀察圖6 不同強度混凝土梁的荷載-撓度曲線，可知梁的剛度與混凝土強度無關，但混凝土強度越高，跨中撓度最大值越大。對于剪跨比，圖6表明增大剪跨比將降低梁的剛度。

圖6 不同砼強度荷載- 跨中撓度曲線

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，對于高強混凝土（85MPa）梁，預制節段梁與整體式梁相比，預制梁的抗剪強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度可以有效地提高體外預應力預制節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%）。通過對不同剪跨比的梁進行比較，可以得出結論，減小加載剪跨比能提高梁的抗剪強度。

圖7 試驗梁極限荷載

4 結語

通過試驗，分別分析了施工方法、混凝土強度和剪跨比對體外預應力預制節段高強混凝土梁斜截面抗剪性能的影響；測試并記錄了加載過程中的裂縫的發展情況和破壞模式、撓度變化、鋼絞線預應力大小等試驗數據，根據試驗結果，可得出以下結論：

⑴預制節段梁的初始裂紋以剪切裂縫的形式出現在健齒的根部，這些裂縫會沿著連接加載點和支撐點的方向分別向兩端伸展，并最終導致梁發生剪切破壞。

⑵對于剪跨比為1.3 的梁，撓度在荷載等級達到0.8Vu前變化較緩慢，達到0.8Vu之后則變化速度加快；對于剪跨比為1.8 和2.3 的梁，撓度在加載過程中變化速度比較穩定；此外，試驗發現預制節段梁的剛度小于整體式梁，梁的剛度在開裂后會降低。

⑶對于高強混凝土梁來說，體外預應力預制節段梁的抗剪強度比整體式梁降低了約1/3。提高混凝土強度可以有效提高預制節段梁的斜截面抗剪承載力。

⑷抗剪強度與剪跨比成反比，即剪跨比越大，梁的抗剪承載力越小。