（土木工程专业论文）节段式体外预应力混凝土梁抗剪性能试验研究.pdf

摘要 摘要 体外预应力桥梁抗剪性能的影响因素较多 受力机理复杂 我国 仍缺乏相应的设计指南 在已完成的整体式体外预应力混凝土梁抗剪 性能试验的基础上 进一步试验研究节段式体外预应力梁抗剪性能 为体外预应力混凝土桥梁设计指南的编写提供试验依据 考虑了剪跨 比 接缝数量和布置方式 接缝类型 体内体外预应力配筋比 腹板 厚度等因素 设计并完成了1 2 片简支模型梁试验 观察了模型梁从 张拉预应力到剪切破坏的整个试验过程 记录了裂缝发展及宽度 采 集了混凝土应变 普通钢筋应变 预应力筋应变 梁体位移等数据 通过对比分析 总结各因素对节段式体外预应力梁抗剪性能的影响 并将试验结果与已有规范计算结果相比较 关键词 体外预应力 节段式 抗剪性能 试验 接缝 a b s t r a c t a b s t r a c t t h es h e a rb e h a v i o ro fe x t e r n a l l yp r e s t r e s s e dh r i d g e sa r ec o m p l i c a t e d a n dw o u l db ee f f e c t e db yv a r i o u sf a c t o r s b a s e do nt h ef i n i s h e dt e s t i n g o fs h e a rb e h a v i o ro fe x t e r n a l l yp r e s t r e s s e dm o n o l i t h i cc o n c r e t eb e a m s t h es h e a rb e h a v i o r o fe x t e r n a ll yp r e s t r e s s e ds e g m e n t a lc o n c r e t eb e a m s a r er e s e a r c h e df u r t h e rf o rt h ec o m p i l i n go ft h eg u i d e b o o kf o rt h ed e s i g n o ft h ee x t e r n a l l yp r e s t r e s s e dc o n c r e t eb r i d g e so fc h i n a t w e l v es i m p l y s u p p o r t e db e a m sw i t hv a r i o u sf a c t o r sw e r et e s t e d t h ef a c t o r si n c l u d e d s h e a r s p a nr a t i o n u m b e ra n dl o c a t i o no fj o i n t s j o i n tt y p e s r a t i oo f i n t e r n a lt e n d o n st oe x t e r n a lt e n d o n sa n dw e bt h i c k n e s s t h eb e h a v i o ro f t h eb e a m sw e r eo b s e r v e di nt h ew h o l et e s tp r o c e s sf r o mt h et e n s i o n i n g t ot h ef a i l u r e t h ee x p e r i m e n t a ld a t aw e r eo b t a i n e d s u c ha ss t r a i no f r e i n f o r c i n gs t e e la n dc o n c r e t e s t r a i no fp r e s t r e s s i n gt e n d o n sa n dt h e d e f l e c t i o no fb e a m se t c s e v e r a lc o n c l u s i o nw h i c hi n d i c a t e dt h ei m p a c t o ft h ef a c t o r st ot h es h e a rb e h a v i o rw e r ed r a w n a tl a s t t h et e s tr e s u l t s w e r ec o m p a r e dw i t hk n o w nc o d e s k e yw o r d s e x t e r n a lp r e s t r e s s i n g s e g m e n t a l s h e a rc a p a c i t y t e s t i n g j o i n t h 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集 保存 使用学位论文的规定 同意如下各项内容 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本 学校有权保存学位论文的e r j 屦j 本和电子版 并采用影印 缩印 扫描 