折線配束預應力混凝土工字梁抗剪試驗設計

林光毅、石雪飛、董佳霖

（1.浙江數智交院科技股份有限公司，浙江 杭州 310030；2.同濟大學，上海 200092）

0 引言

隨著試驗技術水平和有限元模擬能力的提高，預應力混凝土工字梁抗剪性能的研究也自20 世紀延續至今。但各國抗剪設計規范尚未統一，抗剪問題在多種橋梁結構形式中普遍存在，同樣也存在于預應力混凝土工字梁中。

20 世紀初期，歐美國家對于混凝土結構的抗剪性能研究主要集中在剪切破壞機理研究上，并確認斜拉力是導致梁體出現剪切破壞的主要原因之一。

1900—1950 年，主要以大量現場和模型梁數據為依據研究梁體斜拉破壞，對抗剪承載力計算公式進行探索[1]。

在國內，先張法預應力混凝土梁的應用實踐中，采用的主要結構形式為箱梁和T 梁，王海良等[2]闡述了折線先張預應力構件技術需要解決的問題，探討了折線預應力梁在橋梁中的應用技術，也進一步論證了折線先張法梁在經濟性與受力合理性上相較于直線先張法梁的優越性。

熊進剛等[3]研究了剪切剛度和剪切變形對小剪跨比鋼筋混凝土簡支梁撓度的影響，剪切斜裂縫的出現會引起梁的荷載-撓度曲線出現明顯的轉折，剪切剛度和剪切變形對撓度均有較大影響。

綜上所述，對于混凝土梁的抗剪問題研究，主要集中在對抗剪承載力的理論分析和試驗驗證上，對于梁體出現斜裂縫病害的原因分析尚未形成統一的結論，同時對開裂后梁體的力學性能關注較少。針對斜裂縫發生后的混凝土梁直接破壞變形仍需深入研究。

1 試驗概況

1.1 試驗構件設計

此次試驗設計了2 組預應力混凝土工字梁試件，如圖1 所示。關鍵設計參數為腹板厚度，分別為8cm、10cm，其余參數相同。結合現場試驗條件，混凝土梁材料選用C40，根據規范“抗剪截面”構造要求（式1）和抗剪承載能力計算公式（式2，式中系數取值見規范）進行配筋設計，箍筋選用HPB300 材料，縱向受拉鋼筋布置為2φ28（保護層厚度3cm），選用HRB400型鋼筋，設計參數如表1 所示。

表1 試件規范設計控制因素

圖1 試驗構件截面構造尺寸（單位：mm）

考慮到剪跨比對試件破壞模式的影響（剪跨比小于1 時為斜壓破壞，介于1～3 時為剪壓破壞），試驗設計中采取相同剪跨比，為便于觀察多種破壞模式，確定剪跨比為1.26（加載點距離支座70cm）。考慮到加載距離和試驗場地限制，選取預應力混凝土梁長度為5m。預應力束布置形式為折線束，起彎點布置在距離端部2m 處，直線段長1m，采取15.24mm 公稱直徑的標準鋼絞線，在梁斷面內布兩根，即2-φS15.24，折線束采用雙折線，彎起角度為7°。

1.2 測點布置與數據采集

在加載點與支座連線上布置混凝土應變花，在跨中、加載點截面上布置縱向應變片，觀察混凝土裂縫開展情況；在跨中、加載點和支座處斷面上布置位移計，橫斷面左右兩側各布置一個，對構件豎向位移進行測量，判斷構件在加載過程中是否受到扭轉作用。

1.3 現場試驗裝置設計

試驗加載裝置應具有一定的強度和剛度，并有適當的安全儲備。試驗加載裝置的強度應大于梁體的強度。一般來說，在滿足強度的要求下，剛度基本能夠滿足試驗要求。對于此試驗梁，采用兩點加載方式，施力設備采用工地張拉千斤頂，反力裝置采用反力梁和樁基式地錨。下面給出上橫梁及圓鋼錨固的計算要求。

