摘要
基于网格抗剪配筋原理,提出了接缝处纵筋连续预制节段梁概念。设计3根试验梁,将接缝类型作为试验参数,以试件裂缝发展、钢筋应变、破坏模式、刚度、承载力为研究对象,开展弯剪试验。结果表明,接缝处纵筋连续预制节段梁中腹板水平纵筋有效承担了由剪力作用引起的截面上轴向拉力,与箍筋同样起到抗剪作用;腹板水平纵筋在接缝位置处的连续可以更好地抑制斜裂缝的发展,限制主裂缝的宽度,从而有效提高预制节段梁结构的刚度;从试件腹板开裂至试件破坏的整个加载过程中,纵筋连续预制节段梁接缝附近节段受力基本满足平截面假定,各项力学行为与整体梁相似。试验结果充分验证了接缝处纵筋连续是预制节段梁从受力性能上消除“接缝”的必要手段。
得益于标准化和工厂化的快速制造,预制节段桥梁在国内外得到广泛应用。接缝处纵筋完全断开是预制节段梁结构的弱点,蕴藏的风险容易导致不可预计的问题甚至错误,也影响预制节段桥梁结构的进一步推广。为此,国内外学者对传统混凝土接缝节段梁开展了大量研究。
Rabbat
Moustaf
综上所述,体内束的增加有利于梁体的受力,接缝附近的箍筋并不能提高抗剪承载能力,造成这种现象的主要原因是:接缝处的纵筋断开后混凝土开裂过大,剪应力仅能从顶缘的混凝土传递。为了改善接缝这个薄弱环节,对比分析了欧洲规范、美国ACI/AASHTO、中国现行规范GB/JTG及网格抗剪配筋理论中结构抗剪钢筋的设计方法,从受力上“消除”接缝的角度,基于网格抗剪配筋原理提出了节段梁接缝处纵筋连续的概念。设计3根试验梁,横向对比了各试验梁在弯剪复合受力下的力学性能,揭示了接缝处纵筋连续节段梁的抗剪机理,验证了节段梁接缝处纵筋连续的必要性。
预制节段施工结构的本质可视为插有若干素混凝土区段的钢筋混凝土结构,即纵向普通钢筋断开、“跳档”的箍筋形成的无钢筋素混凝土段(C段,即接缝)以及纵向普通钢筋连续的钢筋混凝土段(R段),如

图1 预制节段梁接缝本质示意图
Fig.1 Schematic diagram of joint essence of precast segmental beam

图2 接缝附近裂缝开展示意
Fig.2 Schematic diagram of crack propagation near the join
实际上,接缝(C段)犹如预设的裂缝位置,其受力情况已经脱离结构设计中截面方法的基石——所有截面满足平面假定,如

图3 接缝开裂后的变形
Fig.3 Deformation of joints after cracking
为了消除接缝(C段)带来的不利影响,提出了接缝处纵筋连续预制节段梁,在保持预制节段梁施工优点的同时从受力上“消除”接缝这个薄弱环节。
各规范及网格抗剪配筋设计 | 抗剪钢筋图示 |
---|---|
美国ACI、中国现行GB/JTG规范(仅有箍筋) |
![]() |
欧洲规范、美国AASHTO规范(箍筋+上下缘主纵筋) |
![]() |
网格抗剪配筋设计(纵向水平钢筋均是需要计算的抗剪钢筋) |
![]() |
(1)仅有竖向箍筋。目前只有美国ACI和中国的GB/JTG规范采用该抗剪钢筋设计。美国ACI规范仅以混凝土出现第1条弯剪或腹剪裂缝时的荷载为混凝土抗力,而中国规范中混凝土抗力为无腹筋梁的破坏荷载。
(2)箍筋+上下缘主纵筋。目前美国AASHTO和欧洲规范采用该抗剪钢筋设计,其根源是桁架模型。桁架模型建立结构体的平衡方程,斜向主拉应力合力的竖向分力由箍筋承担、水平分力由上下缘主纵筋承担,所以在钢筋混凝土结构中,主纵筋除了满足抗弯需要以外,还需考虑剪力引起的应力增量。
(3)网格抗剪配筋。网格抗剪配筋采用与抗弯设计协调的截面法。混凝土构件中任意位置一旦由于主拉应力超过限值而引起开裂,在截面上相应位置就需有纵横向网格配筋构成的抗剪钢筋承担竖向分力和水平分力,并保证这些钢筋在极限阶段不会屈服。这样不但控制住了斜裂缝,而且只要结构中所有纵横向网格配筋不屈服,就能够确保结构剪切刚度不会削弱,保证正应力传递。
网格抗剪配筋意味着抗剪钢筋不仅仅是箍筋,腹板里面的纵筋都是需要计算的抗剪钢筋,而不是所谓的“构造钢筋”。预制节段梁由于有接缝,因此箍筋和纵筋在接缝处是不连续的。在工程实践中,箍筋的“连续”较容易处理,因为其本身就是间隔分布的,所以跳过接缝与结构其他位置后结构仍是协调的,关键在于纵筋的连续。