数字化或其它手段保存论文 学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务 学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版 在不以赢利为目的的前 提下 学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动 学位论文作者签名 参7 a o 弓年 弓月孑日 经指导教师同意 本学位论文属于保密 在 年解密后适用 本授权书 指导教师签名 年月 日 学位论文作者签名 夕 产 o 吗年 弓月可日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下 进行 研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的 已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体 均已在文中以明确方式标明 本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担 第一章绪论 第一章绪论 1 1 体外预应力技术在桥梁中的应用 1 1 1 体外预应力技术的发展 为了克服钢筋混凝土材料抗拉较弱 易出现裂缝的缺点 f r e y s s i n e t 最早 提出了预应力的概念 并于1 9 2 8 年取得专利 体外预应力的概念也在这一时期 出现 并由德国人d i s c h i n g e r 于1 9 3 4 年将其应用于预应力混凝土梁 在此后 的十几年里 欧洲各国相继建成了一些体外预应力混凝土桥 但是由于当时预 应力筋的极限强度较低导致的预应力效果不理想 以及预应力筋腐蚀带来养护 维修费用较高等两方面的问题 影响了体外预应力技术的发展 上世纪5 0 年代 至7 0 年代 体内预应力技术取代了体外预应力技术在t 构 连续粱等结构中得 到了大力应用 近三十年来 体外预应力技术又逐渐应用到桥梁中 并且发展迅速 原因 有以下几方面 高强钢材的出现 提高了预应力筋的极限强度 较高的永存预应力减少了 预应力筋的数量 从而降低了工程造价 且利于施工 防腐技术的提高 如镀锌 环氧树脂涂层 单股防护钢绞线等 克服了以 前预应力筋容易腐蚀失效的缺点 随着车辆等级的提高和己建混凝土桥梁问题的出现 需要用体外预应力进 行加固和维修 这为体外预应力技术的发展提供了丰富的工程经验 基于以上原因 体外预应力技术被欧美等国家广泛采用 至今己新建了几 十座桥梁 其中p o n c i n 桥主跨达到1 5 5 米 r o q u e b i l l i e r e c a h o r s 桥主跨达到 l l o 米 1 9 9 5 年我国采用体外预应力成功地修建汕头海湾悬索大桥 1 5 4 4 5 2 1 5 4 m 预应力采用体内和体外相结合的混合型配筋形式 嘉浏公路新浏河桥为 3 跨4 2 米简支梁 采用体内和体外相结合的混合型配筋 施工采用节段式混凝 土逐跨拼装施工法 第 章绪论 1 1 2 体外预应力技术的特点 体外预应力混凝土桥有两种布筋方式 单 型和混合型 单一型则全部采 用体外布筋 混合型则部分采用体外预应力筋 配置一定数量体内预应力筋 体外预应力筋大多呈折线型布置 端部锚固在桥梁支座截面或中间横隔梁上 中间通过转向块来改变力筋的方向 体外预应力混凝土桥梁相对于体内预应力混凝土桥梁有诸多优点 如能简 化施工 便于维护 减轻结构自重 增大跨越能力等 更能体现预应力混凝土 结构的优点 具体如下 体外预应力筋只在锚固区和转向块处与混凝土接触 大大减小预应力摩擦 损失 提高预应力效益 对体外预应力筋可进行长期观测 便于旌工 维护及更换 体外预应力筋布置在腹板截面外 可减小腹板厚度 减轻梁的自重 改善结 构受力特性 增大混凝土梁的跨越能力 体外预应力筋由荷载作用引起的应力变化分散在预应力筋全长上 应力变 化幅度很小 对于承受活载较大以及由疲劳控制的桥梁是很有利的 但体外预应力桥梁也存在一些问题 比如 1 结构极限承载力相对较小 体外预应力筋与结构混凝土无粘结 荷载引 起力筋的应力变化沿全长是均布的 预应力筋的应交和同截面混凝土的应变不 协调 达到极限状态时 体外预应力筋的应变增量比体内预应力筋小 因而其 极限抗弯强度低于体内预应力筋梁 2 结构抗裂性较差 相关文献表明 体外预应力混凝土结构的裂缝比体内 预应力混凝土结构的明显增多 3 转向块处容易出现应力集中 在力筋拉力作用下 转向块与腹板 翼板 相连部分将会产生相当大的剪力及集中应力 1 1 3 体外预应力混凝土桥梁的施工方法 一般单箱单室箱粱 其腹板的重量占截面总重的3 0 4 0 若采用体外索 可省去波纹管的预埋孔道 使腹板厚度减小 则可减小结构自重 而且采用体 外索后 结构混凝土的浇筑 普通钢筋的布置 安放更加方便 施工质量更加 可靠 从而可以提高结构的耐久性 体外预应力混凝土桥梁通常采用现浇式或 第一章绪论 预制拼装施工方式 根据不同的设计要求及施工方式 现浇旌工可分为逐跨现 浇及悬臂现浇两种 逐跨现浇施工法适用于跨径为3 0 5 0 m 的多跨连续粱或多跨简支梁 该旌 工方法使得桥梁上部结构的受力最好 构造和配筋等设计计算最容易 流程为 支架上现浇整体一跨 张拉预应力后 移动支架浇注下一跨 