預制混凝土節段橋梁剪力鍵抗剪強度影響因素研究進展及展望

王海良, 李搏瀚， 黃 欣

(1.天津城建大學土木工程學院，天津 300384；2.天津市建筑結構防護與加固重點實驗室，天津 300384；3.建筑固體廢棄物資源化利用技術國家地方聯合工程研究中心，天津 300384；4.中鐵十八局集團有限公司，天津 300222)

節段預制施工方法最早由法國工程師Eugene Freyssinet提出，并于1945～1948年采用該方法建造了Luzancy橋[1]。對預制混凝土節段橋梁剪力鍵研究，歐美、日本等國家起步較早，積累了較豐富經驗，已提出相應規范與建議來指導該類型橋梁結構設計與施工[2,3]；我國在此方面研究起步相對較晚，該技術在我國早期應用集中于鐵路橋[4,5]。相比于整體澆筑橋梁而言，預制混凝土節20:58 2020-11-20段橋突出特點為縱向存在節段間接縫，干、膠接縫位置處由于存在鋼筋斷開等問題，使得其成為結構相對薄弱部分，對橋梁整體受力和耐久性都產生比較重要影響。

剪力鍵是通過鍵齒和鍵槽形成互鎖結構以傳遞剪力的構造，節段預制結構接縫間剪力鍵一般設置在腹板、頂底板和兩者結合區域，目前做法趨向于在截面處分散設置多個剪力鍵，且鍵齒內不設加強鋼筋。節段間剪力主要由剪力鍵進行傳遞，剪力鍵抗剪強度在一定程度上影響整個橋梁力學性能，可見抗剪是剪力鍵主要受力行為，抗剪強度對剪力鍵，乃至整個預制拼裝混凝土橋梁上部結構，都是非常重要的性能之一。

自20世紀90年代開始，國內外行業專家通過一系列剪力鍵剪切破壞試驗、數值模擬等方法，對預制拼裝混凝土橋梁剪力鍵抗剪機理、抗剪強度影響因素等開展大量、系統研究，取得豐碩成果。

1 研究現狀

1.1 接縫類型對接縫抗剪強度影響研究

目前預制混凝土拼裝節段接縫主要包括干接縫、濕接縫和膠接縫，各類接縫特點見表1，目前對接縫抗剪強度影響研究中有關干接縫、膠接縫相對較多。

表1 各種接縫類型做法及特點

1.1.1 有關干接縫抗剪強度研究成果

作為預制混凝土節段橋最簡單接縫類型，干接縫被廣泛作為研究抗剪性能對象。1983年，美國德克薩斯大學奧斯汀分校J.E Breen與K.Koseki等[6]進行剪力鍵剪切破壞試驗，得到了干、膠接縫及整體澆筑試件抗剪強度；2005年，香港科技大學Xiangming Zhou等人[7]通過一系列試驗(如圖1所示)得到干接縫剪力鍵裂縫發展過程；Haibo Jiang等人[8]的試驗為常規混凝土和鋼纖維混凝土干接縫開裂破壞機理提供了定量數據和分析?？偨Y已有研究可知，干接縫具有以下特點：

圖1 單鍵齒模型尺寸及加載位置示意[7](單位:mm)

(1)抗剪強度低、耐久性差。干接縫試件抗剪強度較整體試件降低幅度大[6]，且接縫部位未經任何處理，增加外界環境對接縫處侵蝕概率。

(2)鍵齒強度決定接縫抗剪性能。干接縫抗剪強度由接縫面混凝土間摩擦和剪力鍵鍵齒抵抗力兩部分組成，且后者在接縫抗剪中占主導作用。單鍵齒裂縫出現在鍵齒根部，隨后裂縫發展貫通，三鍵齒試件破壞時各鍵齒均出現裂縫，干接縫試件剪切破壞重要標志之一為鍵齒出現裂縫而破壞[7,8]。

