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        新型銷接鋼筋鉸縫彎剪復(fù)合作用下傳力性能

        2021-10-08 07:58:40陳記豪郭明臻卞華偉
        科學(xué)技術(shù)與工程 2021年26期

        陳記豪, 郭明臻, 范 林, 卞華偉, 董 鑫

        (華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院, 鄭州 450045)

        裝配式空心板橋是中外中小跨徑橋梁應(yīng)用最廣泛的一種橋型[1-3]。鉸縫沿橋跨方向?qū)⒏髌v梁連成整體而協(xié)同工作,是該類橋梁的重要組成構(gòu)件。室內(nèi)模型試驗(yàn)[4]和現(xiàn)場原型試驗(yàn)[5]均表明:空心板橋最先發(fā)生開裂的部位是空心板與鉸縫的結(jié)合面,鉸縫破壞先于空心板。鉸縫耐用性較差是該類橋的一個(gè)薄弱點(diǎn)[6]。鉸縫傳力機(jī)理是該類橋維修加固提升耐用性的前提,十分有必要研究鉸縫傳力機(jī)理。

        種永峰[7]空心板橋模型試驗(yàn)表明,空心板橋沿鉸縫與空心板界面開裂后破壞,配制交叉鋼筋和門式鋼筋的鉸縫傳遞荷載能力較好。唐先習(xí)[8]空心板橋模型疲勞試驗(yàn)表明,一定幅值的疲勞荷載不足以引起鉸縫損傷,超載車輛產(chǎn)生的疲勞作用會(huì)產(chǎn)生較嚴(yán)重的破壞,鉸縫試驗(yàn)中橫向拉壓力和豎向剪應(yīng)力是引起其破壞的關(guān)鍵因素。王渠等[4]深鉸縫足尺寸空心板橋荷載試驗(yàn)結(jié)果表明,在彎拉作用下鉸縫沿與空心板結(jié)合面由底部向頂部開裂而形成通縫,開裂荷載值為70 kN。葉見曙等[1]采用深鉸縫的抗剪試件,分析了預(yù)留凹槽與人工鑿毛法界面粗糙處理后鉸縫抗剪性能,結(jié)果表明預(yù)留凹槽法界面黏結(jié)力較高且破壞呈現(xiàn)一定的延性。文獻(xiàn)[4]與文獻(xiàn)[1]試驗(yàn)采用相同的鉸縫尺寸,分別實(shí)施了足尺試驗(yàn)和抗剪試件模型試驗(yàn),文獻(xiàn)[1]試驗(yàn)得到鉸縫開裂荷載和極限荷載分別為135、230 kN,而文獻(xiàn)[4]試驗(yàn)所得開裂與極限荷載分別為70、140 kN。顯然,抗剪試件所得抗剪承載力明顯高于實(shí)際結(jié)構(gòu),因而抗剪試件反映了鉸縫抗剪性能,但并不能反映彎剪復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下鉸縫受力性能。邱志雄等[9]采用橫斷面足尺寸,寬度為2 m的局部節(jié)段模型實(shí)施了靜載試驗(yàn),結(jié)果表明整體化鋪裝厚度由0 cm增大至15 cm,開裂彎矩提高了112.5%,鉸縫內(nèi)交叉鋼筋在正常使用最大彎矩工況下應(yīng)力值較小,對(duì)鉸縫傳遞彎矩和剪力貢獻(xiàn)較小,這與文獻(xiàn)[7]結(jié)果相沖突。

        綜上可知,裝配式空心板橋破壞始于鉸縫與空心板結(jié)合面破壞得到了大多數(shù)學(xué)者的認(rèn)可,但是鉸縫內(nèi)配筋的作用及鉸縫傳力機(jī)理尚未不明確,尤其是彎剪復(fù)合作用下鉸縫傳力機(jī)理尚未檢索相關(guān)報(bào)道。為提升鉸縫與空心板結(jié)合面及整個(gè)鉸縫的傳力能力,現(xiàn)提出一種銷接鋼筋鉸縫配筋形式,并采用帶鉸縫梁式構(gòu)件進(jìn)行模型試驗(yàn),研究彎剪作用下,其與傳統(tǒng)鉸縫傳力機(jī)理的異同及傳力性能優(yōu)劣,探討鋪裝層厚度和銷接鋼筋鉸縫對(duì)空心板橋鉸縫傳力性能的影響規(guī)律,以期為該類橋梁提供一種新的配筋形式,進(jìn)而提升其耐用性。