悬臂现浇施工法中 大多采用体内 体外混合配筋方式 适用于大跨径变 高度的连续梁桥或连续刚构桥 体内力筋按各施工阶段承受自重及施工荷载内 力选配预应力筋 体外力筋按承受二期恒载和活载内力选配预应力筋 各节段 的接缝处应让适量的非预应力有粘结钢筋通过 并考虑其作用 这将大大提高 梁在弯曲承载能力极限状态时的延性 如土耳其的主跨为1 1 5m 的伊姆拉霍尔 高架桥 预制拼装可充分发挥工业化生产的优点 诸如 混凝土浇注质量易于保证 梁体几何线形易控制 存放时间长 后期混凝土收缩徐变影响小 节段的预制 可与下部结构施工同时进行 上部结构拼装架设快 工期短等 预制拼装可分 为逐跨拼装及悬臂拼装两种 逐跨拼装施工法中 各预制节段间为千接缝 腹板端面设复式剪力键以承 受剪力 配筋方式可采用混合配筋或单一体外配筋 一般为减少簏工工序 加 快速度而采用全部体外配筋 这种施工方法将梁体在制粱厂分段预制 然后在 一跨内安放桁架 在桁架上对梁的各段进行组拼 张拉 再移动支架到下一孔 它具有施工速度快 构件易标准化设计和生产等优点 而常被用于工期要求短 的桥梁架设 如美国主跨为4 3 2 m 的七英里桥及主跨为3 6 m 的长礁桥等 悬臂拼装法施工中 各预制节段间非预应力钢筋被断开 梁的整体刚度有 所降低 但悬臂拼装具有旌工速度快 省工期 节段预制质量好等优点 在桥 梁旄工中也常应用 如法国主跨为1 1 0m 的雷岛大桥和主跨为1 0 0m 的阿维尼 翁铁路高架桥等 在顶推施工方式中也采用了体外预应力技术 施工中所需的施工临时索大 多是体外预应力索 顶推法施工主要适用3 0 6 0 m 跨径的等高度连续箱梁架设 具有施工设备少 工序少 省劳力 省工期等优点 缺点是施工时受力状态与 使用时受力状态福差较大 部分配筋只为满足施工需要 体外配筋能改善这一 缺点 利用体外索可拆卸的优点 将体外临时索拆下以补充体外永久索 而且 可以减少腹板厚度 减轻自重达到节省用钢量 所以在顶推法施工中常采用体 第一章绪论 外预应力技术 如日本主跨为5 0 m 的岩滑泽桥 法国的主跨为5 3 6 m 的沙罗勒 c h a r o l l e s 桥等均采用顶推施工法 1 2 论文选题背景及研究内容 1 2 1 论文选题背景 体外预应力和传统的有粘结预应力在受力机理 计算模式上都有不同 需 要大量试验来验证其性能以及两者之间的异同 相关文献资料表明 体外预应 力结构由于预应力筋与混凝土之间无粘结 剪切破坏更容易发生 桥梁结构大 多处于弯剪复合状态 影响剪切破坏的因素较多 剪切破坏的模式也有多种 正是由于剪切破坏机理的复杂性 至今仍没有全面 统一的解释 剪切破坏属 于脆性破坏 发生时没有征兆 比抗弯破坏更危险 此外 不同的施工方法也会影响结构的抗剪性能 整体施工不存在按缝 而悬臂拼装等施工方式都存在接缝 接缝导致梁体在承载极限状态时整体刚度 下降很快 变形较大 承载能力降低 而接缝又分为湿接缝 胶接缝 干接缝 等不同类型 相互之间的力学性能也存在差异 二十世纪八十年代开始 以美国的长礁桥为现代体外预应力技术发展的标 志 以法国为首的欧美国家开始大量修建体外预应力桥梁 并且应用于多种桥 型 比如多跨箱梁桥 刚构桥 连续波形钢腹板粱桥 连续桁架腹板梁桥等 美国于1 9 8 9 年通过了 节段式混凝土桥梁设计和旌工指导性规范 a a s h t o g u i d es p e c i f i c a t i o nf o rt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fs e g m e n t a lc o n c r e t e b r i d g e s 进一步促进了体外预应力技术的推广 我国于1 9 9 0 年建成通车的福州洪塘大桥的引桥采用了体外预应力结构 2 0 0 1 年建成通车的沪杭高速公路的长浜里立交桥 是一座三跨连续箱梁桥 采 用整体现浇 体内有粘结和体外无粘结相结合的方法 另外 体外预应力技术 也大量应用于旧桥的加固与维修中 在体外预应力技术越来越被桥梁工程界所 重视并得到了大力推广的同时 我国却没有相适应的规范 也缺乏专门的体外 预应力桥梁抗剪性能的计算公式 设计规范 而现有的传统计算模式并没有被 证明适用于体外预应力结构 只有通过试验才能获得极限承载力 这就迫切需 要结合我国实际 依据试验 制定一部有关体外预应力混凝土桥梁的设计指南 4 第一章绪论 结合交通部 公路体外预应力混凝土桥梁设计指南 的编写和科技部 山区公 路高架桥新结构于施工方法研究 一节段施工体外预应力混凝土桥梁研究项目 本文主要进行节段式体外预应力混凝土梁抗剪性能的试验研究 完善体外预应 力混凝土桥梁结构性能的系统试验研究 为 指南 的编写提供试验数据 1 2 2 国内外研究进展 由于抗剪机理的复杂性 影响因素的多样性等 现有的文献资料对于体外 预应力混凝土结构抗剪性能仍没有全面的解释 近年来 国内外在无粘结和体 外预应力梁抗剪方面做了不少试验研究 b e r n a r df o u r e 和l o n gh u n gh o a n g 等通过6 片双t 形截面的体外预应力混 凝土梁抗剪试验 1 研究了整体式模型梁中混凝土强度 抗剪钢筋 预应力 筋布置方式 体内体外预应力比 腹板厚度等因素的影响 试验表明其抗剪承 载力要比有粘结预应力低1 0 左右 k i a n g h w