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对节段式体外预应力混凝土连续梁在负弯矩区受剪性能的试验研究 第 1 页 共 12 页 原文摘自 ASCE Journal of Bridge Engineering 2013 4 328 338 页 由于篇幅有限 仅翻译 328 332 页 余下文章由吕建斌翻译 对节段式体外预应力混凝土连续梁在负弯矩区受剪性能的试 验研究 李国平 张春雷 牛长彦 摘要 体外预应力技术在桥梁上得到了广泛的应用 尽管在之前的测试中取得了很大 的进展 但对体外预应力混凝土梁的剪切性能的研究却只集中在简支梁 为了研究接缝 与较大的负弯矩对节段式体外预应力混凝土连续梁的影响 设计了一系列的悬臂梁来模 拟连续梁上的负弯矩区 此外 裂缝的发展情况 破坏的模式 试样不同剪跨的有效高 度比 接缝类型 接缝位置和内外筋比例的力学特性在本实验中都将得以试验 试验结 果表明 节段式试样的破坏裂缝是网状的剪切裂缝 这些裂缝的位置和倾角都不受接缝 的影响 最终 试样两侧的裂缝发生相对位移并且试样突然失效被破坏 结果也显示了 部分试样的挠度在开裂后变化的相对快 并且压力增加量将会达到预应力筋抗压强度的 20 24 远大于那些整体试样的抗压强度 另外 由连续梁中混凝土提供的抗剪强度要 小于简支梁中混凝土提供的抗剪强度 并且箍筋和预应力筋对抗剪强度的贡献别分只有 14 21 和 8 18 在这之中 连续梁中箍筋的作用要大于简支梁中箍筋的作用 CE 数据库主题词 混凝土桥 预应力钢筋混凝土 连续梁 接缝 剪切破坏 开裂 作者关键词 体外预应力 连续梁 接缝 剪切破坏 开裂 前言 体外预应力技术在混凝土桥梁中已经运用了三十多 之前的研究已经表明 在使用极限 状态下体外预应力与体内预应力结构的受力特性没有明显的区别 然而 在承载能力极 限状态时却有不同 体外预应力筋筋锚固在梁的两端 导致其应力增量有限 屈服点难 对节段式体外预应力混凝土连续梁在负弯矩区受剪性能的试验研究 第 2 页 共 12 页 以达到 在对使用中的外部预应力混凝土桥的研究的基础上 发现许多的外部预应力技术已 经被用于分段拼装式桥梁 Virlogeux 1993 Corven 1993 Eibl 1993 Muller 1993 大 量的实验应经在整体和节段式的外部预应力梁上实施了 Foure等 1993a b Rezend en Martins等 1993 Ramirez等 1993 Aparicio等 2002 Li 2007 Saibabu等 2009 并且结果表明接缝对裂缝的形成以及梁的失效有着巨大的影响 Tan和Tjandra 2003 发表了外部筋的剪切缺陷对于加强梁的抗剪强度的报告 而 Li 2007 继续在外部预应力混凝土梁上进行试验 继而指出了整体梁的抗剪性能与那 些有接缝梁的抗剪强度的不同 然而 当汇总之前的成果时 可以看到对节段式外部预 应力混凝土梁的研究主要集中在抗弯强度上 Foure等 1993b Rezende Martins等 1993 Naaman and Jeong 1993 Dronnadulla 1993 Li andZhang 2007 Tan and Tjandra 2007 Ng 2003 Harajli 1993 而在抗剪强度方面在文献中只有有限的试验被报道了 实验集 中在简支梁的抗剪性能和连续梁的抗弯剪性能 Aparicio等 2002 Ramirez等 1993 Li 2007 Buyukozturk等 1990 Turmo等 2006 在负弯矩区域附近 