混凝土空心板梁鉸縫損傷研究

孫海峰，吳正光，康愛紅,b，顧 萬，沈 楸，張永健

(揚州大學 a.建筑科學與工程學院;b.城市規劃與發展研究院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

混凝土空心板梁是由澆筑鉸縫混凝土鉸接而成的橋面結構，因其構造原因易出現損傷，導致鉸縫部分或全部失效[1-2]，而鉸縫損傷會削減板梁的橫向傳力，甚至形成單板受力[3-5]。

受制于室內試驗條件，難以對較大尺寸的混凝土板梁進行結構試驗，國內外學者對大跨徑混凝土梁進行了縮尺結構試驗。文獻[6]對20 m的板梁進行了8 m的縮尺，研究得到在跨中兩側縮尺梁的損傷對稱分布。文獻[7-9]對4 m縮尺梁進行疲勞試驗，分析了疲勞作用下板梁結構產生的損傷。文獻[10]將32 m混凝土梁按1/6縮尺，將梁體裂縫開展劃分為3個階段。文獻[11]對不同加載位置的預應力混凝土板梁極限荷載進行了研究，以板梁極限狀態下承載力和延性為指標，對橋梁技術性能進行評估。文獻[12]分析了4片混凝土空心板鉸接梁在循環荷載下鉸縫的受力。文獻[13]測試了車輛作用下板梁結構撓度，當相對位移大于0.025 4 mm時，鉸縫混凝土易開裂。文獻[14]按1∶5的比例進行縮尺，研究了T形梁開裂后抗彎剛度變化規律。

目前，國內外研究大部分集中于混凝土空心板梁的劣化性能，且對于板梁與鉸縫的研究多通過軟件模擬，少有室內試驗對鉸縫劣化規律的研究。本文通過有限元軟件，以8 m梁對20 m梁進行縮尺模擬，通過8 m梁單梁靜載試驗驗證了縮尺模擬的合理性，對3片8 m長的縮尺梁板組合成鉸接體系進行結構試驗，探究了板梁和鉸縫的劣化規律。

1 混凝土板梁結構參數及縮尺梁設計

1.1 混凝土板梁結構參數

原型梁為常用的20 m先張法標準梁板，其截面如圖1所示。縮尺梁長度為8 m，橫向尺寸為原梁的1/2，梁板配筋率相似，其截面設計和配筋如圖2和圖3所示。

圖1 原型梁截面幾何尺寸(cm)

圖2 縮尺梁截面幾何尺寸(cm)

圖3 縮尺梁配筋(cm)

采用的預應力鉸縫混凝土為C35，整體化現澆混凝土為C40，板端封頭混凝土為C25。采用ΦS12.9鋼絞線，fptk=1 960 MPa，松弛率為3.5%(JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》)。

1.2 縮尺梁與原型梁有限元模擬校驗

為了研究8 m縮尺梁與20 m原梁在板梁損傷和鉸縫破壞等方面的相似度，利用ABAQUS軟件進行有限元模型建立及力學分析。通過極限狀態下縮尺梁與原型梁在主壓應力、豎向位移、裂縫發展等指標的差異反映兩者的相似性，縮尺梁與原型梁極限狀態對比見表1。

表1 縮尺梁與原型梁極限狀態對比

計算得出原型梁與縮尺梁破壞模式均為受彎破壞，均在1/4跨至跨中部位產生破壞，兩者荷載-撓度曲線相似，說明兩者的破壞過程也具有一定的相似性，且主壓應力、豎向位移以及裂縫發展也具有一定相似性，因此，通過8 m縮尺梁結構試驗，可以在一定程度上反映出20 m原型梁結構的力學性能規律。

2 試驗方案設計

2.1 單梁靜載試驗

將單梁橫架在0.8 m高的承臺上，板梁與承臺間放置的橡膠支座模擬板梁實際服役狀態。在混凝土梁體布置36個應變片，梁底布置5個撓度位移計，分別用來測量應變和撓度的變化，兩者布置位置及編號如圖4所示。采用單點加載法對單梁跨中進行分級加載，每級靜力荷載分別為5 kN，直至板梁破壞，并記錄板梁在荷載作用下產生的撓度、應變及開裂過程。