e et a n 和c h e e k h e o nn g 等通过7 片t 形截面的直线形体外预应 力混凝土梁抗剪试验 研究了整体式模型梁中砼强度 配箍率和剪跨比等因 素对抗剪强度及破坏模式的影响 其中只有2 片发生剪切破坏 试验表明降低 混凝土强度或配箍率将导致剪切破坏 r a m i r e z 等进行了1 2 片t 形截面的无粘结预应力混凝土梁的抗剪试验 研究了节段式模型梁中剪跨比 接缝类型的影响 试验表明随着剪跨比的增大 破坏方式有斜压逐渐转变为剪压破坏 梁体的刚度在接缝开裂后迅速下降 不 同类型的接缝对抗剪极限承载力的影响很小 a p a r i c i o 等进行了2 片箱形截面的体外预应力湿凝土梁的抗剪试验 集 中研究了干按缝模型梁中不同加载方式对极限承载力的影响 试验中只有两点 加载的模型梁发生弯剪破坏 试验表明体外预应力筋的应力增量较大 临近破 坏时干接缝开裂较大 混凝土剪力只由顶板来承担 国内这方面试验包括 9 0 年代初重庆交通学院做了2 5 片无粘结预应力混凝 土梁斜截面承载力研究n 8 m 2 2 2 得出缺少有粘结预应力筋的 销栓 作用及 对裂缝开展的抑止 无粘结预应力混凝土梁的抗剪承载力要小于有粘结预应力 并在统计分析的基础上得出无粘结预应力混凝土梁半经验半理论的抗剪强度公 式 第一章绪论 哈尔滨工业大学做了1 2 片钢筋混凝士加固试验 1 其中5 片为抗剪试验 所用混凝土强度较低 得出经过体外预应力加固的混凝土梁可以大幅提高其抗 剪承载力 已有的文献资料表明 对体外预应力混凝土桥梁抗剪承载力的试验研究仍 然存在以下不足 第一 缺乏系统的试验 各自进行的试验数量较少 难以全 面反映各种因素对抗剪承载力的影响 第二 采用节段法施工的桥梁存在接缝 已有的试验大多集中于接缝剪力键局部性能的研究 而缺少针对有接缝体外预 应力混凝土梁的整体试验 同济大学桥梁系于2 0 0 1 年开始了体外预应力混凝土梁的系列试验 其中已 完成的包括1 4 片模型梁抗弯试验 1 1 片整体式模型梁抗剪试验 这其 中考虑的因素包括有 剪跨比 配箍率 预应力筋线形 预应力度等 本文的 试验内容包括研究上述因素对节段式模型梁抗剪承载力的影响 对整体式 节 段式模型梁做出对比 以及对整体式模型梁抗剪系列做一些试验补充 1 2 3 本文研究内容 本文在已完成的整体式体外预应力混凝土梁抗剪系列试验的基础上 针对 体外预应力混凝土桥梁中常用的如悬臂拼装 逐跨拼装等施工方法 结合我国 公路桥梁的实际情况 进行节段式体外预应力混凝土梁的抗剪缩尺模型试验研 究 实验研究内容为 1 研究剪跨比对节段式体外预应力混凝土梁抗剪性能的影响 2 研究节段接缝位置 数量对节段式体外预应力混凝土梁抗剪性能的影响 3 研究体内 体外预应力配筋比对节段式体外预应力混凝土梁抗剪性能的 影响 4 研究腹板厚度对节段式体外预应力混凝士梁抗剪性能的影响 5 研究接缝类型对节段式体外预应力混凝土梁抗剪性能的影响 在试验的基础上 分析以上参数对节段式体外预应力混凝土梁抗剪承载力 的影响 并将试验结果与已有规范公式进行比较 对体外预应力混凝土梁抗剪 性能提供一些初步规律 第二章节段式模型粱抗剪试验 第二章 节段式体外预应力混凝土模型梁抗剪试验 2 1 试验目的及规划 根据施工方法的不同 体外预应力混凝土模型梁抗剪试验分为两个系列 整体式和节段式 试验将研究不同参数对模型梁剪切破坏过程及抗剪性能的影 响 通过对比分析 总结施工方法和接缝对体外预应力混凝土桥梁抗剪承载力 的影响 整个试验共规划进行2 5 片模型梁试验 其中整体式系列1 3 片 节段式系 列1 2 片 整体式系列试验参数包括 剪跨比 配箍率 预应力度 预应力线形 体内体外预应力筋比 腹板厚度等 节段式系列的试验参数包括 剪跨比 加 载点到接缝距离 接缝数量 腹板厚度 体内体外预应力筋比以及接缝类型等 试验过程中 采集的数据与观测的内容包括 1 模型梁的破坏荷载及形态 2 斜裂缝出现的时问 位置 3 斜裂缝的宽度 长度 4 模型梁腹板主应变及上 下翼缘压应变 5 模型梁箍筋应变 6 预应力筋应力 本论文主要进行节段式系列1 2 片模型梁试验 同时补充进行整体式系列2 片模型梁试验 模型梁的参数见参数汇总表 p 1 4 页表2 3 2 2 模型梁设计 节段式体外预应力混凝土桥梁 可采用逐跨拼装或悬臂拼装等施工方式 在国内外已有的工程实例中 大多是单室单箱的箱梁 抗剪系列模型梁试验的 原型采用我国公路桥梁中常用的三车道标准箱梁 笙三量堇墼茎堡型墨垫堕垫墼 2 2 1 模型梁截面 原型梁截面尺寸如图2 1 根据结构试验的要求 模型梁严格按照几何相似 及材料相似原则进行设计 图2 1 原型梁截面图 单位 c m 完全按照箱梁原型进行缩尺 则不可能在模型腹板内布置预应力筋 且模 板制作 拆模会比较困难 所以试验采用工字型截面替代箱梁截面 并且考虑 截面上下缘有效分布宽度 保持两者的面积 抗弯惯矩 中性轴高度基本不变 并考虑了剪跨比 配箍率 体内及体外预应力线形等参数及试验室场地限制等 条件后 采用l 6 缩尺比例来制作模型梁 模型梁截面尺寸见图2 2 模型梁高 4 0 c m 上翼缘宽度6 0 c m 厚度6 c m 下翼缘宽度2 1 c m 厚度5 c m 截面转换过 程见图2 3 l 一 塑 一 2 2 2 模型梁构造 图2 2模型梁截面图 单位 a m 模型梁采用两点对称加载 