连续梁内部提供的 弯矩和剪力相较于简支梁而言是相当大的 大部分早先的研究都没有考虑外部预应力连 续梁这些区域的抗剪性能的特点 Foure等人 1993a 设计了一系列试验 实验中用六片 T型截面外部预应力悬臂梁来模拟连续梁的负弯矩区 并研究内部预应力梁与外部预应 力梁抗剪强度的不同之处 然而 接缝处在力学特性上的影响却没有被他们的实验所囊 括 因此 研究节段式外部预应力混凝土连续梁在负弯矩区的抗剪性能以及调查在荷载 下梁开始产生裂缝失效的来龙去脉是很有益处的 在这篇论文中 总共有十片外部预应 力混凝土悬臂梁被设计出来并进行测试 来模拟节段式外部预应力混凝土连续梁的负弯 矩区 负弯矩区的抗剪强度将会得到研究 并且剪跨对有效高度比 剪跨比 内外筋 比例 接缝位置和接缝类型的力学特征和抗剪承载力的影响也会被研究 实验方案 在研究中 四个主要的设计参数需要考虑 剪跨比 内外筋比例 接缝类型和接缝位置 一系列的剪跨比 m 51 40 2 20和2 92 被设计出来证明Ramirez等人 1993 的报告 报 对节段式体外预应力混凝土连续梁在负弯矩区受剪性能的试验研究 第 3 页 共 12 页 告称外部预应力混凝土梁在不同的剪跨比下初始的剪切裂缝形式 最终破坏剪切裂缝和 破坏机理均存在差异 三种内外筋比例 即1 0 4 3和11 3 被选来研究内部筋在破坏 时在结构延性中的改善 此外 两种接缝类型 干接缝和环氧基树脂接缝 和接缝位置 被支撑点和节点之间的距离划分 也被包括在内 试样设计 根据相似理论 实验精度要求和实验条件 一个1 6的相似模型被选做为实验模型 这 个模型模拟了一个三车道的标准箱型梁 在中国这种梁通常用作告诉公路桥 钢筋用在 模型上和用在试样上具有相同的力学性能 但用在试样上的混凝土混合了一些小型的聚 合物 因为制造一个按比例缩小尺寸和配置的试样是困难的 并且是不可能在这种规模 的箱型梁上布置外部筋 而一个工字型的模型原则上在近似的中性轴 上凸缘区和截面 面积方面等同于同等规模的箱型截面 图1 图1 截面尺寸 mm a 原型截面 b 试样尺寸 每个试样都由一个测试区和非测试区组成 总长为2350mm 同时为满足实验室的空 间限制 被实验区的长度被缩至1025mm 如图2所示 钢绞线 s15 2 标称直径 15 2mm 正截面面积140mm2 由7 5mm钢丝组成 被选为预应力筋 预应力筋数量 的选取基于实际建筑预应力的等级 钢绞线钢丝的一部分已被修剪过来调整截面面积 增加的箍筋数和纵筋的长度布置都应避免非实验区域的剪切或弯曲破坏先于实验段 纵 筋为6 16mm螺纹钢 屈服强度为363MPa 钢筋比应为3 确保在实验段中剪切破 对节段式体外预应力混凝土连续梁在负弯矩区受剪性能的试验研究 第 4 页 共 12 页 坏先于弯曲破坏发生 实验段中0 34 的箍筋比由 6mm的螺纹钢 屈服强度为320MPa 组成 间隔为150mm 图2 试样细节 mm a 正面图 b 横截面图 干接缝和环氧基树脂接缝通常用于节段式预应力混凝土桥 之前的实验结果表明裂 缝仅在混凝土的环氧基树脂接缝附近形成 这是因为环氧树脂有较高的抗拉强度 这次 实验的目的是为了调查试样的整体抗剪性能 因此 环氧基树脂接缝用在接缝截断纵向 筋以及混凝土浇筑二者模拟 干接缝处多样的由于相应的浇筑形成的剪力键均位于腹板 图3 考虑到实习箱型梁的分段长度为2 3m且比例为1 6 应将试样中分段长度定为 400mm 如图2 a 中所示 接缝位置应该从支撑点起选择一段或是这一段的一半 试 样参数汇总在表1中 图 3 干接缝的细节 a 剪力键的规模 mm b 