預應(yīng)力混凝土T梁受剪破壞試驗研究

張鳳群

(中鐵十七局集團第四工程有限公司，重慶 401120)

0 前 言

現(xiàn)代橋梁建設(shè)中，裝配式橋梁作為一種技術(shù)成熟的結(jié)構(gòu)形式，往往是首先被考慮的橋型，預應(yīng)力混凝土T梁就是其中常見的一種結(jié)構(gòu)形式。T梁作為上部結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件，在荷載作用下主要表現(xiàn)為受彎和受剪狀態(tài)。因此，本文以某項目為背景，從改善預應(yīng)力混凝土T梁抗剪承載力的角度出發(fā)，分析影響其剪切破壞承載力的因素，對預應(yīng)力混凝土T梁受剪破壞進行了試驗研究。

1 工程概況

某項目標段內(nèi)主要工程量有10座共長2 382.4 m主線橋(分左右幅)；共長5 812.31 m路基188.06萬m3；互通樞紐一處，設(shè)置9條共5 127.3 m匝道(其中有6座橋長共1 203.5 m匝道，路基長3 923.8 m)；54座共1 969.34延m涵洞(包含互通式立交匝道涵洞27座)。全線設(shè)計行車速度為120 km/h，主線公路為雙向六車道高速公路，設(shè)計荷載等級采用公路-Ⅰ級。整體式路基寬度33.5 m，分離式路基寬度16.75 m,一般橋涵及路基設(shè)計洪水頻率1/100,特大橋設(shè)計洪水頻率1/300，地震基本烈度為VII度。

2 預應(yīng)力混凝土T梁的剪切破壞機理

預應(yīng)力混凝土T梁開裂后，受荷載持續(xù)增加的影響，其具有應(yīng)力重分布的特點，剪力傳遞機理發(fā)生變化，期間存在諸多干擾因素，難以精準確定各項因素的作用程度，需要做針對性分析[1]。

1)受壓區(qū)未開裂。梁體未開裂時，部分區(qū)段存在剪力和彎矩共同作用的情況，該部分存在主壓應(yīng)力和主拉應(yīng)力，可以通過繪制主應(yīng)力跡線的方式加以描述；而在梁體出現(xiàn)開裂問題后，對于剩余的未開裂受壓區(qū)而言，依然存在該應(yīng)力狀態(tài)。沿梁受壓區(qū)高度對剪應(yīng)力積分，此時可以確定剪力分量，該結(jié)果反映的是“混凝土承載力”。

2)界面剪力傳遞。梁體局部裂縫面骨料突出的尺寸較大(超過裂縫寬度)，骨料間的咬合作用將抑制界面的滑移，同時將實現(xiàn)對部分剪力的傳遞。若結(jié)構(gòu)體的抗壓強度未超過60 MPa，此時斜裂縫普遍以繞過粗骨料的方式而形成；若抗壓強度未超過70 MPa，斜裂縫的發(fā)生規(guī)律有所變化，即穿過骨料而形成光滑的裂縫界面。界面?zhèn)鬟f的剪力取決于多個方面，例如混凝土強度、法向應(yīng)力等。

3)縱筋的銷栓作用。梁中縱向預應(yīng)力與斜裂縫呈相交的位置關(guān)系時，可以較為有效地阻止開裂面兩側(cè)所產(chǎn)生的剪切滑移現(xiàn)象。在混凝土強度、縱向受拉預應(yīng)力強度等多項指標的共同影響下，將對縱向受拉預應(yīng)力的銷栓作用帶來影響。存在保護層抗拉強度的限制作用時，將會在較大程度上削弱銷栓作用；若存在縱向受拉預應(yīng)力配筋率較高的情況，此時將有較明顯的銷栓作用，并且在多層布置時更為明顯。

4)拱作用。梁體的剪跨比較小時，截面應(yīng)力難以滿足平截面假定，此時荷載普遍依靠斜壓桿實現(xiàn)向支座的傳遞，此條件下拱的作用較為顯著，雖存在梁的作用，但相對微弱。