圖4 撓度計和應變片布置位置及編號

2.2 三片梁鉸接體系試驗

將3片預應力混凝土空心板梁橫向拼接，并在鉸縫內澆筑C35混凝土進行填充，混凝土板梁的兩端各通過2個橡膠支座支撐在混凝土承臺之上，進行三片梁鉸接體系試驗。在鉸接體系靜載過程中，試驗以加載力為控制，每級加載10 kN并等待10 min，記錄試驗過程中不同荷載下梁體產生的裂縫走向，并在兩條鉸縫的頂部凹槽內注水，及時觀察鉸縫損傷過程中滲水的位置及對應荷載等級。位移計布置及編號示意圖見圖5，應變片布置及編號示意圖見圖6。

圖5 位移計布置及編號示意圖

圖6 應變片布置及編號示意圖

3 試驗結果及分析

3.1 單梁靜載試驗分析

3.1.1 裂縫發展

臨近板梁發生破壞時，板梁外側最終裂縫開展及分布結果如圖7所示。當加載至60 kN時，梁底跨中處產生2條對稱分布的裂縫。加載至80 kN時，跨中底部第1條裂縫貫通。當加載到90 kN時，梁體1/4跨和3/4跨處發現裂縫。當荷載達到120 kN時，跨中裂縫蔓延至梁高的1/2，1/4跨和3/4跨處的裂縫向跨中頂部延伸。當荷載達到120 kN時，梁底裂縫產生1.5 mm的開口。荷載加載至198 kN時，板梁完全斷裂。

圖7 175 kN荷載時板梁外側裂縫開展及分布

3.1.2 荷載-位移曲線

單梁靜力試驗及軟件模擬的跨中處荷載-撓度曲線如圖8所示。由圖8可知：單梁靜力試驗獲取的荷載-撓度曲線較模擬所得略高，試驗、模擬所得開裂荷載分別為60.0 kN、58.3 kN，所得極限荷載分別為198.0 kN、192.5 kN，相對誤差均小于5%，說明通過8 m預應力混凝土空心板梁反映20 m混凝土梁的特性是合理的。

圖8 跨中處荷載-撓度曲線

隨著跨中荷載逐漸增大，板梁產生的撓度逐漸增加，荷載-撓度曲線可大致劃分為0～<40 kN、40 ～155 kN和>155 kN～198 kN這3個階段。當荷載小于40 kN時，跨中撓度增長較為緩慢；荷載為40～155 kN時，板梁跨中處撓度增速變快，增幅范圍較為穩定，說明板梁受力處于彈性階段；當施加荷載大于155 kN時，板梁受力轉變為塑性破壞，板梁結構隨時可能面臨破壞。

板梁對稱位置在荷載作用下產生的撓度十分接近，達到極限荷載時，板梁跨中撓度為69.96 mm，1/4跨和3/4跨處撓度分別為37.24 mm和36.77 mm，梁的兩端撓度分別為13.59 mm和11.87 mm。

3.1.3 荷載-應變曲線

板梁不同編號對應的荷載-應變曲線如圖9～圖10所示。板梁跨中外側應變最大達到7 217 με，內側達到3 936 με。當荷載達到100 kN時，梁底應變開始急劇增長，說明梁底的應變變化與荷載具有較強的相關性。跨中部位處測點3在荷載為75 kN時就開始增長，可能是跨中裂縫對其有影響。