1.1.2 有關膠接縫抗剪強度研究成果

膠的存在對接縫位置有一定改善作用，具體表現在三個方面：增加接縫強度，彌補接縫面缺陷，改善耐久性。

針對接縫強度，膠接縫試件抗剪強度與整體試件相近[6]，這揭示出膠接縫構件抗剪強度高于干接縫，接縫處膠增加接縫開裂荷載與抗剪強度、減小節段撓度[9]，試件破壞位置由接縫面(與鍵齒)轉為環氧樹脂附近混凝土[10]。

針對彌補接縫面缺陷，膠能夠有效彌補連接面不平整性[11]，并作為連接潤滑劑，減小節點缺陷，使剪應力均勻分布[12]。從細觀層面上對粘結機理分析，環氧樹脂膠浸入粘結面孔隙中形成多個微小鉚釘結構,增強膠和混凝土間咬合作用[13]，膠層厚度對試件抗剪強度影響不大[14]。

針對改善耐久性，膠接縫避免了接縫內鋼筋與混凝土直接和外部空氣作用，同時膠接縫還具有一定抗拉強度[15]，能夠減小在拉應力作用下節段面間分離概率，因此在考慮結構耐久性與整體性問題時應首選膠接縫[16],一些規范中還規定應避免使用干接縫[17,18]。

雖然膠接縫在結構使用過程中顯示出非常好性能，但也存在以下缺點：

(1)環氧樹脂膠硬化與使用過程受環境作用影響較大。環氧樹脂膠硬化需要一定時間[19]，在硬化過程中難免會受環境因素影響。有試驗指出低溫固化試件比常溫固化試件抗剪強度低28%[20]；預制混凝土節段橋使用過程中在整體升溫、降溫作用下,各截面剪應力非常接近[21]，但是濕熱環境會加速環氧樹脂老化，降低構件軸心抗拉強度等力學性能[22]；氯鹽侵蝕與力學荷載長期共同作用，膠接縫氯離子濃度可能會高于其他位置[23]，使接縫處鋼筋受到腐蝕作用風險增大。

(2)膠接縫施工工藝復雜。膠應在整個接縫面均勻涂抹，避免斷膠；涂膠后至膠粘劑固化前，對膠接縫進行覆蓋，防止雨淋、暴曬[24]。復雜的施工工藝增加膠接縫施工耗時以及受環境影響概率，環氧樹脂膠配合制備與涂抹使用間隔時間較長會導致試件破壞荷載明顯下降[25]。

(3)膠接縫并未改變破壞模式。2014年袁愛民等人[26]進行節段式膠接縫體外預應力混凝土橋梁剪力鍵抗剪試驗，試件開裂后不久即達到破壞荷載，且無明顯穩定屈服段，這與干接縫破壞同屬脆性破壞，是工程設計中不利因素。

簡言之，干接縫做法簡單，對結構強度、整體性與耐久性都有所削弱，抗剪強度低；膠接縫能極大改善接縫面性能，抗剪強度高于干接縫，施工復雜性與環境影響是限制其應用主要因素。

1.2 鍵齒數、尺寸與形狀對剪力鍵抗剪強度影響研究

關于鍵齒數對抗剪強度影響研究大多選取控制變量法，即以鍵齒根部面積、鍵齒形狀及尺寸等其他參數一致、僅鍵齒數不同試件為對象開展分析。1997年，鐵道部大橋局科研院汪雙炎[27]采用1∶4模型比對石長線湘江鐵路橋進行節段間接縫抗剪試驗；2005年，日本T.Wakasa等學者[3]進行9片懸臂梁剪切試驗，試驗梁設置不同數目剪力鍵。已有試驗結果表明鍵齒數不同(如圖2所示)會影響試件抗剪破壞，鍵齒數量多會增加剪力鍵根部剪應力分布不均勻程度與接縫抗剪強度[27-31]，對這一現象Alcalde等人[32]作出如下分析：隨著鍵齒數增加，鍵齒順序失效引起鍵齒傳遞平均剪應力減少；對單鍵齒而言，失效后無其他剪力鍵抵抗載荷，對多鍵齒而言，在第一個鍵齒失效后，剩余鍵仍能通過其剩余抗剪強度抵抗荷載，失效鍵齒使剩余鍵抗剪強度低于全部鍵齒抗剪強度，所以剩余鍵出現裂紋。三鍵齒抗剪強度并非單鍵齒代數相加[33]，從多鍵齒試件鍵齒并不是同時失效也可說明這點。

