預應力混凝土T梁受剪破壞試驗研究

張鳳群

(中鐵十七局集團第四工程有限公司，重慶 401120)

0 前 言

現代橋梁建設中，裝配式橋梁作為一種技術成熟的結構形式，往往是首先被考慮的橋型，預應力混凝土T梁就是其中常見的一種結構形式。T梁作為上部結構的主要承重構件，在荷載作用下主要表現為受彎和受剪狀態。因此，本文以某項目為背景，從改善預應力混凝土T梁抗剪承載力的角度出發，分析影響其剪切破壞承載力的因素，對預應力混凝土T梁受剪破壞進行了試驗研究。

1 工程概況

某項目標段內主要工程量有10座共長2 382.4 m主線橋(分左右幅)；共長5 812.31 m路基188.06萬m3；互通樞紐一處，設置9條共5 127.3 m匝道(其中有6座橋長共1 203.5 m匝道，路基長3 923.8 m)；54座共1 969.34延m涵洞(包含互通式立交匝道涵洞27座)。全線設計行車速度為120 km/h，主線公路為雙向六車道高速公路，設計荷載等級采用公路-Ⅰ級。整體式路基寬度33.5 m，分離式路基寬度16.75 m,一般橋涵及路基設計洪水頻率1/100,特大橋設計洪水頻率1/300，地震基本烈度為VII度。

2 預應力混凝土T梁的剪切破壞機理

預應力混凝土T梁開裂后，受荷載持續增加的影響，其具有應力重分布的特點，剪力傳遞機理發生變化，期間存在諸多干擾因素，難以精準確定各項因素的作用程度，需要做針對性分析[1]。

1)受壓區未開裂。梁體未開裂時，部分區段存在剪力和彎矩共同作用的情況，該部分存在主壓應力和主拉應力，可以通過繪制主應力跡線的方式加以描述；而在梁體出現開裂問題后，對于剩余的未開裂受壓區而言，依然存在該應力狀態。沿梁受壓區高度對剪應力積分，此時可以確定剪力分量，該結果反映的是“混凝土承載力”。

2)界面剪力傳遞。梁體局部裂縫面骨料突出的尺寸較大(超過裂縫寬度)，骨料間的咬合作用將抑制界面的滑移，同時將實現對部分剪力的傳遞。若結構體的抗壓強度未超過60 MPa，此時斜裂縫普遍以繞過粗骨料的方式而形成；若抗壓強度未超過70 MPa，斜裂縫的發生規律有所變化，即穿過骨料而形成光滑的裂縫界面。界面傳遞的剪力取決于多個方面，例如混凝土強度、法向應力等。

3)縱筋的銷栓作用。梁中縱向預應力與斜裂縫呈相交的位置關系時，可以較為有效地阻止開裂面兩側所產生的剪切滑移現象。在混凝土強度、縱向受拉預應力強度等多項指標的共同影響下，將對縱向受拉預應力的銷栓作用帶來影響。存在保護層抗拉強度的限制作用時，將會在較大程度上削弱銷栓作用；若存在縱向受拉預應力配筋率較高的情況，此時將有較明顯的銷栓作用，并且在多層布置時更為明顯。

4)拱作用。梁體的剪跨比較小時，截面應力難以滿足平截面假定，此時荷載普遍依靠斜壓桿實現向支座的傳遞，此條件下拱的作用較為顯著，雖存在梁的作用，但相對微弱。

5)箍筋作用。梁體結構中含箍筋時，若形成斜裂縫，將嚴重影響混凝土對剪力的傳遞，具有短時間內大幅度下降的變化；若箍筋與斜裂縫呈相交的關系，則該部分箍筋的應力將急劇增加。通過箍筋的應用有助于抑制斜裂縫，使梁腹部的骨料具有較大的咬合力，且可以發揮出縱向受拉預應力的銷栓作用。

6)混凝土殘余拉應力。裂縫寬度在0.15 mm內時，交界面仍有一定程度的連接，此時其依然具備傳遞拉應力的條件。在混凝土拉應力提升至最大值后得益于殘余拉應力的作用，并不會出現完全破壞現象，此時存在裂縫的梁體進入軟化下降段。在梁截面高度<100 mm時，雖然存在彎曲裂縫和斜裂縫，但其寬度相對較小，在整個受剪承載力中，殘余拉應力具有較大的貢獻比例；但反觀尺寸較大的梁體結構，該效應普遍微弱[2]。

根據上述機理分析可知，預應力混凝土T梁剪切破壞傳力機理復雜。為從宏觀上分析影響其剪切破壞的影響因素，以便為設計提供依據，本文考慮預應力和翼緣寬度兩個影響因素，設計相關試驗對其進行分析。

3 試驗設計與結果分析

3.1 試驗設計

本次試驗主要考慮預應力大小、預應力筋彎起角度、T梁翼緣板寬度三個因素。制備9根預應力混凝土和1根普通鋼筋混凝土T形簡支梁，梁高70 cm，翼緣板厚10 cm，腹板寬20 cm，試驗梁的預應力大小、預應力筋彎起角度、翼緣板寬度不完全相同，其余設計參數均相同。試驗梁示意圖見圖1。

圖1 試驗梁示意圖(單位：cm)

預應力鋼束采用高強度低松弛鋼絞線Φs15.2，標準強度fpk=1 860 MPa，單股面積Ay=1.39 cm2，采用后張拉形式。試驗梁的主要設計參數見表1所示。