圖9 板梁梁底1～6測點應變

圖10 板梁外側及內側7～9測點荷載-應變曲線

3.1.4 板梁損傷劣化規律

根據單梁靜載試驗過程中裂縫的發展及荷載-位移、荷載-應變曲線等數據進行分析，板梁的損傷等級可分為5個階段。

單梁靜載梁體損傷狀態如圖11所示。板梁的極限荷載為198 kN，在未達到極限荷載的30%時，板梁處于完好狀態；當荷載為極限荷載的30%～35%時，板梁跨中底部產生兩條對稱的裂縫，損傷等級為一級損傷；當荷載為極限荷載的35%～45%時，板梁結構產生明顯受彎破壞，裂縫逐漸發展，損傷等級為二級損傷；當荷載為極限荷載的45%～60%時，梁體1/4跨和1/3跨處開始出現裂縫，并逐漸貫通，損傷等級為三級損傷；當荷載為極限荷載的60%～77.5%時，梁底裂縫已產生較大開口，損傷等級為四級損傷，如圖11a所示；當荷載超過極限荷載的77.5%時，跨中裂縫發展距梁頂面7.5 cm處，梁底裂縫開口較大，混凝土產生“呲呲”開裂聲，板梁結構隨時可能斷裂破壞，損傷等級為五級損傷，如圖11b所示。

(a) 四級損傷裂縫發展

3.2 鉸接梁試驗分析

3.2.1 裂縫發展

隨著荷載逐漸增加，鉸接梁逐漸產生變形，荷載達到130 kN時，中梁跨中處產生首條橫向裂縫；荷載達到180 kN時，外梁跨中處首次產生橫向裂縫。荷載達到200 kN時，內梁跨中處產生首條橫向裂縫，此時外板的底部橫向裂縫逐漸擴展至腹板處。荷載達到210 kN時，裂縫向板梁頂端蔓延。當荷載達到230 kN時，鉸縫Ⅱ在跨中處有2處滲水。當荷載達到280 kN時，鉸縫Ⅰ的跨中處出現2處鉸縫滲水。當荷載達到300 kN時，鉸縫Ⅱ全線開始滲水。當荷載達到330 kN時，外梁與內梁的腹板豎向裂縫不斷擴展，外梁裂縫分布情況見圖12。加載至350 kN時，中梁跨中處斷裂。

圖12 外梁裂縫分布情況

3.2.2 荷載-位移曲線

三片梁梁底不同測點荷載-撓度曲線如圖13所示。由圖13可知，中梁跨中處梁底的下撓增長分為兩個階段：當荷載未到達230 kN時，荷載-撓度曲線大致呈線性變化；當荷載達到230 kN時，梁體剛度發生轉變，荷載作用下板梁撓度快速增長，且三片板梁在1/4跨、跨中和3/4跨處的荷載-撓度曲線也呈現出兩階段的變化過程。達到極限荷載時，中梁各跨的撓度分別為15.228 mm、23.546 mm和15.152 mm。荷載作用下中梁各處的下撓高于其余兩片梁，外梁撓度要稍大于內梁，說明鉸縫Ⅰ的傳力效果較好。在板梁劣化前期，中梁將荷載向兩側梁傳遞，鉸縫Ⅰ最先受到破壞。

圖13 三片梁梁底不同測點荷載-位移曲線

3.2.3 荷載-錯臺曲線

在鉸縫相鄰兩片梁上固定U型位移計，測量兩片板梁的豎向位移差值(錯臺)。兩條鉸縫在荷載作用下不同位置產生的錯臺如圖14所示。當荷載較小時，鉸縫錯臺數值變化幅度不明顯，此時鉸縫未產生明顯損傷；當荷載達到200 kN以上時，兩條鉸縫在各跨處的錯臺數值迅速增長，且鉸縫Ⅰ產生的錯臺大于鉸縫Ⅱ，說明鉸縫Ⅰ產生的損傷比鉸縫Ⅱ大。直接承受荷載作用的跨中處鉸縫錯臺較高。當中梁達到極限荷載345 kN時，鉸縫Ⅰ在各跨處產生的錯臺分別為1.024 mm、3.932 mm和1.148 mm。