干接缝照片 表1 样本参数汇总表 对节段式体外预应力混凝土连续梁在负弯矩区受剪性能的试验研究 第 5 页 共 12 页 注 M 整体试样 S 分段试样 s15 2钢丝束在三线处切断但不移除 剩下部分的有效面积达80mm2 s15 2钢丝束在单线处切断但不移除 剩下部分的有效面积达120mm2 试样材料 试样中所使用的混凝土相当于现实中强度为C50 C60桥梁中使用的混凝土 基于中国规 范 JTGD62 2004 中华人民共和国交通部 C50 C60的混凝土立方28天抗压强度为 50 60Mpa 混凝土由普通硅酸盐水泥 520kg m3 河沙 684 kg m3 级配砾石 石 灰岩 尺寸为5到20mm 1 024 kg m3 添加剂 2 6 7 8 kg m3 和自来水 188 kg m3 组合 立方在测试中的实际抗压强度为62 5Mpa 通过拉力测试之后获得试样中的普通钢筋和钢丝线的应力应变曲线 同时它们的力 学性能均被记录在表二中 表2 试样中一般钢筋与钢绞线的力学性能表 钢丝存在 1 的压力延展 对节段式体外预应力混凝土连续梁在负弯矩区受剪性能的试验研究 第 6 页 共 12 页 试样的制作 首先安装钢筋笼 然后放置预应力管道和锚具 紧接着浇筑混凝土 在制作的最后阶段 将试样移至实验室的实验台上 在试样移至实验台之前 一些钢筋需要部分张拉 对S1 S2 S3 S4外部筋直接张拉至设计值的30 而部分钢筋需要完全张拉 对S5 S6内 部筋和S7外部筋进行多段张拉 加载前 每根预应力筋需要用千斤顶拉至0 67 0 76fu 逐根进行 由于不可避免的预应力损失 样本中有效预应力fpe仅为0 40 0 50 fu 实验仪器 以10KN为一级进行加载直到试样被破坏 使用YDC240Q千斤顶张拉预应力筋 用 ZB4 500 OVM机械有限责任公司 超压电子油泵进行张拉和加载 使用反力架和机械 千斤顶对试样顶部进行挤压 以防加载过程中试样与支撑点分离 实验装置如图4所示 图4 实验装置图 在实验区域 应变仪被放置在每根预应力筋的中部 箍筋与倾斜裂缝的交叉处 上 下表面以及加载点附近和支点A处 以观察压力的变化 应变仪电阻花测量混凝土肋板 表面的主要压力等级 变形量和位移由支点A到接缝之间的贴在加载点 支撑点 接缝 对节段式体外预应力混凝土连续梁在负弯矩区受剪性能的试验研究 第 7 页 共 12 页 和中点的位移传感器测得 在每一级荷载下 应变仪与位移传感器传来的数据都记录下 来 同时观察裂缝并根据其产生的先后顺序编号 贴在箍筋和预应力筋上的位移传感器 和应变仪如图五所示 其中钢筋的命名为 首字母I或E分别表示钢筋的类型 即I代表内 部筋E代表外部筋 第二个字母P或S表示钢筋的类型 即P表示直线型钢筋S代表折线型 的钢筋 图5 箍筋上位移传感器与应变计的布置 实验结果 试样的情况由裂缝的形式 破坏形式 荷载与挠度和外部筋的负载和的应激反应评 估 实验结果表明 对于所有的试样 混凝土的压应变在受压区随着荷载的增加而增加 最大在试样下表面支点A处 开始时箍筋受到的力很小 一旦裂缝与箍筋相交 箍筋会 突然达到屈服强度 且此处箍筋受到的拉力远大于其他区域的箍筋 整体试样 M 1 M 2 M 3 裂缝扩展与破坏模式 弯曲裂缝从试样顶面支点A附近开始出现 网状裂缝 裂缝1 出现在距隔板150mm的腹 对节段式体外预应力混凝土连续梁在负弯矩区受剪性能的试验研究 第 8 页 共 12 页 板上 这一裂缝以与水平面呈40 50 角从地面延展到隔板翼缘处 继续加载 裂缝2出 现在腹板较高处 用z表示裂缝到支点的距离 当z d时 使支点A与水平面呈30 