结合试验场地条件 模型梁长度为l 3 5 0 c m 计 算跨径l o 3 1 0 c m 在跨中设置一个转向块 在梁端设置锚固端块 用于锚固预 应力筋及防止模型梁的侧倾 模型梁由试验段和非试验段组成 在非试验段通 过加密箍筋和不布置接缝等方法来避免剪切破坏的发生 玎 剁二 尊 墨三望羔壁塞堡型墨垫望垫堕 一 一 一 图2 3截面转换示意图 体外预应力筋采用直线形或折线形布置 折线形预应力筋的弯起角度为 4 6 8 根据预应力度的不同 采用不同数量的3 丝或7 丝钢绞线 普通钢筋中 箍筋为中6 光圆钢筋 试验段内箍筋间距为1 5 c m 其他间距 为5 c m 上翼缘纵向为巾8 光圆钢筋 共6 根 架立钢筋及端锚块内骨架为巾8 光圆钢筋 下翼缘纵向为由1 6 螺纹钢筋 共6 根 详细布置见图2 4 节段式系列模型梁的尺寸 预应力筋及普通钢筋与整体式系列模型梁相近 或相同 这有利于对两种不同施工方式模型梁的抗剪承载能力进行比较 j 1 7 1 钢筋尺寸咀毫米计 图2 4模型梁细节及加载示意图 单位 c m 篁三兰芏壁茎堡型墨亟蔓笪壁 2 2 3 剪力键的模拟 实际工程中有湿接缝 胶接缝 干接缝三种方式 对于采用干接缝和胶接 缝施工的桥梁 为了较好地传递剪力 在节段的接缝位置要设置剪力键 剪力 键的受力性能主要决定于两个方面 键块的剪切与承压面上的摩阻 剪力键有 单键 复式键两种 通常在顶板和底板布置多个较大的单键 在腹板布露复式 剪力键 其受力均匀程度较好 抗剪开裂荷载高 r e m i r e z 关于此方面的系列试 验研究表明 几种不同类型接缝对极限破坏模式与承载力影响较小 对于相 同剪跨比 不同接缝类型的节段式体外预应力混凝土梁的破坏模式和承载力是 相似的 本文试验主要集中研究梁的整体抗剪性能 即整体施工与节段施工对抗剪 性能的影响 而非研究剪力键局部的受力性能 节段式模型梁考虑了不同的接 缝方式 胶接缝采用截断接缝处纵向普通钢筋 整体浇注混凝土来近似模拟 干接缝则采用在工字形截面的腹扳位置布置多个复式剪力键来模拟 剪力键尺 寸见图2 5 图2 5复式剪力键尺寸图 单位 c m 2 3 模型梁材料及设备 根据结构模型试验的原理 钢筋混凝土试验一般采用强度模型 即采用与 原型一样的混凝土 预应力筋等材料 这样才能从模型试验的过程 结果得出 原型相应的特性 试验采用与整体式模型梁完全 致的材料 1 0 第二章节段式模型梁抗剪试验 2 3 1 混凝土材料 混凝土强度等级为c 5 0 材料及配合比如下 水泥 安徽海螺牌4 2 5 强度等级普通硅酸盐水泥 旋窑 中砂 普通河砂 细度模数为2 8 粗骨料 碎石 粒径范围5 2 0 m m 外加荆 上海花王化学建材有限公司生产迈地1 0 0 高效减水剂 固体粉末 表2 1c 5 0 混凝土配合比 单位 k g r a 3 水泥水中砂石子 外加剂 l 5 2 01 8 86 8 4 1 0 2 42 6 7 8 测试力学性能的混凝土与浇注时的混凝土为同一批次 测试抗压强度的立 方体试块试件为1 5 1 5 1 5 c m 测试弹模的棱柱体试件为1 0 1 0 3 0 c m 体内 预应力的灌浆料为水泥浆体 测试抗压强度的立方体试块试件为1 5 x1 5 1 5 c m 23 2 普通钢筋和预应力筋材料 测试力学性能所用钢筋和预应力筋的取样与模型用料同时取样 具体的力 学性能见表2 2 表2 2普通钢筋 预应力筋的力学性能 钢材规格d 6d 1 6钢铰线 屈服强度 m p a 3 2 03 6 31 6 7 6 极限强度 m p a 4 2 25 6 71 8 6 0 弹性模量 m p a 1 9 e 0 51 9 e 0 519 5 e 0 5 2 3 3 试验设备 注 按照a s t m 标准取1 的伸k 时的应力 应变测量采用电阻应变计 测量普通钢筋 预应力筋采用3 2 m m 的1 2 0q 应 变计 灵敏系数2 0 6 测量混凝土采用8 0 3 m m 的1 2 0 q 应变计 灵敏系数2 0 6 挠度测量采用y h d 1 0 0 型位移计 数据采集使用东华测试的d h 3 8 1 5 静态应变测 量系统 预应力筋张拉采用0 v m 的y d c 2 4 0 q 型千斤顶 千斤顶油泵为0 v m 的 第二章 节段式模型梁抗剪试验 z b 4 5 0 0 超高压电动油泵 2 4 试验过程及测量内容 2 4 1 试验步骤 在整个试验过程中 模型梁可分为预制 张拉 加载三个基本程序 模型梁的预制分为如下几个步骤 1 模型梁钢筋骨架绑扎 2 普通钢筋及体内预应力筋电阻应变片的粘贴 3 架设模板 预埋体内预应力筋及波纹管 4 混凝土的浇注成型及养护 5 安装体外预应力筋 粘贴应变片 试验过程包含张拉 加载两个程序 张拉程序 因模拟胶接缝模型梁的普通钢筋被截断 必须张拉部分预应力 筋 才能进行吊装及试验仪器安装 在预制场地进行张拉并采集数据 直至加 载前 计入这期间的预应力损失 对于体内有粘结预应力筋 先张拉并采集数 据后再灌浆 待灌浆料养护至设计强度后开始加载试验 计入灌浆料养护期间 的预应力损失 加载前张拉剩余的预应力筋 同时采集数据 采用单端张拉 加载程序 由分载粱 千斤顶和反力架完成 试验采用单调加载 每级加 载完毕记录试验现象和裂缝 混凝土开裂前以3 0 k n 为一级加载 开裂荷载附近 以1 0 k n 为一级加载直至观测到混凝土开裂 