圖14 梁底鉸縫不同測點荷載-錯臺曲線

3.2.4 荷載-開合曲線

在鉸縫相鄰兩片梁上固定水平位移計，測量荷載作用下相鄰板梁在水平方向產生的位移(開合)，開合測試結果如圖15所示。開合的數值高于錯臺，荷載增加到275 kN以上時，鉸縫的開合數值急劇增長。當達到極限荷載時，鉸縫Ⅰ在各跨處產生的開合分別為2.542 mm、5.163 mm和2.236 mm。

圖15 三片梁梁底不同測點荷載-開合曲線

3.2.5 荷載-應變曲線

三片梁梁底不同測點的荷載-應變曲線如圖16所示，三片板梁跨中處應變大于其他部位，直接承受荷載作用的中板跨中處應變最大，外梁及內梁在1/4跨與3/4跨處的應變較為接近，說明鉸縫使板梁能夠橫向傳力。當荷載達到345 kN時，三梁在跨中處的拉應變分別為639.057 με、980.253 με和736.06 με。

圖16 三片梁梁底不同測點荷載-應變曲線

3.2.6 鉸縫損傷裂化規律

根據鉸接梁試驗中裂縫開展、鉸縫滲水等病害，及開裂荷載、極限荷載等對應等級，以均值對鉸縫損傷階段進行評價，板梁下撓、錯臺、開合及應變具有較強的相關性，錯臺、開合等指標大致相近，鉸縫部分損傷狀態見圖17。鉸縫損傷狀態荷載臨界值分別為130 kN、180 kN、230 kN和300 kN。當荷載達到極限荷載的37.6%時，鉸縫處于完好狀態；當荷載為極限荷載的37.6%～52.2%時，鉸縫處于輕微損傷狀態，中梁底板開始產生裂縫；當荷載為極限荷載的52.2%～66.7%時，鉸縫處于中等損傷狀態，外梁底板跨中部位開始產生裂縫；當荷載為極限荷載的66.7%～87.0%時，鉸縫Ⅱ在跨中處開始滲水，兩側腹板裂縫逐漸增加，鉸縫處于嚴重損傷狀態；當荷載超過極限荷載的87.0%時，鉸縫失效。

(a) 鉸縫中等損傷

基于鉸縫不同損傷程度對應的臨界荷載，通過8 m縮尺板梁反映20 m原型梁結構和鉸縫的損傷規律。在鉸縫損傷的初期，板梁產生的撓度和應變與荷載大致呈線性變化；鉸縫損傷從輕微損傷轉變為中等損傷過程中，錯臺和開合緩慢增長；當鉸縫損傷處于嚴重狀態以上時，板梁剛度發生轉變，板梁撓度、應變和鉸縫產生的錯臺、開合呈非線性急劇增長。

4 結論

(1)將8 m與20 m混凝土空心板梁極限狀態時主壓應力、裂縫發展、豎向位移等進行了對比，并通過單梁靜載試驗驗證了縮尺梁的合理性。

(2)單梁的開裂荷載、極限荷載分別為60 kN和198 kN，首條裂縫出現在板梁跨中底部，隨后裂縫從1/4跨和3/4跨處產生，并向跨中蔓延。當達到極限荷載時中板的1/4跨、跨中和3/4跨時，撓度分別為37.24 mm、69.96 mm和36.77 mm。

(3)鉸接梁的開裂荷載、剛度轉變荷載、極限荷載分別為130 kN、230 kN和345 kN，當荷載達到剛度轉變荷載時，鉸縫的開合和錯臺數值呈非線性急劇增長，達到極限荷載時，中梁的1/4跨、跨中和3/4跨的撓度分別為15.228 mm、23.546 mm和15.152 mm。

(4)板梁產生損傷后其損傷程度會在短期內加劇，隨著荷載增加，撓度和應變增長迅速增大。鉸縫未產生嚴重損傷前，板梁的撓度、梁底應變與荷載呈線性變化；達到嚴重損傷后，呈非線性變化。