5)箍筋作用。梁體結(jié)構(gòu)中含箍筋時，若形成斜裂縫，將嚴重影響混凝土對剪力的傳遞，具有短時間內(nèi)大幅度下降的變化；若箍筋與斜裂縫呈相交的關(guān)系，則該部分箍筋的應(yīng)力將急劇增加。通過箍筋的應(yīng)用有助于抑制斜裂縫，使梁腹部的骨料具有較大的咬合力，且可以發(fā)揮出縱向受拉預應(yīng)力的銷栓作用。

6)混凝土殘余拉應(yīng)力。裂縫寬度在0.15 mm內(nèi)時，交界面仍有一定程度的連接，此時其依然具備傳遞拉應(yīng)力的條件。在混凝土拉應(yīng)力提升至最大值后得益于殘余拉應(yīng)力的作用，并不會出現(xiàn)完全破壞現(xiàn)象，此時存在裂縫的梁體進入軟化下降段。在梁截面高度<100 mm時，雖然存在彎曲裂縫和斜裂縫，但其寬度相對較小，在整個受剪承載力中，殘余拉應(yīng)力具有較大的貢獻比例；但反觀尺寸較大的梁體結(jié)構(gòu)，該效應(yīng)普遍微弱[2]。

根據(jù)上述機理分析可知，預應(yīng)力混凝土T梁剪切破壞傳力機理復雜。為從宏觀上分析影響其剪切破壞的影響因素，以便為設(shè)計提供依據(jù)，本文考慮預應(yīng)力和翼緣寬度兩個影響因素，設(shè)計相關(guān)試驗對其進行分析。

3 試驗設(shè)計與結(jié)果分析

3.1 試驗設(shè)計

本次試驗主要考慮預應(yīng)力大小、預應(yīng)力筋彎起角度、T梁翼緣板寬度三個因素。制備9根預應(yīng)力混凝土和1根普通鋼筋混凝土T形簡支梁，梁高70 cm，翼緣板厚10 cm，腹板寬20 cm，試驗梁的預應(yīng)力大小、預應(yīng)力筋彎起角度、翼緣板寬度不完全相同，其余設(shè)計參數(shù)均相同。試驗梁示意圖見圖1。

圖1 試驗梁示意圖(單位：cm)

預應(yīng)力鋼束采用高強度低松弛鋼絞線Φs15.2，標準強度fpk=1 860 MPa，單股面積Ay=1.39 cm2，采用后張拉形式。試驗梁的主要設(shè)計參數(shù)見表1所示。

表1 試件主要設(shè)計參數(shù)

試驗采用油壓千斤頂進行加載，采用兩點對稱逐級施加荷載，加載點距支座的距離為800 mm,剪跨比為1.75。在試件前后兩側(cè)面，畫出5 cm×5 cm方格，并編號劃區(qū)，以方便在不同荷載下對裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展進行觀察。對每條裂縫均需記錄產(chǎn)生的時間(即第幾級荷載下產(chǎn)生的)、裂縫的位置(距離跨中或支座處的距離)、長度、寬度、裂縫的間距和正常使用荷載下的最大裂縫的寬度，下一級加載后的發(fā)展情況。用裂縫觀測儀觀測裂縫的長度，5倍放大鏡觀察裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展。在加載開始時，反復調(diào)整梁底的支座，防止支座在加載過程中產(chǎn)生偏移，而導致梁受力不均勻。

首先進行預加載2次，檢查試驗裝置和構(gòu)件各部分是否正常工作，各應(yīng)變片是否有讀數(shù)；在開裂荷載之前按20～30 kN一級加載，開裂之后按50 kN一級加載，臨近破壞時，相應(yīng)地減少荷載的級距，直至破壞。每次加載穩(wěn)定油壓5 min后讀數(shù)。