圖2 單鍵齒與三鍵齒尺寸示意[28](單位：mm)

不同橋梁接縫截面設計可能會采用不同尺寸剪力鍵，美國AASHTO規范[34]和德國哈堡工業大學G.Rombach[35]基于剪力鍵莫爾應力圓與非線性有限元分析結果，分別給出干接縫抗剪強度計算式(式(1)、式(2))，鍵齒尺寸越大，則鍵齒根部面積越大，接縫抗剪強度越高，增大接縫試件厚度與鍵齒深度也能提高試件極限抗剪強度[36,37]。

(1)

式中：Vj為接縫面抗剪承載力；μ為混凝土表面間摩擦系數；σn為接縫面平均正應力；Ak為接縫面上鍵齒根部面積；Asm為接觸面上摩擦部分面積；fc＇為混凝土圓柱體抗壓強度。

(2)

式中：Vdj為干接縫抗剪承載力；μ為混凝土表面間摩擦系數；σn為接縫面平均正應力;Ajoint為接縫面總面積；Akey為接縫面鍵齒根部面積；f為接縫面上鍵齒系數；fck為混凝土抗壓強度標準值；γF為安全系數。

Ibrahim S. I.等人[38]對半圓形、矩形、三角形等不同形狀剪力鍵進行抗剪強度試驗，結果表明不同形狀鍵齒會影響試件抗剪強度，其中半圓形鍵齒試件抗剪強度最高。常用梯形剪力鍵承載力隨著鍵齒傾角增加而增加[39]，梯形底腳角度適宜范圍是45～60°，此范圍內抗剪強度變化不大[40]。

如前所述，干接縫剪切破壞一般發生于鍵齒根部，鍵齒數、尺寸等因素改變了鍵齒根部面積，不同形狀鍵齒應力集中存在差別，造成抗剪強度不同。

1.3 剪力鍵材料性能對剪力鍵抗剪強度影響研究

接縫位置(尤其是干接縫)抗剪強度主要由剪力鍵提供，剪力鍵材料性能對增強鍵齒強度、提高接縫抗剪有顯著影響。為合理反映剪力鍵所用材料對抗剪強度影響，研究中對其強度等力學性質進行測量，如香港科技大學Xiangming Zhou等人[7]試驗中測出不同試件fc＇及抗剪強度，陳黎等[41]對摻入鋼纖維的混凝土立方體抗壓強度與單鍵齒干接縫試件抗剪強度進行測量，袁愛民等人[42]采用鍵齒內配筋試件與素混凝土試件對比，得到了兩者開裂強度與破壞模式。

近年來，隨著超高性能混凝土(UHPC)廣泛應用，在預制節段拼裝橋梁方面應用UHPC得到重視，目前世界范圍內已建造多座預制拼裝UHPC橋梁[43-45]。相對普通混凝土，UHPC優勢在于抗壓強度大幅度提升，能顯著減小鋼筋變化長度，增強其與混凝土間粘結[46]；但同時UHPC存在很多無法避免的缺點，專家研究發現，UHPC水灰比較小，早期水化反應劇烈，強度發展迅速[47]，不同養護和施工條件下UHPC早期強度可能出現較大差別[48,49]。已建成跨徑較大UHPC預制節段拼裝橋梁中，其節段間均采用尺寸與間距較大干接縫鍵齒連接，如日本東京國際機場航道橋[44]和馬來西亞Batu6橋[45]。Lee C H等人[50]較早進行UHPC材料接縫抗剪性能試驗，其對剪切鍵連接處剪切行為和抗剪強度等進行試驗，分析影響接縫處連接力學性能因素，并給出最佳連接方式，此后一些學者對于UHPC剪力鍵(如圖3所示)抗剪性能開展了系列試驗[51-56]。