图4 接缝处纵筋的处理
Fig.4 Treatment of longitudinal reinforcement across joints
纵筋的连续包括顶底板钢筋和腹板钢筋的连续,顶底板的体内预应力钢束可以视作连续钢筋,故纵筋连续主要是针对腹板高度范围内的水平纵筋,

图5 接缝处纵向插筋示意图
Fig.5 Schematic diagram of longitudinal reinforcement across joints
综上所述,目前预制节段梁的设计方法并没有形成规范或达成一致,其核心是纵筋在接缝处被截断。为了避免接缝带来的不利受力影响,提出了接缝处纵筋连续预制节段梁,旨在从抗剪机理和受力性能上消除“接缝”。
共设计3根弯剪梁(BS1~3)。BS1为整体梁(钢筋通长,混凝土1次浇筑),如

图6 弯剪试验梁及接缝型式示意图(单位:cm)
Fig.6 Schematic diagram of bending shear test beams and joints (unit: cm)
参数 | 各试件参数值 | ||
---|---|---|---|
BS1 | BS2 | BS3 | |
腹板宽度/mm | 80 | 80 | 80 |
梁高/mm | 670 | 670 | 670 |
有效高度/mm | 639 | 639 | 639 |
剪跨区箍筋间距/mm | 100 | 100 | 100 |
剪跨,α/mm | 1 700 | 1 700 | 1 700 |
剪跨比,λ | 2.66 | 2.66 | 2.66 |
纵向主筋配筋率/% | 0.614 | 0.614 | 0.614 |
配箍率/% | 0.706 | 0.706 | 0.706 |
腹板水平钢筋 | 接缝位置连续 | 接缝位置连续 | 接缝位置不连续 |
腹板水平钢筋配筋率/% | 0.706 | 0.706 | 0.706 |
BS1、BS2、BS3混凝土强度试验值分别为49、46、48 MPa。普通钢筋及预应力筋力学性能试验值如
钢筋规格 | 屈服强度/MPa | 极限强度/MPa | 弹性模量/GPa |
---|---|---|---|
![]() | 455.30 | 617.78 | 200 |
![]() | 450.06 | 625.88 | 200 |
![]() | 465.35 | 658.35 | 200 |
1 658.50 | 1 844.39 | 195 |
在加载过程中BS1~3以主梁底缘竖向弯曲裂缝和腹剪斜裂缝发展为主,将前3条竖向弯曲裂缝和前3条腹剪斜裂缝作为初期裂缝对各试件的力学行为进行比较。
表
试件编号 | 加载力/kN | 裂缝类型 | 长度/mm | 宽度/mm | 位置 |
---|---|---|---|---|---|
BS1 | 90 | 竖向弯曲裂缝 | 20 | 0.050 | 加载点处主梁底缘 |
120 | 竖向弯曲裂缝 | 60 | 0.064 | 距加载点60 cm处主梁底缘 | |
130 | 竖向弯曲裂缝 | 40 | 0.052 | 距加载点40、50 cm处主梁底缘 | |
BS2 | 95 | 竖向弯曲裂缝 | 30 | 0.060 | 加载点处主梁底缘 |
145 | 竖向弯曲裂缝 | 80 | 0.085 | 接缝位置主梁底缘 | |
150 | 弯剪斜裂缝 | 100 | 0.075 | 距加载点40 cm处主梁底缘 | |
BS3 | 110 | 竖向弯曲裂缝 | 30 | 0.053 | 距加载点10 cm处主梁底缘 |
竖向弯曲裂缝 | 30 | 0.060 | 加载点正下方主梁底缘 | ||
155 | 竖向弯曲裂缝 | 50~70 | 0.073 | 距加载点30~60 cm范围内主梁底缘 |
试件编号 | 加载力/kN | 裂缝类型 | 长度/mm | 宽度/mm | 位置 |
---|---|---|---|---|---|
BS1 | 120 | 腹剪斜裂缝 | 200 | 0.072 | 距加载点50 cm处腹板 |
125 | 腹剪斜裂缝 | 50 | 0.065 | 距加载点60 cm处腹板 | |
130 | 腹剪斜裂缝 | 80 | 0.069 | 距加载点85 cm处腹板 | |
BS2 | 120 | 腹剪斜裂缝 | 80 | 0.073 | 距加载点35 cm处腹板 |
155 | 腹剪斜裂缝 | 50 | 0.071 | 距加载点30 cm处腹板 | |
160 | 腹剪斜裂缝 | 50~80 | 0.089 | 距加载点20、60 cm处腹板 | |
BS3 | 130 | 腹剪斜裂缝 | 100 | 0.099 | 距加载点40 cm处腹板 |
150 | 腹剪斜裂缝 | 100 | 0.179 | 距加载点45 cm处腹板 | |
160 | 腹剪斜裂缝 | 200 | 0.079 | 距加载点20 cm处腹板 |

