预制节段混凝土梁干接缝抗剪性能尺寸效应研究

预制节段混凝土梁干接缝抗剪性能尺寸效应研究
广东工业大学冯家辉1，梁伟斌2
（广东工业大学土木与交通工程学院，广东省广州市，510006）
（发表于工业建筑，2017年7月）
指导老师：姜海波教授
摘要：预制节段干接缝混凝土梁在设计和施工过程需要充分考虑箱梁的几何形状和混凝土成分等因素。

实验目的是研究构件厚度和粗骨料粒径对单键齿干接缝抗剪强度的影响，通过推出实验测得在直剪作用下构件的极限抗剪强度和破坏模式。

实验结果表明：构件厚度与极限强度之间呈现轻微的正相关关系，而粗骨料尺寸的影响不明显。

建立有限元分析模型研究拉应力的分布，模拟结果和实验结果的抗剪强度、破坏模式保持良好的一致性。

Abstract: This study aims to investigate the effect of specimen thickness and coarse aggregate size on shear strength of single-keyed dry joints in precast concrete segmental bridges, which are dominant for bridges designers in deciding box geometry and requiring the concrete constituents. In this paper, shear performance of single-keyed dry joints is assessed in terms of ultimate shear strength and failure modes under direct shear. There tends to be slightly positive correlation between specimen thickness and ultimate shear strength, while the influence of coarse aggregate size was obscure. A finite-element analysis model was established to investigate the distribution of tensile stress. Good agreement was observed between the experimental results and the finite-element analysis in terms of shear strength and failure modes.
关键词：预制节段；干接缝；抗剪性能；尺寸效应
Keywords：precast segmental; dry joints; shear behavior; size effect
引言
预制节段混凝土梁在国内的大型桥梁中逐渐被广泛应用，工程师们在施工中更倾向于采用干接缝，以满足工程施工快速化的要求。

但是目前缺乏对接缝的几何构造和力学性能的系统研究。

接缝的剪力键起着传递界面上剪力的作用。

研究结果表明，接缝的破坏是因为剪力键被剪切断裂，在直剪作用下键齿干接缝的抗剪强度取决于平面之间的摩擦阻力和剪力键的支撑作用[1,2]。

构件分别受到纯弯、纯剪或弯剪组合的作用力时，其承载力和断裂现象存在差异[3]。

通常剪力键部位没有钢筋，因此其抗剪承载力完全取决于混凝土的抗拉强度。

通过数值模拟发现，提高混凝土的抗拉强度可以提高接缝的抗剪承载力[4]。

剪应力传递过程中，键齿内部出现压应力，抑制了内部拉应力的影响并提高其承载力[5]。

键齿数量在预制接缝中起着重要作用。

通过有限元分析剪力键的数量从1到7的情况，随着剪力键的数量增加，接缝传递的剪应力减小，但这种效应随着接缝中约束力的增强而下降[6]。

研究表明，AASHTO 规范[7]低估了单键干接缝的抗剪强度，但高估了三键干接缝的抗剪强度[8]。

除了考虑键齿效应之外，环氧树脂胶可以提高剪力键的极限抗剪强度，并改善键齿拼装不吻合的缺陷，但是胶接缝发生更加脆性的破坏失效[2]。

由于忽略环氧树脂胶的作用[9]，所以AASHTO低估了单键环氧树脂接缝的抗剪强度。

通过建立有限元模型研究分析发现摩擦力对干接缝的抗剪承载力作用随着约束力的增加而下降[10]；胶接缝的初始刚度并没有随着约束力的增加而改变，但是胶接缝的峰值荷载增加[4]。

综上所述，剪切断裂机理、剪力键数量、以及干接缝和胶接缝的抗剪性能已被广泛研究。

但是构件厚度和粗骨料尺寸对单键干接缝的直剪破坏机理的研究尚不全面和深入，以往的研究成果是否还能适用，因此有必要对此进行深入的研究。

一、试验概况
国家级大学生创新创业训练计划支持项目（201611845033）
作者简介：冯家辉（1995-），男，广东湛江人，道路桥梁与渡河工程，本科大四，研究方向为预制桥梁的力学性能。