圖3 UHPC剪力鍵試驗試件及破壞示意圖[55] (單位：mm)

總結已有文獻，材料性能對剪力鍵抗剪強度存在以下影響：

(1)剪力鍵抗剪強度與材料強度成正比。采用更高標號混凝土、在混凝土中摻入鋼纖維與使用UHPC不僅增加整體結構強度，也提升了剪力鍵抗剪性能[7,41,50-54]。

(2)混凝土強度不能改變結構薄弱部位。剪力鍵使用素混凝土時，破壞位置總是出現在鍵齒附近，且達到破壞荷載后鍵齒發生無明顯屈服節段破壞[55]，混凝土強度增加后破壞位置依舊位于鍵齒附近[7,51,53,55]，說明混凝土強度并未改變接縫位置薄弱性。鍵齒內配筋使破壞形式從原來的素混凝土鍵齒根部脆性破壞變為鍵齒配筋處的保護層脫落破壞，鋼筋與混凝土共同作用，可增加鍵齒抗剪強度。

可以看到剪力鍵所用混凝土強度提高可以增加其抗剪強度，但是素混凝土鍵齒仍在剪切作用下最先破壞。

1.4 正應力大小對剪力鍵抗剪強度影響研究

大部分預制節段拼裝橋梁內部布置預應力鋼筋，使混凝土結構具有預壓應力。預應力使節段間接縫位置相互擠壓，研究中此作用以施加于鍵齒兩端正應力進行模擬(如圖4所示)，部分文獻稱其為圍壓。Haibo Jiang等人[8]、Xiangming Zhou等人[7]、Liang Hualian等人[57]研究中均在試件上設置了不同正應力，正應力對于接縫抗剪破壞影響主要體現在抗剪強度方面。

圖4 數值模擬三維有限元分析模型[57](斜線部分為側面施加壓力荷載區域)

正應力提升不僅可以增強節段預制橋整體強度、延性[58]，而且增加接縫面間相互擠壓作用，干接縫間混凝土摩擦力、膠接縫中膠層粘結性能和兩種接縫中剪力鍵鍵齒與鍵槽咬合力都因此得到提升，正應力水平增加能夠提高接縫部位抗剪能力[3,7,57,59]，正應力越大，接縫抗剪強度提升越明顯[60]。除對抗剪強度產生影響，正應力可能會改變裂縫產生與發展和應變值曲線斜率[61]。

1.5 外部荷載對剪力鍵抗剪強度影響研究

荷載是直接反映節段預制橋梁抗剪強度的參數，早期研究大部分對試件施加純剪切荷載，如J.E Breen等人[6]、Xiangming Zhou等人[7]和Rabee Shamass等人[62]試驗和數值模擬。近年來，除純剪試驗外，國內外專家開展了剪跨比、復合荷載、周期荷載等方面剪力鍵抗剪研究：A.H. Ghallab[63]等人與Jia-Nan Qi等人[64]在試驗中設置不同剪跨比試件，得到接縫位置抗剪強度與裂縫發展情況；袁愛民等[65]對節段預制PC箱梁進行試驗，M. A. Algo-rafi等人[66]對受到彎曲、剪切、法向和扭轉等聯合應力作用接縫抗剪強度進行試驗，并基于AASHTO規范[34]和試驗結果給出計算方程，但方程中未體現復合荷載對抗剪影響；S. Saibabu等人[67]對試件施加低周反復荷載，用來模擬橋梁上交通重復加、卸載對鋼筋與混凝土疲勞、粘結性能等影響。

試驗結果表明：在剪跨比方面，剪跨比對接縫抗剪強度和破壞均存在影響[63,64]，減小剪跨比能夠提高接縫抗剪強度[68]、減小撓度、降低體外筋應力與接縫處裂縫增長速率[69]；在復合荷載作用方面，彎矩、扭轉等組合荷載對接縫影響不容忽視，加載位置偏離中點距離與接縫位置抗剪性能降低幅度成正比[70]，破壞位置往往出現于組合作用突變最大節段接縫處[65](如圖5所示)；周期荷載導致節段間接縫不停張開與關閉，造成接縫位置剛度損失和混凝土破壞，混凝土開裂時破壞荷載有所降低，干接縫受到周期荷載時損傷更加嚴重[67,71]。