图9 BS1~3裂缝发展初期示意图
Fig.9 Schematic diagram of incipient crack of BS1~3
由

图10 BS1~3裂缝完全发育示意图
Fig.10 Schematic diagram of fully developed cracks of BS1~3
BS2裂缝发展同样经历了加载点区域向支点区域转移的过程,剪跨段范围内裂缝逐渐发育完全,并在加载点与支点间逐渐形成一条主裂缝,裂缝发展状态与BS1相似。
在加载前期,BS3裂缝主要集中在距加载点1倍梁高范围内,随着加载力的增大,支点附近出现多条细小腹剪斜裂缝,但裂缝间并未相互贯通。反观接缝位置,裂缝宽度发展速率增大,发展长度逐渐向顶板延伸,并在腹板中部形成转角,逐渐形成一条指向加载点的主裂缝,主裂缝最终发展成倒V形张开口。
试件破坏时,BS1~3荷载‒腹板水平纵筋应变曲线对比如

图11 各试件荷载‒腹板水平纵筋应变曲线对比
Fig.11 Comparison of load-web longitudinal reinforcement strain curves between specimens
BS1受拉区腹板水平纵筋H11~15、H23、H25测点处应变均达到钢筋屈服应变,H21、H22、H24测点处应变非常接近钢筋屈服应变,而H31~35测点处应变变化较小,H32、H35出现了较大压应变。
BS2受拉区腹板水平纵筋H11~14、H24、H25、H34测点处应变均达到钢筋屈服应变,H15、H22测点处应变非常接近钢筋屈服应变,而H21、H23、H31、H32、H33、H35测点处应变变化较小,H31、H33测点处出现了压应变。
BS3中主裂缝穿过H34测点处腹板水平纵筋,整个腹板水平纵筋测点中仅有H34测点处达到钢筋屈服应变,其余H11~15、H21~25、H31~33、H35测点处应变均未达到钢筋屈服应变。H11~15测点中发生的最大拉应变位于H14测点处,但其应变值也不超过2×1
图

图12 沿截面高度腹板水平纵筋应变分布(BS1)
Fig.12 Web longitudinal reinforcement strain distribution along section height(BS1)

图13 沿截面高度腹板水平纵筋应变分布(BS2)
Fig.13 Web longitudinal reinforcement strain distribution along section height(BS2)

图14 沿截面高度腹板水平纵筋应变分布(BS3)
Fig.14 Web longitudinal reinforcement strain distribution along section height(BS3)
BS1~3荷载‒箍筋应变曲线对比如

图15 各试件荷载‒箍筋应变曲线对比
Fig.15 Comparison of load-stirrup strain curves between specimens
BS1~3荷载‒底板纵筋应变曲线对比如