开裂后以2 0 k n 为一级加载 每级 加载完毕持续荷载一段时间 同时观测裂缝 采集数据 达到破坏荷载的8 0 时 以1 0 k n 为一级加载并连续采集数据 2 4 2 试验测点布置 试验过程中 观测斜裂缝出现的时间 发展规律和裂缝宽度 测量模型梁 的挠度变化 各阶段预应力筋应力 纵筋和箍筋的应变 试验段梁上下缘应变 及腹板的主应变 根据以上测试目的进行测点布置 图2 6 1 在试验段内每根预应力筋中段贴电阻应变片 研究预应力筋的应力变化 笙三童羔垦塞堡型墨垫蔓堇墅 规律 2 在与斜裂缝相交的每根箍筋上贴卜2 片应变片 研究箍筋应变变化规律 3 在加载点附近及跨中截面的上下缘均贴应变片 研究混凝土应变变化规 律 4 在腹板贴应变片花研究腹板混凝土主应变变化规律 5 在跨中 剪跨长度a 及1 2 a 处梁体下缘均布置位移计 用来分析粱的 整体变形和挠度变化规律 2 5 模型梁参数 图2 6 测点布置示意图 单位 c m 影响体外预应力混凝土梁抗剪破坏模式及承载力的因素较多 参照整体式 系列模型梁的参数 本系列试验主要考虑以下几个试验参数 表2 3 1 剪跨比a h o 反映了剪力和弯矩相对强弱的关系 决定了斜截面的破坏 形式 系列试验选用三种剪跨比 2 1 2 7 3 8 2 接缝的数量及位置 接缝的位置将影响破坏斜裂缝的发展过程 造成不 同的斜裂缝长度及倾角 从而影响抗剪承载力 系列试验考虑了不同数量的接 缝 最多四条 接缝位置距离加载点5 0 4 0 0 m m 3 体内 体外预应力配筋比 采用体内 体外预应力混合配筋方式 能够 有效改善体外预应力混凝土结构的力学性能 改变裂缝的分布 有助于提高结 第二章节段式模型梁抗剪试验 构的抗剪能力 系列试验体内 体外配筋比分别为0 0 5 两种 表2 3 模型梁参数汇总 体外预应力配置 加载 腹板 剪跨剪跨点到接缝 体内接缝 梁号 宽度长a比 接缝数量 预应 类型 r a m m m a h o 体外索体内索距离 力比 m m s 0 11 1 01 0 0 02 72 l2 1 5 2 4l 1 5 2 44 0 0l 胶 s 0 21 1 01 4 0 03 82 l2 f 1 5 2 41 1 5 2 44 0 01 胶 s 0 3 1 1 01 0 0 02 72 l2 1 5 2 41 1 5 2 42 0 02 胶 s 0 4 1 1 0 1 4 0 03 8 2 l 2 4 1 5 2 4 1 1 5 2 42 0 03 胶 s 0 51 1 01 0 0 02 7 2 l2 击j 1 5 2 4l 1 5 2 45 03 胶 s 0 61 1 01 4 0 03 82 l2 1 5 2 4l 1 5 2 45 0 4 胶 s 0 7 7 01 0 0 02 71 0 2 1 5 2 4 6 0 5 2 0 02胶 s 0 87 01 0 0 02 7 l o 2 1 5 2 4 6 0 5 5 03 胶 s 0 9 1 1 08 0 02 1 52 12 1 5 2 41 1 5 2 44 0 0 l 胶 s 1 0 1 1 08 0 02 1 52 12 1 5 2 41 1 5 2 45 0 2 胶 s 1 l7 08 0 0 2 1 5l 0 2 1 5 2 4 6 十5 4 0 0l干 s 1 27 08 0 02 1 51 o 2 1 5 2 4 6 十5 5 02 干 m 1 27 01 0 0 02 7 1 o 2 1 5 2 4 6 十5 m 1 3 1 i o8 0 02 1 5l o2 1 5 2 4 4 腹板厚度 因为体内预应力筋预埋管道的影响 有体内预应力的模型梁 腹板较厚 全体外预应力模型的腹板较薄 这影响了参与抗剪作用的混凝土面 积 对抗剪承载力有较大影响 系列试验考虑了两种腹板厚度 7 0 m m 11 0 m m 5 接缝类型 研究了于接缝 胶接缝两种类型对剪切破坏性能及承载力的 影响 2 6 节段式模型梁试验 节段式s 系列模型梁试验总共包括1 2 片不同参数的模型梁 以下将详细介 1 4 第二章节段式模型梁抗剪试验 绍每片模型梁的试验过程及实测结果 另外还包括补充的整体式抗剪系列2 片 模型梁 2 6 1s 一0 1 模型梁 1 模型梁构造 s 0 1 模型梁剪跨比m 2 7 加载点到第一条接缝的距离为4 0 0 m m 试验段 内有1 条接缝 腹板厚度1 l o m m 体外 体内预应力配筋比例为2 l n c o 辫蜊媸1 i l 斗f 一一一一一一一 i i f 2 0 0 千 o 5 一o 一 5 50o 尘丛垦 b b 图2 7s 0 1 模型粱构造图 2 斜裂缝发展和破坏特征 加载到p 1 4 0 6 k n 时 近加载点下缘出现弯曲裂缝 加载过程中弯曲裂缝 上升缓慢 到p 1 7 5 o k n 时接缝处突然出现斜裂缝 从接缝下缘指向加载点 倾角为4 5 斜裂缝一出现即上升到腹板的顶部 裂缝宽度达1 2 m m 斜裂缝 底部两侧混凝土有错开现象 加载设备突然出现少量卸载 但梁体未破坏 仍 然可以继续加载 继续加载下斜裂缝宽度变大 其它裂缝基本不再发展 到p 2 2 5 1 k n 时 斜裂缝已经延伸至上翼缘的中部 梁体表现较大的挠度 最终破坏时 加载点处上翼缘混凝土形成一个混凝土塑性铰 被斜裂缝分 割的梁体围绕其发生转动 形成较大位移 