        1 銷接鋼筋鉸縫及其模型設(shè)計(jì)、制作

        1.1 新型銷接鋼筋鉸縫

        鑒于鉸縫本身并未破壞,僅是結(jié)合面產(chǎn)生了黏結(jié)破壞,因而重點(diǎn)是提高結(jié)合面抗拉能力。結(jié)合面開裂后橫向拉力全部由鋼筋承擔(dān),因而本課題組發(fā)明了圖1所示銷接鋼筋形式[10],該方案去掉了交叉鋼筋,增加了若干層鉸縫抗拉鋼筋,鉸縫兩側(cè)空心板內(nèi)伸出的抗拉鋼筋在鉸縫內(nèi)通過銷接鋼筋連接起來,克服了鉸縫狹小,抗拉鋼筋錨固長度不足的難題?;诖?,通過試驗(yàn)研究銷接鋼筋鉸縫與傳統(tǒng)的傳力機(jī)理及其傳力效果。

        圖1 新型銷接鋼筋鉸縫示意圖[10]Fig.1 Schematic diagram of new pin-connected rebar of the hinge joint[10]

        1.2 模型設(shè)計(jì)

        鉸縫抗剪試件難以考慮彎矩的影響,足尺寸整橋試驗(yàn)體量較大,且難以獲得鉸縫裂縫開展隨荷載的變化情況,也難以進(jìn)行疲勞試驗(yàn),迫切需要?jiǎng)?chuàng)新實(shí)驗(yàn)手段和測試手段。研究表明:鉸縫傳力具有明顯的局部性[4,6,11]:荷載作用于空心板時(shí),橫向上該空心板兩側(cè)的鉸縫受力最大,其余鉸縫受力較??;縱向上荷載作用位置處鉸縫受力最大,其余位置均較小,基本可以忽略。因而,可以在荷載作用處沿橋跨縱向取較小的一段鉸縫和空心板,研究鉸縫的受力性能。鉸縫主要受剪力和橫向彎矩作用,可采用普通矩形梁代替原縱梁,這就相當(dāng)于在普通梁跨中設(shè)置一個(gè)鉸縫連接,鉸縫的受力狀態(tài)與其在原橋中受力狀態(tài)基本一致,這里稱為帶鉸縫梁。基于此,提出了“一種空心板橋鉸縫承載力測試試件及制作方法和測試方法”的發(fā)明專利(201610219969.7)[12],進(jìn)而得到了本試驗(yàn)所用構(gòu)件尺寸,如圖2所示。鋪裝層厚度為100 mm,配置圖3所示鋼筋網(wǎng)片。

        B2和B4為梁編號(hào)圖2 試件設(shè)計(jì)圖Fig.2 Design drawing of specimen

        圖3 鋪裝層構(gòu)造圖Fig.3 Structure drawing of pavement

        本次試驗(yàn)共2組4個(gè)試件,試件配筋情況如表1和圖4所示,其中B1和B2是傳統(tǒng)鉸縫結(jié)構(gòu)[圖4(a)],B3和B4是新型銷接鋼筋鉸縫結(jié)構(gòu)[圖4(b)]。

        表1 各試件鋼筋配制情況Table 1 Reinforcement preparation of each specimen

        圖4 梁配筋示意圖Fig.4 Schematic diagram of beam reinforcement

        1.3 試驗(yàn)材料

        梁段采用C30混凝土,實(shí)測立方體抗壓強(qiáng)度為35.4 MPa,鉸縫和鋪裝采用C40混凝土,實(shí)測立方體抗壓強(qiáng)度為54.5 MPa??估摻詈徒徊驿摻畈捎弥睆綖?2 mm的HRB400級(jí)鋼筋,實(shí)測屈服強(qiáng)度為431.85 MPa,極限強(qiáng)度為575.78 MPa,伸長率為23%,銷接鋼筋采用直徑為20 mm的HRB400級(jí)鋼筋。

