裝配式空心板橋抗剪加固模型試驗(yàn)

王 昊,李廣奇,郭建民,黃宛昆

(1.山東高速股份有限公司,山東 濟(jì)南 250014;2.山東省交通科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250101;3.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院,福建 福州 350116)

裝配式空心板橋因其結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、施工方便、標(biāo)準(zhǔn)化制造、經(jīng)濟(jì)適用等優(yōu)點(diǎn),是我國中小跨徑橋梁建設(shè)中的首選[1]。目前在役的空心板橋數(shù)量極為龐大,但是早期的空心板橋隨著結(jié)構(gòu)的老化和車輛荷載的增加,容易出現(xiàn)承載能力不足并引起結(jié)構(gòu)病害[2-3]。對于簡支的空心板梁橋而言,承載能力不足可以分為抗彎承載能力不足和抗剪承載能力不足,其病害表現(xiàn)在跨中附近的底板橫向裂縫和支點(diǎn)附近的腹板斜向裂縫[4]。這些裂縫病害會(huì)導(dǎo)致雨水和腐蝕性物質(zhì)的滲透,進(jìn)一步加劇結(jié)構(gòu)病害的開展,對橋梁結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生嚴(yán)重的威脅[5-6]。

為了應(yīng)對車輛荷載增加、空心板橋承載能力下降和病害嚴(yán)重,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固是常用的應(yīng)對方案[7-8]。國內(nèi)外的專家學(xué)者提出的空心板梁橋抗剪加固方法包括粘貼碳纖維布或預(yù)應(yīng)力碳纖維板[9-11],增大截面法加固[12-14]和采用體外預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加固[15]。其中,聶建國[16]采用高強(qiáng)不銹鋼絞線網(wǎng)配合滲透性聚合砂漿進(jìn)行混凝土梁加固,并進(jìn)行抗剪受力試驗(yàn)研究,試驗(yàn)結(jié)果表明加固后混凝土梁的抗剪承載能力得到了顯著提升。

橋梁抗剪加固的通常做法是在梁端腹板處粘貼加固材料,但是受空心板特別是中板作業(yè)空間的限制,常用的橋梁結(jié)構(gòu)加固方法難以實(shí)現(xiàn)空心板橋的抗剪加固。因此,探索高效且實(shí)用的空心板梁橋抗剪加固方法具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。本文提出一種端部填芯的空心板橋抗剪加固方法,即先鑿除空心板端部頂板后在端部空腔處綁扎填芯鋼筋并注入混凝土的抗剪加固方法,克服傳統(tǒng)加固方法的不足。通過開展足尺模型試驗(yàn)與未加固的空心板抗剪承載能力進(jìn)行對比,分析空心板橋抗剪加固的加固效果,并對加固后的空心板橋抗剪受力性能進(jìn)行研究。

1 空心板橋抗剪加固方法

1.1 加固方法

目前常用的橋梁加固方法諸如粘貼鋼板法、體外預(yù)應(yīng)力法、粘貼預(yù)應(yīng)力碳纖維板法等受空心板特別是中板作業(yè)空間的限制,難以實(shí)現(xiàn)空心板橋的抗剪加固。因此,本文提出一種鑿除空心板梁端頂板、在端部空腔處綁扎填芯箍筋、并注入混凝土的空心板橋抗剪加固方法。由于簡支空心板橋斜截面抗剪最不利截面位于梁端,因此空心板橋的抗剪加固在梁端進(jìn)行。

以跨徑16 m的空心板為例,空心板梁高為70 cm,板寬101 cm。填芯空心板尺寸和鋼筋布置如圖1所示。加固時(shí)采用與原空心板等級相同的C40混凝土進(jìn)行填芯。注漿加固空心板橋的研究結(jié)果表明,加固段長度大于兩倍梁高后,提高加固段長度對極限荷載的影響非常小[17],因此填芯段長度取梁高的兩倍即1.4 m。為保證填芯段混凝土與空心板梁混凝土共同受力,在填芯段內(nèi)布置箍筋和架立鋼筋,并與鑿開后裸露的頂板鋼筋綁扎在一起。新增箍筋采用HRB335,直徑選用Φ8,箍筋間距為100 mm。加固布置如圖2所示。

圖1 空心板尺寸(單位:mm)

圖2 加固布置(單位:mm)