为了更精确地研究剪力在接缝的剪力键上传递的情况，采用Z 型构件进行直剪作用下的推出试验，如图 1 所示。

为了使构件的干接缝的剪力键先发生破坏，在非剪力键部位配置构造钢筋。

本次试验参数包括构件厚度（10 cm、15 cm和20 cm）、粗骨料粒径（5-10 mm和5-25 mm）以及水平正应力（0.5 MPa、1.0 MPa和2.0 MPa），每组参数制作2个构件，对36个构件进行直剪试验。

为便于区别构件的类型，对构件进行编号：如编号K1-C4-T10-D10-0.5为单键齿（K1）、阳键齿混凝土圆柱体的抗压强度为C40（C4）、厚度为10 cm（T10）、粗骨料最大粒径为10 mm（D10），水平正应力为0.5 MPa。

图1 构件尺寸和钢筋布置
试验竖向加载设备采用电液伺服压力试验机，水平约束力由在构件两侧布置了水平加载装置的千斤顶施加, 如图2 所示。

在试验开始前，施加水平荷载至初始正应力的设计值。

接着对构件进行预加载，采用荷载控制的加载模式。

在正式试验加载时，采用位移控制的加载模式，分级记录传感器的测量结果。

位移控制每级位移增大0.1 mm加载，每级恒载5分钟后采集数据，同时观测并记录裂缝的发展。

直至构件破坏，每级位移增大0.2 mm加载，竖向相对滑移值的平均值达到6 mm时停止加载。

图2 构件加载装置图3 裂缝破坏形态及应力分布
二、试验结果及分析
（一）实验结果
为便于定点观察裂缝的发生和发展，用铅笔在构件表面描绘2 cm ×2 cm的网格线，在加载试验过程时，采用裂缝观测仪量测记录裂缝发展的过程，用铅笔在构件表面描绘裂缝，标注出现顺序以及对应的荷载。

裂缝破坏形态如图3 所示。

接缝部位开裂前，构件处于弹性阶段，各构件的起始刚度相差不大。

随着裂缝的产生和发展，构件的刚度不断减小。

达到极限荷载以后，斜裂缝基本出齐，构件的接缝中间部位形成一条明显较其他裂缝宽度大的裂缝，构件已经被破坏，构件刚度大幅下降。

随即剪切荷载骤减至残余值，由平面接触部分的界面摩擦和剪切破坏面上的骨料咬合摩擦提供抗剪承载力。

（二）抗剪强度的主要影响因素分析
1.构件厚度
如图4 所示，抗剪强度和构件厚度曲线增长趋势呈正相关，表明增加构件厚度能提高极限抗剪强度。

如图5 所示，T15构件分为内部混凝土和两个外部混凝土。

外部混凝土可看作约束力，而内部混凝土则视为约束混凝土，内部混凝土被外部混凝土约束。

另一方面，T15内部混凝土的正应力大于T10构件的正应力。

因此，T15构件的极限抗剪强度大于T10构件的极限抗剪强度。

类似地推断，T20构件的极限抗剪强
度大于T15构件的极限抗剪强度。

结果还表明，极限抗剪强度的增量会随着构件厚度的增加而减小，说明构件厚度的效应逐渐衰减。

原因是构件厚度越大，外部混凝土离内部混凝土的中轴越远。

因此，外部约束力将会减小。

100
150
200
0.0
0.3
0.6
0.9
1.2
极限抗剪强度 (M P a 1/2)
构件厚度 (mm)
D10-0.5 D10-1.0 D10-2.0 D25-0.5 D25-1.0 D25-2.0
图4 构件厚度对极限抗剪强度的影响
图5 构件厚度的应力分布
2.粗骨料粒径
如图 6 所示，当水平正应力为0.5 MPa 和2.0 MPa 时，D10构件比D25构件具有更高的极限抗剪强度。