        1.4 模型制作

        如圖5所示,梁段制作養(yǎng)護(hù)28 d后綁扎鉸縫鋼筋[圖5(a)],澆筑鉸縫后自然養(yǎng)護(hù)[圖5(b)]。再養(yǎng)護(hù)28 d后,實(shí)施靜載試驗(yàn)。

        圖5 試件制作與養(yǎng)護(hù)Fig.5 Specimen fabrication and curing

        2 試驗(yàn)加載及測點(diǎn)布置

        加載點(diǎn)位于鉸縫一側(cè)梁段上,具體位置如圖6所示。墊板橫向長度為0.6 m,縱向長度為0.2 m[4]。在鉸縫抗拉鋼筋、交叉鋼筋上預(yù)埋應(yīng)變片(圖4),跨中鉸縫兩側(cè)梁段架設(shè)位移計(jì)(圖6)。

        圖6 加載工況圖Fig.6 Loading diagram

        3 試驗(yàn)加載破壞過程

        所有構(gòu)件裂縫均出現(xiàn)在鉸縫與梁段交接面,B3梁破壞形態(tài)如圖7所示,從加載到破壞,鋪裝與梁段之間未發(fā)生剪切破壞,二者協(xié)同受力性能良好,這與文獻(xiàn)[13]整橋試驗(yàn)結(jié)果一致。試件從開始加載到破壞,可以分為三個(gè)受力階段。

        圖7 B3構(gòu)件破壞照片F(xiàn)ig.7 Destroy photos of B3

        第一階段,鉸縫界面開裂前階段。鉸縫完好,能較好地承載及傳遞荷載,構(gòu)件整體受力。

        第二階段,鉸縫界面裂縫貫通前階段。當(dāng)荷載加到一定數(shù)值時(shí),裂縫沿鉸縫結(jié)合面在構(gòu)件底部在彎拉復(fù)合應(yīng)力下開裂,直至鋪裝層下部。

        第三階段,試件破壞階段。隨著荷載的不斷增加,裂縫沿結(jié)合面向上不斷擴(kuò)展,到構(gòu)件頂部或鋪裝層下部而形成通縫,此后依靠鉸縫抗拉鋼筋傳遞荷載,鉸縫受拉區(qū)鋼筋拉斷,鉸縫破壞而退出工作。傳統(tǒng)鉸縫結(jié)構(gòu)破壞具有突然性,呈現(xiàn)出脆性破壞特征;新型銷接鋼筋鉸縫結(jié)構(gòu)受拉鋼筋自下而上依次破壞,接近破壞時(shí)荷載不再增加而鉸縫處撓度持續(xù)增大,呈現(xiàn)出一定的延性破壞特征。

        4 試驗(yàn)結(jié)果分析

        4.1 試件主要試驗(yàn)結(jié)果

        構(gòu)件開裂荷載、通縫荷載和極限荷載如表2所示。B2開裂荷載比B1提高了7.7%,B4開裂荷載比B3提高了9.8%,B2通縫荷載比B1提高了114.3%,B4開裂荷載比B3提高了61.3%,B2極限荷載比B1提高了25.9%,B4開裂荷載比B3提高了58%,說明鋪裝層提高了鉸縫的開裂、通縫和極限荷載,尤其對(duì)通縫荷載和極限荷載提升效果顯著。銷接鋼筋鉸縫的傳力性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)鉸縫,其開裂、通縫和極限荷載均高于傳統(tǒng)鉸縫,B4、B3分別比B2、B1的極限荷載提升了88.2%、50%。鋪裝層對(duì)荷載有一定的擴(kuò)散作用,將直接作用在鉸縫上的荷載進(jìn)行力的重分布,延長了力的傳遞路徑,提高了鉸縫的傳力性能。銷接鋼筋鉸縫增強(qiáng)了鉸縫與梁體的聯(lián)系,提高了鉸縫傳力能力,銷接鉸縫鋼筋與鋪裝復(fù)合作用下,極大提升了鉸縫的傳力能力。