1.2 抗剪承載力計(jì)算

抗剪加固空心板梁的抗剪承載力可以依據(jù)《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》[18](JTG/T J22—2008)或《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)規(guī)范》[19](GB 50367—2013)關(guān)于增大截面法加固受彎構(gòu)件的抗剪承載能力計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。其中,《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T J22—2008)關(guān)于抗剪承載力的計(jì)算方法參考了《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[20]中5.2.9的規(guī)定,采取半理論半經(jīng)驗(yàn)的公式進(jìn)行計(jì)算:

+0.75×10-3fsdAsd+ψvbVd2

(1)

式中:γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);Vd為加固后構(gòu)件驗(yàn)算截面處第二階段剪力組合設(shè)計(jì)值,kN;α1為異號彎矩影響系數(shù);α3為受壓翼緣的影響系數(shù);b2為加固后梁斜截面頂端正截面處腹板寬度,mm;h0為加固后梁斜截面受壓端正截面的有效高度,mm;ψcs為與原梁斜裂縫有關(guān)的修正系數(shù);P為加固后計(jì)算截面斜裂縫范圍內(nèi)縱向鋼筋的配筋百分率;fcu,k為原構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級;ρsv為原梁斜截面內(nèi)箍筋配筋率;fsv為原梁箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;MPa;fsd為普通彎起鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;MPa;Asd為普通彎起鋼筋的截面面積,mm2;ψvb為修正系數(shù);Vd2為加固后由后期恒載、車輛荷載及其他可變荷載作用的剪力組合設(shè)計(jì)值,kN。

公式(1)包括三項(xiàng):

加固后的混凝土截面與原梁箍筋提供的抗剪承載力Vcs:

原梁彎起鋼筋提供的抗剪承載力Vsd:

Vsd=0.75×10-3fsdAsd

加固后新增箍筋提供的抗剪承載力Vsv:

說了這么多關(guān)于腳的閑話，咱也該下樓，活動(dòng)活動(dòng)筋骨，伸伸腳了，關(guān)鍵時(shí)候，說不定和蕓蕓眾生中的某一位，來個(gè)“腳”斗呢！

Vsv=ψvbVd2

此時(shí),加固后空心板梁抗剪承載力的提升主要來源于第一項(xiàng)加固后混凝土截面變大和第三項(xiàng)加固后新增箍筋。根據(jù)公式計(jì)算可得,加固前的空心板梁抗剪承載力設(shè)計(jì)值為554 kN,抗剪加固后的空心板梁抗剪承載力設(shè)計(jì)值為886 kN。

2 模型試驗(yàn)加載與測點(diǎn)布置

2.1 試驗(yàn)加載方式

為了對填芯抗剪加固空心板橋的受力性能進(jìn)行研究,考慮到空心板截面大小和尺寸效應(yīng)的影響,采用足尺模型進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)背景空心板橋?yàn)橐豢鐦?biāo)準(zhǔn)跨徑為16m的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支空心板梁,計(jì)算跨徑15.96 m,參考交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院JT/GGQS 011—84標(biāo)準(zhǔn)圖設(shè)計(jì)。試驗(yàn)空心板共設(shè)置兩片,一片未加固,一片采用局部填芯法進(jìn)行加固。填芯段鋼筋采用HRB335,直徑選用Φ10。

試驗(yàn)通過液壓千斤頂進(jìn)行加載。加載設(shè)計(jì)時(shí)取剪跨比λ=1,加載點(diǎn)縱橋向距梁端0.9 m,通過分配梁作用于空心板頂板上,分配梁與空心板之間墊有橡膠墊。加載裝置布置如圖3所示。試驗(yàn)荷載分級加載,每60 kN設(shè)為一級,待試驗(yàn)現(xiàn)象穩(wěn)定后進(jìn)行撓度和應(yīng)變的測試,并觀察空心板裂縫的開展。為消除初始誤差的影響,試驗(yàn)加載前先進(jìn)行60 kN的預(yù)加載。

圖3 加載布置(單位:mm)