表1 試件主要設計參數

試驗采用油壓千斤頂進行加載，采用兩點對稱逐級施加荷載，加載點距支座的距離為800 mm,剪跨比為1.75。在試件前后兩側面，畫出5 cm×5 cm方格，并編號劃區，以方便在不同荷載下對裂縫的產生和發展進行觀察。對每條裂縫均需記錄產生的時間(即第幾級荷載下產生的)、裂縫的位置(距離跨中或支座處的距離)、長度、寬度、裂縫的間距和正常使用荷載下的最大裂縫的寬度，下一級加載后的發展情況。用裂縫觀測儀觀測裂縫的長度，5倍放大鏡觀察裂縫的出現與發展。在加載開始時，反復調整梁底的支座，防止支座在加載過程中產生偏移，而導致梁受力不均勻。

首先進行預加載2次，檢查試驗裝置和構件各部分是否正常工作，各應變片是否有讀數；在開裂荷載之前按20～30 kN一級加載，開裂之后按50 kN一級加載，臨近破壞時，相應地減少荷載的級距，直至破壞。每次加載穩定油壓5 min后讀數。

3.2 試驗結果

對于試驗梁T-1為鋼筋混凝土梁，跨中荷載P達到160 kN時，顯現出第一條垂直裂縫；隨著荷載的持續增加，當P達到200 kN時靠近跨中位置，出現斜裂縫，角度大于45°，均指向加載點，隨后，斜裂縫隨著荷載的持續增長而增加，且斜裂縫均指向跨中加載點；后續伴隨荷載的持續增加，垂直裂縫幾乎維持原狀，即并未呈現出發展的趨勢，但斜裂縫具有逐步向兩支座方向延伸的特點，裂縫寬度有所增加；進一步加大荷載后，顯現出臨界裂縫，與此同時可見加載點與支座連線方向有部分斜裂縫；荷載達到670 kN后，無法利用手動液壓泵加載，此時通過對顯示器的數顯值進行分析可知，荷載呈下降的變化，但裂縫仍有發展的趨勢，并且梁結構已經處于受破壞的狀態[3]。試驗過程中，當P=160 kN、P=200 kN、P=670 kN時，T-1梁的裂縫分布見圖2所示。

圖2 T-1梁裂縫分布

對于試驗梁T-2：跨中荷載P達到160 kN時，顯現出首條豎向裂縫，隨后，當P達到200 kN時，出現斜裂縫，隨著荷載增加，斜裂縫也隨之增多，豎向裂縫未見明顯變化，斜裂縫則有從跨中向支座附近發展的趨勢。隨荷載持續增加，臨界斜裂縫寬度以更快的速度增加，臨界斜裂縫在臨近梁底處呈水平狀延伸，當P達到840 kN時，試驗梁出現“砰”的響聲，受壓區的部分混凝土處于壓碎的狀態，導致試件發生剪切破壞。

對于其余的T-3～T-10梁，試驗過程中裂縫發展的形態和趨勢與T-2梁基本一致，但其出現豎向裂縫、斜向裂縫以及極限荷載與T-2梁存在差異。

參與試驗的各試件均存在剪切破壞，裂縫發生部位集中在T形梁腹板處，部分裂縫與臨界斜裂縫呈平行的位置關系。預應力筋彎起角度越大，預應力筋數量越多，則斜裂縫分布的面積越大，數量越多，斜裂縫的傾角也越小。匯總各試件的極限荷載與撓度，具體結果如表2所示。根據表中內容可知，無論是增加預應力筋的數量，還是加大預應力筋的彎起角度，均有助于提高試件的極限抗彎承載能力。對于T-2、T-5和T-8試件而言，其設置有預應力筋，相比于T-1，極限抗剪承載力增幅分別達到25.37%、26.12%和31.49%；從彎起角度來看，則從水平狀態逐步發生變化(形成角度)，增加至12°時，T-5與T-2的極限承載力無明顯的差異，但該值增加至20°時，T-8試件較T-2、T-5而言有明顯的增加，增幅分別為4.88%和4.26%。此外在增加預應力筋數量的方式下，可以提高梁體的極限抗剪承載力[4-5]。

表2 極限荷載與撓度

3.3 結果分析

1)對于試驗狀態下的簡支梁，豎向裂縫率先開展，隨后是斜向裂縫，且隨著荷載的增加，斜向裂縫向支點附近發展。

2)相對普通鋼筋混凝土梁而言，預應力混凝土T梁的極限荷載有明顯提高，且隨著預應力大小和彎起角度增加，其極限荷載亦呈增大趨勢。

3)翼緣板寬度對極限荷載的影響并不顯著。

4)預應力大小、彎起角度、翼緣板厚度對T梁的撓度影響不顯著，說明剪切破壞時其剛度主要由截面本身提供。

4 結束語

綜上所述，預應力筋數量、彎起角度及翼緣寬度三項參數均會對預應力混凝土T梁的性能帶來影響，在跨中集中荷載作用下，梁體處于剪壓破壞狀態。在預應力增加時，梁體的受剪承載力明顯加大，顯現出較多的裂縫，傾斜角度減小；而在翼緣寬度增加時，受剪承載力僅有小幅度的增加，翼緣板的剪力滯后效應明顯。

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