        表2 承載力試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of bearing capacity

        4.2 荷載應(yīng)力試驗(yàn)曲線

        門式鋼筋和銷接鋼筋應(yīng)變片測點(diǎn)如圖8(a)和8(b)所示,部分預(yù)埋鋼筋應(yīng)變片損壞,根據(jù)有效應(yīng)變片測得的應(yīng)力,繪制荷載-應(yīng)力試驗(yàn)曲線如圖8所示。由圖8(c)可知:傳統(tǒng)鉸縫內(nèi)設(shè)置的交叉抗剪鋼筋在受荷過程中應(yīng)力均非常小最大拉應(yīng)力僅為2 MPa,基本可以忽略。如圖8(d)所示,增加鋪裝層后,交叉抗剪鋼筋受力增大,但仍處于較低應(yīng)力水平。如圖8(e)所示,銷接鋼筋將三層抗拉鋼筋連接起來,鉸縫結(jié)合面開裂前,抗拉鋼筋基本不受力,開裂后非加載側(cè)鋼筋基本不受力(測點(diǎn)2、3、7),加載側(cè)底部和中部抗拉鋼筋開始受拉(測點(diǎn)5、6、10),底部拉應(yīng)力大于中部,裂縫貫通后頂部抗拉鋼筋也開始受拉,這說明非加載側(cè)鉸縫界面自始至終未開裂,這與觀測結(jié)果一致(圖7)。

        1~12為鋼筋應(yīng)變測點(diǎn)編號(hào) 圖8 荷載-應(yīng)力圖Fig.8 Load stress diagram

        4.3 荷載-相對(duì)撓度試驗(yàn)曲線

        鉸縫開裂后,加載側(cè)位移大于非加載側(cè),根據(jù)鉸縫兩側(cè)位移計(jì)所得撓度差值(加載側(cè)撓度減去非加載側(cè)撓度)與荷載關(guān)系,繪制荷載相對(duì)撓度差曲線如圖9所示。由圖9可知,B1、B2、B3和B4的開裂時(shí)鉸縫兩側(cè)撓度差分別為0.04、0.00、0.01和0.00 mm;當(dāng)荷載為210 kN時(shí),B1、B2、B3和B4鉸縫兩側(cè)撓度差分別為0.32、0.08、0.16和0.01 mm,增設(shè)鋪裝后,傳統(tǒng)鉸縫撓度差降低了75%,銷接鋼筋鉸縫撓度差降低了94%,這與文獻(xiàn)[14]所得規(guī)律一致,且本文模型試驗(yàn)鋪裝對(duì)撓度的降低幅度高于整橋試驗(yàn)結(jié)果。顯然,鋪裝層能夠減緩裂縫發(fā)展和鉸縫兩側(cè)撓度差,開裂后作用更顯著,這也印證了所提出的銷接鋼筋鉸縫結(jié)構(gòu)傳遞能力顯著高于傳統(tǒng)鉸縫結(jié)構(gòu)。

        圖9 荷載-撓度差圖Fig.9 Load deflection difference diagram

        4.4 荷載-裂縫寬度試驗(yàn)曲線

        鉸縫界面開裂后,當(dāng)荷載繼續(xù)增大,裂縫寬度隨之增大,并沿結(jié)合面繼續(xù)向上擴(kuò)展至受壓區(qū),對(duì)于未加鋪裝層的B1和B3,裂縫貫通了整個(gè)鉸縫;對(duì)于有鋪裝層的B2和B4,裂縫延伸到鋪裝層底部停止擴(kuò)展,鋪裝層限制了裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展。根據(jù)鉸縫底部抗拉鋼筋位置處鉸縫寬度值與荷載關(guān)系,繪制荷載-裂縫寬度試驗(yàn)曲線如圖10所示。由圖10可知,相同荷載下,裂縫寬度B1