2.2 測點(diǎn)布置

為了解加固前后空心板梁的承載能力和加固后空心板梁橋的受力性能,對空心板在試驗(yàn)荷載作用下的撓度和應(yīng)變進(jìn)行測量。撓度和應(yīng)變測點(diǎn)布置如圖4所示。撓度測量共設(shè)置6個(gè)截面,即左右梁端支座處、加載點(diǎn)處、L/4截面、跨中位置和3L/4截面,每個(gè)測試截面沿橫橋向布置兩個(gè)位移計(jì)。應(yīng)變測量沿著支承點(diǎn)45°向上的方向布置剪應(yīng)變測點(diǎn)(應(yīng)變花),應(yīng)變測點(diǎn)沿空心板腹板高度方向均勻布置。試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃图虞d裝置的照片如圖5所示。

圖4 測點(diǎn)布置(單位:mm)

圖5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃图虞d裝置

3 試驗(yàn)結(jié)果與抗剪承載力計(jì)算

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

對于未填芯加固的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?當(dāng)荷載小于780 kN時(shí)未加固試件表現(xiàn)為彈性工作狀態(tài),梁體未見明顯裂縫開展,也未聽到混凝土被壓碎發(fā)出聲音。當(dāng)荷載達(dá)到780 kN時(shí),隨著一聲脆響,出現(xiàn)一條貫穿空心板的斜裂縫。裂縫起始點(diǎn)距支座中心線約30 cm處,裂縫一出現(xiàn)就貫通底板,呈斜向上約45°向加載點(diǎn)處發(fā)展,呈下寬上窄的形態(tài)。破壞為脆性破壞,裂縫最大寬度超過1 cm,試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯顺龉ぷ魍Ｖ辜虞d。未填芯加固的空心板破壞照片如圖6所示。

圖6 未加固空心板破壞照片

未填芯加固的空心板撓度測試結(jié)果如圖7所示。由圖可見,未填芯加固的空心板在測試位置處撓度的增長在試驗(yàn)全過程都呈線性,加載點(diǎn)處的最大撓度為4.56 mm,撓度最大值發(fā)生在跨中位置為9.64 mm。可以看到,L/4位置處與跨中位置處的最大撓度相差不到1%,表明加載點(diǎn)在靠近梁端位置時(shí),試驗(yàn)荷載造成的空心板撓曲變形較小。

圖7 未加固撓度測試結(jié)果

填芯加固后的空心板破壞照片如圖8所示。對于填芯加固后的空心板,加載初期的試驗(yàn)構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài),主梁的腹板和底板未發(fā)現(xiàn)明顯裂縫。當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到820 kN時(shí),加載端支座邊緣處出現(xiàn)一條斜裂縫,斜裂縫沿梁高方向呈45°角向上,寬度約為0.1 mm,長度約為40 cm。當(dāng)荷載達(dá)到890 kN時(shí),在試件距支座邊緣約20 cm處出現(xiàn)第二條裂縫,裂縫貫通底板并延伸至兩側(cè)腹板高度50 cm處,裂縫在腹板朝著加載點(diǎn)的方向發(fā)展,裂縫寬度約為1.55 mm。當(dāng)荷載持續(xù)加載到930 kN時(shí),最先出現(xiàn)的裂縫繼續(xù)朝著加載點(diǎn)方向發(fā)展,裂縫寬度并未出現(xiàn)明顯變化。同時(shí)在加載點(diǎn)下方,出現(xiàn)了兩條近似垂直方向的細(xì)小裂縫,裂縫寬度約為0.2 mm。當(dāng)荷載達(dá)到930 kN后,空心板內(nèi)鋼筋屈服,空心板失去承載能力。整個(gè)過程中裂縫的產(chǎn)生未發(fā)生脆性破壞。最先產(chǎn)生的裂縫在荷載作用下持續(xù)開展,說明填芯混凝土與空心板混凝土粘結(jié)良好,試驗(yàn)構(gòu)件保持整體受力。

3.2 結(jié)果分析

加固前后的空心板試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诤奢d作用下的試驗(yàn)現(xiàn)象對比見表1所示。采用局部填芯加固后的空心板,其腹板發(fā)生開裂時(shí)的荷載較未加固的空心板提高5.1%,極限荷載較未加固的空心板提高19.2%。說明采用局部填芯法進(jìn)行抗剪加固可以有效提高空心板抗剪承載能力,防止空心板在剪力荷載作用下發(fā)生脆性破壞。

表1 試驗(yàn)現(xiàn)象和荷載對比

試驗(yàn)結(jié)果表明,抗剪加固后空心板梁抗剪試驗(yàn)荷載極限值為930 kN,是抗剪承載力設(shè)計(jì)值886 kN的1.05倍,說明抗剪加固后空心板梁的抗剪承載能力可以參照《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算。