3.2 試驗結(jié)果

對于試驗梁T-1為鋼筋混凝土梁，跨中荷載P達到160 kN時，顯現(xiàn)出第一條垂直裂縫；隨著荷載的持續(xù)增加，當P達到200 kN時靠近跨中位置，出現(xiàn)斜裂縫，角度大于45°，均指向加載點，隨后，斜裂縫隨著荷載的持續(xù)增長而增加，且斜裂縫均指向跨中加載點；后續(xù)伴隨荷載的持續(xù)增加，垂直裂縫幾乎維持原狀，即并未呈現(xiàn)出發(fā)展的趨勢，但斜裂縫具有逐步向兩支座方向延伸的特點，裂縫寬度有所增加；進一步加大荷載后，顯現(xiàn)出臨界裂縫，與此同時可見加載點與支座連線方向有部分斜裂縫；荷載達到670 kN后，無法利用手動液壓泵加載，此時通過對顯示器的數(shù)顯值進行分析可知，荷載呈下降的變化，但裂縫仍有發(fā)展的趨勢，并且梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)處于受破壞的狀態(tài)[3]。試驗過程中，當P=160 kN、P=200 kN、P=670 kN時，T-1梁的裂縫分布見圖2所示。

圖2 T-1梁裂縫分布

對于試驗梁T-2：跨中荷載P達到160 kN時，顯現(xiàn)出首條豎向裂縫，隨后，當P達到200 kN時，出現(xiàn)斜裂縫，隨著荷載增加，斜裂縫也隨之增多，豎向裂縫未見明顯變化，斜裂縫則有從跨中向支座附近發(fā)展的趨勢。隨荷載持續(xù)增加，臨界斜裂縫寬度以更快的速度增加，臨界斜裂縫在臨近梁底處呈水平狀延伸，當P達到840 kN時，試驗梁出現(xiàn)“砰”的響聲，受壓區(qū)的部分混凝土處于壓碎的狀態(tài)，導致試件發(fā)生剪切破壞。

對于其余的T-3～T-10梁，試驗過程中裂縫發(fā)展的形態(tài)和趨勢與T-2梁基本一致，但其出現(xiàn)豎向裂縫、斜向裂縫以及極限荷載與T-2梁存在差異。

參與試驗的各試件均存在剪切破壞，裂縫發(fā)生部位集中在T形梁腹板處，部分裂縫與臨界斜裂縫呈平行的位置關(guān)系。預應(yīng)力筋彎起角度越大，預應(yīng)力筋數(shù)量越多，則斜裂縫分布的面積越大，數(shù)量越多，斜裂縫的傾角也越小。匯總各試件的極限荷載與撓度，具體結(jié)果如表2所示。根據(jù)表中內(nèi)容可知，無論是增加預應(yīng)力筋的數(shù)量，還是加大預應(yīng)力筋的彎起角度，均有助于提高試件的極限抗彎承載能力。對于T-2、T-5和T-8試件而言，其設(shè)置有預應(yīng)力筋，相比于T-1，極限抗剪承載力增幅分別達到25.37%、26.12%和31.49%；從彎起角度來看，則從水平狀態(tài)逐步發(fā)生變化(形成角度)，增加至12°時，T-5與T-2的極限承載力無明顯的差異，但該值增加至20°時，T-8試件較T-2、T-5而言有明顯的增加，增幅分別為4.88%和4.26%。此外在增加預應(yīng)力筋數(shù)量的方式下，可以提高梁體的極限抗剪承載力[4-5]。

表2 極限荷載與撓度

3.3 結(jié)果分析

1)對于試驗狀態(tài)下的簡支梁，豎向裂縫率先開展，隨后是斜向裂縫，且隨著荷載的增加，斜向裂縫向支點附近發(fā)展。

2)相對普通鋼筋混凝土梁而言，預應(yīng)力混凝土T梁的極限荷載有明顯提高，且隨著預應(yīng)力大小和彎起角度增加，其極限荷載亦呈增大趨勢。

3)翼緣板寬度對極限荷載的影響并不顯著。

4)預應(yīng)力大小、彎起角度、翼緣板厚度對T梁的撓度影響不顯著，說明剪切破壞時其剛度主要由截面本身提供。

4 結(jié)束語

綜上所述，預應(yīng)力筋數(shù)量、彎起角度及翼緣寬度三項參數(shù)均會對預應(yīng)力混凝土T梁的性能帶來影響，在跨中集中荷載作用下，梁體處于剪壓破壞狀態(tài)。在預應(yīng)力增加時，梁體的受剪承載力明顯加大，顯現(xiàn)出較多的裂縫，傾斜角度減小；而在翼緣寬度增加時，受剪承載力僅有小幅度的增加，翼緣板的剪力滯后效應(yīng)明顯。

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