腹板和上翼缘交界处混凝土发生剪 压破坏 上翼缘被剪裂 极限荷载为p 2 4 5 9k n 加载点处位移已经达4 5 6 m m 破坏斜裂缝的投影长度为3 8 0 m m 破坏斜裂缝的极限宽度为1 6 m m 第二章节段式模型梁抗剪试验 图2 8s 0 1 模型梁裂缝分布图 单位 k n 图2 9s o i 模型粱破坏照片 3 受力性能分析 荷载一混凝土压应变曲线分为开裂前 开裂后两个阶段 最终破坏时 实 测上缘混凝土最大压应变为1 7 2 4pe 微应变 荷载一位移曲线分为开裂前 开裂后两个阶段 开裂前位移较小 只有4 m m 开裂后整体刚度下降很快 位移增量很大 破坏时加载点下为4 5 6 m m 延性较 差 脆性破坏无明显征兆 从荷载一体外预应力筋应力曲线看出 整个过程也可分为开裂前 开裂后 两个阶段 开裂前应力增量很小 大约4 0 m p a 开裂后受拉区混凝土退出工作 整体刚度下降很快 荷载增量主要由预应力增量来抵消 因而在荷载增加不大 的情况下 裂缝开展和体外预应力筋的应力增加很快 最终破坏时体外预应力 筋应力为1 6 2 0m p a 增量为5 6 0 m p a 从荷载一箍筋应变曲线可见 在斜裂缝出现之前 箍筋的应变很小 但斜 裂缝一出现 与斜裂缝相交的箍筋应变突然增加 且很快达到屈服 符合箍筋 的基本受力特点 箍筋剪切破坏时延性较好 没有出现拉断的现象 6 第二章节段式模型粱抗剪试验 始d 量 坤 i 辫 1 0 0 拍 o 量 i 一 加 t 点扑惜 1 9 一 瓿赢 lc 1 渺 t f 荷藏一混凝土压应变酋线圈 二 一 俪 卜 荷载一体外预应力筋应力曲线圈 萋 g 钐 7 t a t 2 轴 2 钟 1 5 0 量 善 舯 狂 位穆 m 肺 荷载一位移曲线圈 i 荷载一箍筋应变曲线圈 箍筋应变片位置图 单位 o m 图2 1 0s o l 模型梁试验结果 2 6 2s 0 2 模型梁 1 模型梁构造 s 0 2 摸型梁剪跨比m 3 8 加载点到第一条接缝的距离为4 0 0 m m 试验段内 有1 条接缝 腹板厚度1 l o m m 体外 体内预应力配筋比例为2 1 第二章节段式模型粱抗剪试验 o c 广 i b 自洲m 7 一 7 卜 一一一一一一一一一il f o 2 00 l1 5 50 d 5q j i 二 j 5 j 3 5 0 鱼墨壁生 图2 1 1s 0 2 模型梁构造图 t 鼍一咪讯畦蓖在 埒曩l 托r 2 斜裂缝发展和破坏特征 s o z 模型梁的裂缝发展和破坏特征与s 0 1 梁相似 只是剪跨比较大 开裂 荷载也较小 p 1 0 3 5 k n 时近加载点下缘出现弯曲裂缝 随着荷载的增加 弯 曲裂缝上升很慢 到p 1 3 4 o k n 时接缝处突然开裂 出现从接缝下缘指向加载 点的斜裂缝 呈4 5 斜裂缝一出现即上升到腹板的顶部 裂缝宽度达0 6 册 斜裂缝底部两侧混凝土有错开现象 继续加载下斜裂缝宽度变大 挠度加大 其它裂缝基本不再发展 到p 1 6 3 7 n 时 斜裂缝已经延伸至上翼缘的中部 最终破坏时加载点处顶板混凝土形成一个混凝土塑性铰 在剪压复合作用 下发生剪压破坏 极限荷载为p 1 8 4 6 k n 加载点处位移达到3 3 6 m m 破坏斜 裂缝的水平 图2 1 2s 0 2 模型梁裂缝分布匿 单位 k n td d叫上 叫引奠1 第二章节段式模型梁抗剪试验 图2 1 3s 0 2 模型粱破坏照片 3 受力性能分析 从荷载一混凝土压应变曲线可以看出混凝土上翼缘不同位置的应变有较大 差异 最终破坏时上缘混凝土最大压应变为2 5 6 8 pe 微应变 荷载一位移曲线分为开裂前 开裂后两个阶段 开裂前位移较小 只有 3 2 m m 开裂后位移增量很大 破坏时加载点下位移达到3 3 6 m m m t a 自 n 4 嗡石 翻 1 4 1 f l i 2 z 伸 茎伽 誊 镕1 舯 5 枷 耋啪 蠡 堆1 o t 帮 4 荷藏一混凝土压应变曲线圈 一 一 一 直 r r f 哪 1 瑚应女 器 荷载一体外预应力筋应力曲线田 f n l 童 蜒 位移 r a m 荷慧一位移曲线圈 i 2 d f 丽 1 1 2 7 li i 嚣 箍筋应变曲线图 第二章节段式模型粱抗剪试验 砖弋 r l 一一1 一一i 一一r 1 一一l 一 1 1 一l 一 i i 一一l 一 j j 竺一 竺 1 一l j z 1 0 150 2 箍筋应变片位置围 单位 神 图2 1 4s 一0 2 模型梁试验结果 荷载一体外预应力筋应力曲线分为开裂前 开裂后两个阶段 开裂前应力 增量很小 开裂后体外预应力筋的应力增长速度很快 增量也铰大 最终破坏 时体外预应力筋应力为1 5 3 0 t p a 增量为4 5 0 m p a 荷载一箍筋应变曲线中 斜裂缝一出现 与斜裂缝相交的箍筋应变突然增 加 很快就达到屈服 破坏时没有拉断 最终与斜裂缝相交的三根箍筋全部达 到屈服 2 6 3s 0 3 模型梁 1 模型梁构造 s 一0 3 模型梁剪跨比m 2 7 加载点到第一条接缝的距离为2 0 0 m m 试验段 内有2 条接缝 腹板厚度1 l o m m 体外 体内预应力配筋比例为2 1 2 斜裂缝发展和破坏特征 加载到p 1 4 8 7 k n 时 近加载点下缘出现弯曲裂缝 加载到p 1 5 5 8 k n 时最靠近加载点的接缝处突然出现斜裂缝 从接缝下缘指向加载点 倾角大约 3 