40 角 M 1和M 3的裂缝3出现在距裂缝2右侧的150mm处 并且分别以与水平面呈25 和30 角的方向延伸至支点A 试样在破坏时 支点A附近的下翼缘被压碎 试样发生较大的相对变形 整体试样 破坏后裂缝的形式和照片如图六中所示 图中虚线指明了裂缝的发展 图6 整体试样破坏后裂缝的形式和照片 a M 1 b M 2 c M 3 力学特征 外部筋所受压力随加载而增大 在裂缝出现前 压力增长的相对较小 在裂缝出现后 增长就变大了很多 相较而言 试样的变形了增长的相对平稳 受裂缝影响较小 图7 对节段式体外预应力混凝土连续梁在负弯矩区受剪性能的试验研究 第 9 页 共 12 页 图7 挠度曲线和外部负载预应力筋曲线 a M 1 b M 2 c M 3 环氧基树脂接缝试样 S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 裂缝扩展和破坏模式 距支点A一段距离的试样接缝处的裂缝具有相似的特点 S 1 S 2 S 3和S 5 裂缝的 形成出现在试样的顶部支点A附近 这里是弯曲应力最高的地方 随着荷载的增加 网 状裂缝 S 1 S 3 S 5 和曲线裂缝 S 2 在距隔板约100mm的腹板上形成并与水平 面呈35 50 角向下往隔板延伸 随着继续增加 网状裂缝先后出现 裂缝2 裂缝3 其中一条或几条最终发展成为破坏裂缝 这组破坏裂缝沿着上翼缘到支点A一线呈 30 40 角发展 并最终造成上翼缘处接缝开裂 在试样S 2中 上翼缘开裂先于裂缝1 是由于更高等的弯矩 而裂缝2的形成要归因于上翼缘支点A附近的开裂 S 2的突然破 坏是沿着裂缝2 在试样S 5中 裂缝2和3是伴随着响声和突然的卸载出现的 然后 斜 裂缝4从裂缝2处产生并从裂缝2和3之间延伸到支点A 两个样本接缝距支点A为一半段长 S 4和S 6 弯曲裂缝也是首先出现在每个试 样上部接近支点A处 随后两网状剪切裂缝出现在腹板接缝处支点A附近 并分别与水 平面呈40 和20 角向下往隔板延伸 然后向上延展 致使上翼缘接缝裂开 试样S 4 由于裂缝的出现导致卸载 随着荷载的增加 裂缝3突然发展至连接支点A和两接缝之间 的上部翼缘和腹板的连接面 然后它会发展至上翼缘同时使试样被破坏 在试样S 6中 试样相当广泛 在腹板上裂缝2出现在裂缝1右侧约250mm处 并与水平面呈30 角向腹 板中部延伸 在这之后 新的裂缝从裂缝1中分裂出 并横穿裂缝2 一些小的斜裂缝在 接近裂缝2下部产生 图8展示了裂缝的形式 对节段式体外预应力混凝土连续梁在负弯矩区受剪性能的试验研究 第 10 页 共 12 页 图8 环氧基树脂接缝裂缝形式 试样两侧向破坏裂缝移动 并且试样突然被破坏 同时混凝土完全破碎 下翼缘钢 筋发生弯曲 并且 腹板出的混凝土大量的压碎和开裂 同时记录上翼缘接缝的开裂情 况 对于试样S 1 压碎现象发生在受压区 支点A附近区域 这被称为剪压破坏 S 3 试样的失败是由于腹板对角线方向的混凝土在箍筋达到屈服强度之前被压碎 这就是对 角压缩破坏 环氧基树脂接缝的破坏照片如图9所示 图9 环氧基树脂试样破坏后照片 a S 1 b S 2 c S 3 d S 4 e S 5 f S 6 力学特性 开裂前 挠度与预应力钢筋的应力随荷载的增加而增加 开裂后 增加的荷载主要由外 部预应力筋提供的拉力抵抗 因为纵向筋在接缝处并不连续 因此 产生较大的变形和 预应力筋受力增加 S 3试样的挠度和预应力筋受力不断增加知道破坏为止 在实验过 对节段式体外预应力混凝土连续梁在负弯矩区受剪性能的试验研究 第 11 页 共 12 页 程中没有明显的转折点