未填芯加固的空心板的破壞模式為脆性破壞,空心板發(fā)生開裂后立即失去承載能力,因此未對裂縫在試驗(yàn)荷載作用下的開展進(jìn)行測試。空心板的裂縫分布如圖10所示。

圖10 未加固裂縫分布圖(單位:mm)

填芯加固后的空心板裂縫分布如圖11所示。采用混凝土填芯加固的空心板在試驗(yàn)荷載作用下的裂縫寬度隨荷載變化情況如圖12所示。從圖示結(jié)果可以看出,隨著荷載的增加,裂縫寬度隨之迅速增加。

圖11 加固后裂縫分布圖(單位:mm)

圖12 裂縫寬度測試結(jié)果

加固前后空心板加載點(diǎn)和跨中截面在試驗(yàn)荷載作用下的撓度對比見圖13所示。從圖13可以看出,同樣在780 kN的試驗(yàn)荷載作用下,加固后加載點(diǎn)的撓度比加固前小21.1%,而加固后跨中截面的撓度比加固前小4.0%。說明空心板端部填充的混凝土極大地提高了加載點(diǎn)也就是支點(diǎn)附近的局部剛度,但是對空心板的整體剛度沒有太大的影響。

圖13 撓度測試結(jié)果對比

未加固的空心板最不利位置的剪應(yīng)變測試結(jié)果如圖14所示。由圖14可以看出,未加固的空心板在加載過程中剪應(yīng)變呈線性增長的態(tài)勢,測得最大剪應(yīng)變?yōu)?225.23 με,這與試驗(yàn)現(xiàn)象吻合。

圖14 未加固剪應(yīng)變測試結(jié)果

填芯加固后的空心板在腹板測點(diǎn)位置的剪應(yīng)變測試結(jié)果如圖15所示。由圖可見,填芯加固后的空心板在腹板中下位置的測點(diǎn)在荷載達(dá)到820 kN前線性增長趨勢良好,空心板處于彈性工作狀態(tài)。在荷載達(dá)到820 kN(空心板腹板開裂)之后,各個(gè)測點(diǎn)測得的剪應(yīng)變都有加速增長的趨勢,說明此時(shí)空心板進(jìn)入彈塑性工作狀態(tài)。測得最大剪應(yīng)變?yōu)?209.31 με,測點(diǎn)同樣處于最靠近加載點(diǎn)的位置。

圖15 加固后剪應(yīng)變測試結(jié)果

最不利測點(diǎn)加固前后的剪應(yīng)變測試結(jié)果如圖16所示。從圖16可以看出,同樣在780 kN的試驗(yàn)荷載作用下,加固后空心板最大剪應(yīng)變比加固前降低20.1%,說明采用局部填芯加固后空心板整體強(qiáng)度提升。

圖16 最不利測點(diǎn)剪應(yīng)變測試結(jié)果對比

4 結(jié) 論

(1) 針對傳統(tǒng)加固方法受空心板橋作業(yè)空間的限制,難以實(shí)現(xiàn)空心板橋抗剪加固這一弊端,提出了一種鑿除空心板端部頂板并在端部空腔內(nèi)注入混凝土的空心板橋抗剪加固方法。模型試驗(yàn)結(jié)果表明,抗剪加固后空心板梁抗剪試驗(yàn)荷載極限值為930 kN,是抗剪承載力設(shè)計(jì)值886 kN的1.05倍,說明抗剪加固后空心板梁的抗剪承載能力可以參照《公路橋梁加固設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算。

(2) 填芯加固后空心板腹板發(fā)生開裂時(shí)的荷載較未加固的空心板提高5.1%,極限荷載較未加固的空心板提高19.2%,說明采用局部填芯法進(jìn)行抗剪加固可以有效提高空心板抗剪承載能力,防止空心板在剪力荷載作用下發(fā)生脆性破壞。

(3) 填芯加固后的加載點(diǎn)的撓度比加固前小21.1%,而加固后跨中截面的撓度比加固前小4.0%。說明空心板端部填充的混凝土極大地提高了加載點(diǎn)也就是支點(diǎn)附近的局部剛度,但是對空心板的整體剛度沒有太大的影響。加固后空心板最大剪應(yīng)變比加固前降低20.1%,說明采用局部填芯加固后空心板整體抗剪強(qiáng)度提升。