1.3.1 彎曲應力應滿足：

式（3）中：Mmax為彎矩；ymax為到中性軸的距離；I為截面對中性軸的慣性矩；1.3 為臨時鋼結構容許應力提高系數；[σ]為容許應力。

1.3.2 剪切應力應滿足：

式（4）中：FS為橫截面剪力；S*為對中性軸的靜距；b為截面寬度；[τ ]為容許切應力。

1.3.3 撓度驗算（按簡支梁跨中加集中荷載），應滿足：

式（5）中：F為上橫梁所受反力；l 為上橫梁計算跨徑；E為彈性模量。

1.3.4 穩定性驗算，鋼支撐所受的最大壓力N，應滿足：

式（6）中：[ ]N 為鋼支撐容許承載力；φ為軸心受壓穩定系數；A 為受壓橫截面面積；[ ]σ為容許應力。

1.3.5 圓鋼在混凝土錨固計算，按照黏結和錨固的有關理論，錨固長度l應滿足：式（7）中：P為圓鋼所受的承載力；d為圓鋼直徑。

試件加載采用兩點對稱加載方式，加載裝置如圖2 所示。

圖2 加載裝置

1.4 試驗加載方案

構件承載能力按橋梁結構設計規范計算得到的斜截面抗剪承載能力極限值的2 倍進行估算。試驗加載分為預加載和正式加載，預加載是以10kN 為單位逐級加載至40kN，然后卸載至0，重復2 次。正式加載分三步驟：首先，0～0.3 倍預估破壞荷載區間，以0.1 倍計算破壞荷載逐級加載，每級荷載后持荷2min；其次，0.3～0.5 倍預估破壞荷載區間，以0.05倍計算破壞荷載逐級加載，每級荷載后持荷2min；最后，荷載加至0.5 倍預估破壞荷載后，以位移控制加載，每級荷載增量0.1mm。

2 破壞形態及荷載-撓度曲線分析

2.1 PTC-1 破壞形態及試驗數據

該荷載為破壞側支座反力，而撓度為該側加載點的豎向位移值。試驗結果表明，試件破壞階段可分為三個階段：彈性工作階段、帶裂縫工作階段、破壞階段。在彈性工作階段，當荷載為0～204kN 時，隨著荷載增加，試件位移較小且變化緩慢，此時構件受力均勻，結構處于彈性工作狀態。在帶裂縫工作階段，當荷載為204～300kN 時，曲線斜率基本不變，此時混凝土裂縫開始逐漸發展；當荷載約為213kN 時，在兩側彎剪段出現斜裂縫，跨中未見明顯豎向裂縫。隨著荷載進一步增加，在兩側彎剪段出現多道由支座指向加載點的平行斜裂縫。當荷載約為300kN 時，試件加載點和跨中等斷面出現可見豎向裂縫。在破壞階段，試件不再出現新的裂縫，試件原先裂縫隨著荷載增加進一步加寬，最終在加載力臨近峰值445kN 時，試件左側彎剪段腹板多道平行斜裂縫發展迅速，伴隨腹板混凝土剝落，形成受壓短柱，過大的主壓應力將PTC-1構件腹板混凝土壓碎，試件發生斜壓破壞而失效，如圖3 所示。

圖3 PTC-1 試件斜壓破壞

2.2 PTC-2 破壞形態及試驗數據

PTC-2 試件破壞階段可分三個階段：彈性工作階段、帶裂縫工作階段、破壞階段。在彈性工作階段，當荷載為0～245kN 時，隨著荷載增加，試件位移較小且變化緩慢。在帶裂縫工作階段，當荷載為245～375kN 時，曲線斜率基本不變；在荷載約為280kN 時，試件左右兩側彎剪段出現斜裂縫；在荷載約為350kN時，試件在跨中多個斷面以及加載點位置出現豎向裂縫，而腹板在此階段未出現新的斜裂縫。在破壞階段，當荷載約為400kN 時，左右兩側出現新的斜裂縫，其方向與初始斜裂縫基本平行，原豎向裂縫不斷向上延伸；隨著荷載進一步增加，接近極限荷載值517kN時，試件在右側加載區域形成一道新的主斜裂縫，發生剪壓破壞，如圖4 所示。

圖4 PTC-2 試件發生剪壓破壞

通過對比PTC-1 構件和PTC-2 構件的破壞形態、極限荷載可知，腹板厚度對工字梁的抗剪承載力具有顯著影響，PTC-2 構件的抗剪承載力517kN 明顯大于PTC-1 構件的抗剪承載力445kN。

3 結論

通過對折線配束預應力混凝土工字梁抗剪性能試驗研究，可以得出以下結論：通過分析和實際試驗表明，該試驗加載裝置的設計是成功的；對比PTC-1構件和PTC-2 構件的破壞形態、極限荷載可知，腹板厚度會破壞此階段的破壞模式和極限荷載，試驗構件剪切剛度對鋼筋混凝土工字梁的抗剪承載力有較大影響。