图16 各试件荷载‒底板纵筋应变曲线对比
Fig.16 Comparison of load-bottom longitudinal reinforcement strain curves between specimens

图17 各试件破坏模式
Fig.17 Failure mode of specimens
BS2临近破坏时在腹板逐渐形成一条主裂缝,该裂缝连接加载点与支点。随着加载继续,主裂缝宽度逐渐增大,腹板处混凝土、顶板与腹板交界面处混凝土剥落,加载点处顶缘受压区混凝土形成块体外鼓压溃,并伴有剥落。BS2剪跨内腹板裂缝穿过接缝面且发展充分,破坏裂缝并非位于接缝位置,破坏模式与BS1极为相似。
BS3在加载过程中逐渐沿素混凝土截面形成主裂缝,主裂缝向顶板延伸过程中在腹板中部形成转角,并指向加载点。随着加载力的分级增大,主梁素混凝土截面下部受拉区混凝土逐步退出工作,接缝面逐渐张开,截面中性轴向上移动,受压区混凝土面积逐渐减小,截面发生应力重分布。节段梁沿素混凝土截面形成倒V形开口,加载点附近主梁顶缘受压区混凝土压溃,BS3破坏。梁体发生破坏前有较明显征兆,接缝两侧梁体绕接缝上部顶板塑性转动,主梁产生过大的下挠变形。

图18 各试件挠度发展
Fig.18 Deflection development of specimens
BS1、BS2裂缝在整个剪跨区内均匀充分发展,接缝两侧竖向位移发展基本一致,未出现剪切滑移。试件破坏时,挠度曲线在接缝位置处产生较为平缓的转角,如
此外,随着加载力的增大,BS1、BS2通过裂缝数量和宽度的发展来适应结构的整体变形。在加载力接近0.91Pu~0.93Pu(Pu为极限加载力)时,试件裂缝宽度、数量发育基本完全,竖向挠度发展大部分集中在主梁裂缝发展期间。BS3加载前期发生整体变形,挠度发展趋势与BS1、BS2相似。加载力接近0.80Pu时,BS3裂缝数量和宽度基本发育完全,随后试件主要通过接缝开口的张开度适应试件的弯折变形。BS3竖向位移主要发生在裂缝发育完全后,即接缝形成倒V形开口后。可见,从裂缝发育完全到发生破坏,BS3所经历的位移增量明显大于BS1和BS2。
各试件荷载‒位移曲线如

图19 各试件荷载‒位移曲线
Fig.19 Load-displacement curves of specimens
试验编号 | 抗剪承载力/kN | /% |
---|---|---|
BS1 | 449 | |
BS2 | 435 | -3.11 |
BS3 | 350 | -22.05 |
(1)接缝处纵筋连续节段梁中腹板水平纵筋有效承担了由于剪力作用引起的截面上轴向拉力,并沿纵向有效传递到主梁各截面,与箍筋同样起抗剪作用。
(2)接缝处纵筋连续节段梁箍筋受力与整体梁相似,试件破坏时接缝附近箍筋能有效承担主拉应力产生的竖向分量,充分发挥抗剪钢筋的作用。
(3)因为接缝处纵筋连续节段梁腹板水平纵筋承担了由剪力作用引起的截面上轴向拉力,所以大大减小了底板纵筋承担的由剪力引起的拉应力。
(4)接缝处纵筋连续节段梁腹板水平纵筋在接缝处的连续可以更好地抑制斜裂缝的发展,限制主裂缝的宽度,从而有效提高节段梁结构的刚度。
(5)在试件腹板开裂至试件破坏的整个加载过程中,接缝附近节段受力基本满足平截面假定,且抗剪承载力、试件刚度、裂缝发展、破坏模式等力学行为与整体梁基本一致。试验结果充分验证了节段梁接缝处纵筋连续的必要性,同时接缝处纵筋连续也是节段梁从受力性能上消除“接缝”的必要手段。
作者贡献声明
邹 宇:构建整体思路,完成试验并撰写、修改论文。
俞承序:试验实施,数据处理,论文修改。
徐 栋:提出选题,指导论文撰写与修改。
端木祥永:参与试验实施,论文修改。
王田虎:参与试验实施,论文修改。
何家学:参与试验实施,论文修改。
参考文献
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