5 斜裂缝一出现即上升到腹板中部 裂缝宽度达1 6 m m 最终发展为破坏斜 裂缝 继续加载下斜裂缝宽度变大 其它裂缝基本不再发展 到p 1 9 5 2 k n 时 斜裂缝已经延伸至上翼缘的中部 梁体表现较大的挠度 裂缝两边的混凝 土错位比较明显 最终破坏时 加载千斤顶出现卸载 加载点处上翼缘混凝土 形成一个混凝土塑性铰 被斜裂缝分割的梁体围绕其发生转动 形成较大位移 腹板和上翼缘交界处混凝土发生剪压破坏 上翼缘被剪裂 极限荷载为p 2 1 3 5 k n 加载点处位移达3 8 8 m m 破坏斜裂缝的投影长度为2 5 0 m m 破坏斜裂 缝宽1 8 m m 第二章节段式模型粱抗剪试验 o col e 岸哪瞄 一 卜 l 1 一一一一一一 一i t o i l 4 1 广 z 2 001 5 50 9 50 7 d 5 o a a c c 垦点 图2 1 5s 0 3 模型粱构造图 图2 1 6s 0 3 模型粱裂缝分布图 单位 k n 图2 1 7s 0 3 模型梁破坏照片 3 受力性能分析 混凝土应变片损坏 数据与实际破坏不符 2 前 t叫 1 ql叮 第二章节段式模型梁抗剪试验 荷载一位移曲线分为开裂前 开裂后两个阶段 开裂前位移较小 只有4 啪 开裂后位移迅速增加 破坏时加载点下位移为3 3 4 m m i 2 1 o 1 抛锻应i 4 埘舶 荷载一混凝土压应变曲线圈 外自庙b 一 律a 器 竺一 二一j 7 乡 盛女0 口 荷栽一体外预应力筋应力曲线圈 耋 鑫 糖 董 鑫 枯 z 乒 一7 荷载一位移曲线圈 7 咖 疵 厂 一葛乍 洲1 1 1 圳 j 辅一 竺一刚一 i i l i l 蝴j 羟 7 1 5 o5 帕1 0 0 01 5 0 02 0 0 02 5 0 03 o n 峦 荷载一箍筋应变曲线围 箍筋应变片位置围 单位 c 吣 图2 1 8s 一0 3 模型梁试验结果 荷载一体外预应力筋应力曲线可分为开裂前 开裂后两个阶段 开裂前应 力增量很小 大约4 0 m p a 开裂后荷载增量主要由预应力增量来抵消 在荷载 增加不大的情况下 体外预应力筋的应力增量很大 最终破坏时体外预应力筋 帅 辅 o o 苎三至羔墼茎堡型鎏垫壁垫壁 应力为1 5 8 0m p a 增量为5 0 0 m p a 从荷载一箍筋应变曲线可见 斜裂缝一出现 与斜裂缝相交的 条箍筋应 变突然增加 立刻达到屈服 破坏时没有拉断 其它箍筋基本不受力 2 6 4s 0 4 模型梁 1 模型梁构造 s 一0 4 模型梁剪跨比m 3 8 加载点到第一条接缝的距离为2 0 0 r n m 试验段 内有3 条接缝 腹板厚度1 1 0 m l r n 体外 体内预应力配筋比例为2 l o c 门i e僦 夕i r l r 阱 f 一一 一一一一一 l 5 2 00 1 5 5oo sn9 i l l d 1j j s 00 生鱼 b 二i 图2 1 9s 0 4 模型梁构造图 2 斜裂缝发展和破坏特征 加载到p 1 1 0 8 k n 时 在加载点附近梁底缘出现弯曲裂缝 加载到p 11 4 5 k n 时 出现一条明显的斜裂缝 从靠近加载点的接缝下缘发展出来 指向加载板 裂缝一出现高度就发展到2 3 梁高 裂缝宽度为2 0 嘞 最终发展为破坏裂缝 没有其他斜裂缝出现 继续加载 破坏裂缝发展到顶板 且裂缝宽度继续增加 到1 5 咖 其他斜裂缝基本没有变化 最终破坏时 加载板下顶板附近的混凝土 出现完全压溃破坏 粱体失去承载能力 加载千斤顶出现卸载现象 破坏过程 较突然 但伴随着较大的变形 破坏荷载为p 1 7 8 7 k n 破坏斜裂缝水平投影长 度1 9 0 m m 破坏裂缝宽度1 6 o m m 倾角为3 2 t剖 1 q叫 6可 第二章节段式模型粱抗剪试验 图2 2 0 s 0 4 模型梁裂缝分布图 单位 k n 图2 2 1s 0 4 模型梁破坏照片 3 受力性能分析 荷载一混凝土压应变曲线中 跨中曲线呈直线发展 混凝土最大压应变发 生在加载点内侧 曲线分为开裂前 开裂后两个阶段 在破坏斜裂缝出现时有 明显拐点 最终破坏时上缘混凝土最大压应变为1 2 4 3u 微应变 荷载一位移曲线分为开裂前 开裂后两个阶段 开裂前位移较小 只有 4 6 m m 开裂后模型梁刚度下降 位移增加速度加快 破坏时加载点下位移为 5 4 9 唧 荷载一体外预应力筋应力曲线可以分为开裂前 开裂后两个阶段 开裂前 应力增量很小 约5 0 m p a 开裂后体外预应力筋的应力随着荷载的增加而增大 其曲线斜率稍大 应力增量小于大剪跨比模型梁 破坏时体外预应力筋应力为 1 6 9 0 m p a 增量为6 1 0 m p a 体内预应力筋的测点由于试验条件的限制 只能布置 在靠近跨中的位置 其数据没有反映破坏斜裂缝处的应变值 所以几乎没有应 力增量 从荷载一箍筋应变曲线可见 开裂前箍筋受力较小 有的甚至受压 但斜 裂缝一出现 与斜裂缝相交的箍筋应变突然增加 增加较小荷载后就达到屈服 整三童堇壁垄塑型墨垫墼堕墅 最终有一肢箍筋达到屈服 誊 盒 龌 加麓赢p 1 7 一7缸磊 t 1 4 易 l 4 t 聋 荷载一混凝土压应变曲线图 2 t 幻 墓m 是 杯 拍 悻内馕 女 一而 一 鲫啪 1 瀚 力懈3 仰 荷载一体外琢应力筋应力曲线圈 i o 妃 一i r l 1 毛了 五 1 嚣一 l l 一一立玉 l 一l r 5 矿1