        圖10 荷載-裂縫寬度圖Fig.10 Load crack width diagram

        4.5 鉸縫傳力過程分析

        加載初期鉸縫與梁段結(jié)合面未開裂,結(jié)構(gòu)處于彈性階段,鉸縫能夠較好地承受荷載并傳遞荷載,鉸縫彎矩主要依靠結(jié)合面黏結(jié)力傳遞,鉸縫底部的門式鋼筋或抗拉鋼筋未產(chǎn)生拉應(yīng)力。結(jié)合面開裂后,加載側(cè)門式鋼筋(B1和B2)和抗拉鋼筋應(yīng)力(B3和B4)突然變大,鋼筋拉應(yīng)力繼續(xù)隨荷載增大而增大,結(jié)合面自下而上逐步開裂,荷載主要依靠門式鋼筋和結(jié)合面黏結(jié)力傳遞。隨著荷載增大,鉸縫界面裂縫形成通縫,鉸縫兩側(cè)相對(duì)位移顯著增大,依靠門式鋼筋傳遞荷載,鋼筋應(yīng)變隨荷載增加而大幅增大,直至各個(gè)構(gòu)件受拉區(qū)鋼筋被拉斷,鉸縫破壞,荷載無法繼續(xù)傳遞。B3和B4采用了銷接鋼筋鉸縫,其破壞形態(tài)與B1、B2不盡相同:B3、B4受拉區(qū)鋼筋拉斷是呈梯次拉斷,先是最底層的鋼筋斷裂,然后中間層鋼筋斷裂,極限承載力分別比B1和B2增大了50%和88.2%。

        4.6 銷接鋼筋鉸縫傳力效果分析

        由圖9和圖10可知,相同荷載下B2撓度差和裂縫寬度小于B1,B4小于B3,而且B3遠(yuǎn)低于B1,B4遠(yuǎn)低于B2。例如,在250 kN時(shí),B1、B2、B3和B4的撓度差分別為1.09、0.23、0.28和0.01 mm。銷接鋼筋鉸縫B4的撓度差比B2降低了95.6%,B3比B1降低了74.3%。B1、B2、B3和B4鉸縫結(jié)合面裂縫寬度分別為2.75、0.75、0.50和0.26 mm。銷接鋼筋鉸縫B4的裂縫寬度比B2降低了65.3%,B3比B1降低了81.8%。鋪裝層使得B2比B1降低了74.5%,B4比B3降低了48%。因而,銷接鋼筋和增大鋪裝層厚度均可用使鉸縫更好地傳遞荷載,降低鉸縫兩側(cè)位移差和結(jié)合面開裂寬度,銷接鋼筋鉸縫相比傳統(tǒng)的配筋方式在減小鉸縫位移和限制鉸縫開裂上效果顯著。

        5 結(jié)論

        (1)鋪裝層提高了鉸縫的開裂荷載、通縫荷載和極限荷載,與傳統(tǒng)鉸縫相比,帶鋪裝的銷接鋼筋鉸縫彎剪承載力提高了88.2%,不帶鋪裝的提高了50%。

        (2)彎剪荷載作用下,加載側(cè)與鉸縫間荷載傳遞,在鉸縫界面開裂前依靠界面黏結(jié)力,界面開裂后依靠界面黏結(jié)力和抗拉鋼筋,界面裂縫貫通后,依靠抗拉鋼筋傳遞荷載;鉸縫與非加載側(cè)自始至終通過界面黏結(jié)力實(shí)現(xiàn)荷載傳遞。

        (3)在彎剪荷載作用下10 cm鋪裝層銷接鋼筋鉸縫結(jié)構(gòu)的開裂荷載、通縫荷載和極限荷載分別比傳統(tǒng)鉸縫結(jié)構(gòu)提高了28.6%、66.7%和88.2%。銷接鋼筋鉸縫具有良好的傳力性能,克服了傳統(tǒng)鉸縫結(jié)構(gòu)易開裂,傳遞荷載能力差的弱點(diǎn),具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

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