圖5 試驗中不同梁體破壞情況[65]

簡言之，荷載不僅反映抗剪強度指標，也對接縫位置抗剪強度具有影響，尤其產生附加作用時影響更加明顯。相對其他影響因素，荷載對接縫部位(尤其是裂縫發展情況)影響更復雜，總體上荷載產生附加作用越大，接縫(和剪力鍵)抗剪強度降低越高，剪力鍵破壞往往發生在復合荷載較大位置。一些學者提出復合抗彎剪機理和考慮復合荷載作用影響抗剪強度計算方法[66,72,73]，我國《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[74]中給出剪力鍵構造要求，美國AASHTO規范[34]中給出接縫面抗剪承載力計算式，但目前仍缺乏考慮彎、剪、扭等多工況作用接縫抗剪性能研究。

2 綜合分析

通過以上對現有研究成果分析不難發現，影響預制混凝土節段橋梁剪力鍵抗剪強度主要因素可歸為內因和外因兩類，其中內因是指與接縫和剪力鍵自身相關因素，包括接縫類型、鍵齒數、尺寸形狀、材料等；外因指剪力鍵在制作、使用過程受到能夠影響其抗剪強度的外部因素，包括正應力、荷載種類與施加位置、環境因素等。

從內因看，膠接縫抗剪強度明顯優于干接縫抗剪強度，但是膠接縫易受到環境作用影響，且對施工有較高要求；鍵齒數、鍵齒根部面積增加通常情況下能夠增大鍵齒根部面積，提高極限抗剪強度；不同尺寸形狀鍵齒抗剪強度不相同，其中梯形鍵齒底腳角度范圍在45～60°時抗剪強度較為適宜；鍵齒使用混凝土強度越高，抗剪強度相應也會提高，且鍵齒內配鋼筋時比素混凝土抗剪強度更高。

從外因看，正應力(或圍壓)增加能提高接縫部位擠壓程度，增加其極限抗剪強度；荷載產生的附加作用需要剪力鍵部分抗剪強度承擔，周期荷載降低接縫剛度，加大混凝土破壞程度，導致剪力鍵抗剪強度降低；環境會與接縫面膠層、混凝土和鋼筋發生作用，降低抗剪強度。

3 研究建議

影響節段預制拼裝橋梁剪力鍵抗剪強度有多種因素，這些因素單一或綜合作用均會對剪力鍵抗剪強度產生影響，分析已有研究成果會發現，當前研究更多是開展單一荷載、單一環境影響，實際橋梁在使用過程中，所受荷載較為復雜，尤其是對位于平曲線、寬幅多車道橋梁，剪力鍵受力更加復雜，作者認為，為有效推進預制拼裝混凝土橋梁應用環境、場所，今后需加強開展以下方面研究：

(1)復雜環境綜合作用下膠接縫耐久性降低對抗剪強度影響。橋梁在一些地區面臨復雜環境因素作用，多種環境因素間有可能相互促進，加快膠接縫耐久性及抗剪強度降低，因此膠接縫在多環境作用下耐久性劣化機制以及應需采取防護措施，是在復雜環境條件應用預制混凝土節段橋需重點關注研究內容。

(2)多荷載工況下剪力鍵抗剪性能。目前關于復合荷載對剪力鍵抗剪強度研究尚不深入，且其中相當部分是彎剪復合作用研究。在位于平曲線橋梁、寬幅多車道橋梁中，車輛荷載作用下不可避免會對剪力鍵產生剪、彎、扭組合作用，有關此領域研究需深入開展。

(3)疲勞荷載作用下剪力鍵抗剪行為。橋梁結構和建筑結構的主要區別是橋梁結構主要承受疲勞荷載，在多工況作用下，需要對剪力鍵抗剪疲勞性能有更清楚認識。