D10粗骨料的混凝土抗拉强度高于D25，与上述极限抗剪强度结果吻合较好。

大颗粒倾向于在粗集料和水泥浆之间的过渡区产生更多的微裂纹。

粗骨料尺寸越大，针状颗粒越多，聚集体表面上的水膜越容易聚集水，从而弱化界面过渡区。

然而当正应力为1.0 MPa 时，D25构件的极限抗剪强度大于D10构件。

因此，粗骨料尺寸对极限抗剪强度的影响是还有待进一步的研究。

0.0
0.3
0.6
0.9
1.2
极限抗剪强度 (M P a 1/2)
粗骨料最大粒径 (mm)
T10-0.5
T15-0.5 T20-0.5 T10-1.0 T15-1.0 T20-1.0 T10-2.0 T15-2.0 T20-2.0
图6 粗骨料粒径对极限抗剪强度的影响 0.6
0.70.80.91.01.11.2极限剪切强度 (M P a 1/2)
混凝土抗拉强度 (MPa)
D10-0.5 D10-1.0 D10-2.0 D25-0.5 D25-1.0 D25-2.0
图7 极限剪切强度和混凝土抗拉强度的关系
3.混凝土抗拉强度
如图 7 所示，D10构件的极限抗剪强度与混凝土抗拉强度呈正相关。

这一观察结果与文献[4]的研究结果一致。

然而D25构件的曲线呈现先上升后下降的趋势。

需要对D25构件进一步研究，才能更好地探究混凝土抗拉强度对极限抗剪强度的影响。

实验结果还表明，水平正应力对干接缝的抗剪性能存在显著的影响，增大水平正应力能显著提高构件的极限抗剪强度。

三、有限元模型分析
在ABAQUS 三维实体建模过程中，采用实体单元C3D8R 模拟混凝土，钢筋采用桁架单元T3D2，选择塑性损伤本构模型用于模拟混凝土的弹塑性行为。

该本构模型主要以两种破坏形式来描述混凝土的破坏，即拉伸开裂和压缩破碎。

本构模型的剪胀角、流量偏心率、黏性系数分别取38，0.1，0.0001。

混凝土单轴与双轴状态下的强度比值00b c f f 为1.16。

如图 8 所示，从数值分析中获得的载荷-位移曲线和实验获得的曲线趋势保持高度一致。

模拟曲线的上升段的斜率比实验曲线稍微更陡，峰值载荷对应位移的模拟值比实验值小。

原因是在构件制作或组装时，干接缝并不能完全刚好吻合，而有限元模型是理想化的。

图4为构件K1-C4-T15-D10-0.5分别在载荷为143.05 kN 时的主应力分布，可以看到，主拉应力主要分布在阳键齿的底部和中轴剪切面，与实验的裂缝发展趋势完全一致。

竖向荷载 (k N )
竖向相对位移 (mm)
图8 有限元分析曲线和实验值的对比
T 10-D 2T 10
-D 1极限荷载 (k N )
T 10-D
10T 10-D 25T 10-D
1T 10-D 25T 15-D 25T 15-D
1T 15-D
10T 15-D 25T 15-D
10T 15-D 25T 20-D 25T 20-D 10T 20-D 10T 20-D 25T 20-D
10T 20-D 25
图 9 极限荷载的模拟值和实验值
通过数值分析获得全部单键干接缝构件的极限载荷，如图9所示，从左到右呈现明显的上升趋势。

在构件厚度和水平正应力相同的条件下，D10构件的极限荷载值与D25构件的极限荷载值几乎相同。

对于T10构件在0.5 MPa 的约束力情况下，构件厚度对极限荷载增量的影响比水平正应力的更为显著；在其他构件如T10和T15构件在1.0 MPa 的约束力下，也出现了构件厚度对极限荷载增量的影响更显著的结果。

五、结论
（1）抗剪强度和构件厚度曲线增长趋势呈正相关，表明增加构件厚度能提高极限抗剪强度。

内部混凝土视为约束混凝土，被外部混凝土约束。

构件厚度越大，外部混凝土离内部混凝土的中轴越远，外部约束力将会减小，因此极限抗剪强度的增量会随着构件厚度的增加而减小，
（2）极限抗剪强度的下降可能是因为粗骨料尺寸的增加引起的。

大颗粒在粗集料和水泥浆之间的过渡区产生更多的微裂纹，针状颗粒越多，聚集体表面上的水膜越容易聚集水，从而弱化界面过渡区。

（3）建立有限元分析模型研究拉应力的分布，模拟结果和实验结果的抗剪强度和破坏模式保持良好的一致性。

主拉应力主要分布在阳键齿的底部和中轴剪切面，构件厚度对极限荷载增量的影响比水平正应力的更为显著。

参考文献
[1] Buyukozturk O, Bakhoum MM, Bettie SM. Shear behavior of joints in precast concrete segmental bridges[J]. J. Struct. Eng . 1990,12(3380):3380-3401. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9445(1990)116
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