空心板梁鉸縫失效破壞的構(gòu)造優(yōu)化

空心板梁鉸縫失效破壞的構(gòu)造優(yōu)化

由于安裝的空心千鳥梁建筑高度低、重量輕、施工方便，可以大規(guī)模建成，形成大規(guī)模的工程預(yù)算。它在道路上的中小型直徑橋上得到了廣泛應(yīng)用。空心板梁間鉸縫構(gòu)造及整體化層厚度,是決定多片式空心板梁相互協(xié)同工作的重要構(gòu)造因素,而鉸縫構(gòu)造的優(yōu)劣取決于其傳遞荷載的能力。目前國內(nèi)多條高速公路上空心板梁橋存在因鉸縫失效,導(dǎo)致橋面鋪裝層沿鉸縫處縱向開裂等病害;鉸縫受力機理研究及其構(gòu)造優(yōu)化,已成為設(shè)計人員日益關(guān)注的技術(shù)難題。廣東省高速公路設(shè)計標準化課題組在廣泛調(diào)研國內(nèi)外空心板梁鉸縫構(gòu)造的基礎(chǔ)上,對增設(shè)端橫梁和加大整體化層厚度進行了對比分析,最終確定的構(gòu)造設(shè)計為深鉸縫+15cm整體化層,同時將腹板箍筋伸出預(yù)制梁頂面,與整體化層鋼筋網(wǎng)連接,加強預(yù)制梁與整體化層的整體性,確保各片空心板梁協(xié)同工作。由于此類構(gòu)造在空心板結(jié)構(gòu)中尚屬首次采用,設(shè)計人員對上述構(gòu)造下鉸縫的受力性能難以準確把握,且設(shè)計單位、咨詢單位及與會專家對整體化層厚度取值存在不同意見。鑒于此,設(shè)計標準化研究課題組決定對采用上述構(gòu)造的空心板梁鉸縫開展模型試驗研究,通過試驗測試分析鉸縫的受力性能。1試驗?zāi)Ｐ?.1不同整體化層厚度對響應(yīng)分析的影響為了測試空心板梁間鉸縫的受力性能,試驗在局部足尺模型上開展測試工作。模型橫橋向由三片空心板梁及兩道鉸縫組成,空心板梁根據(jù)跨中截面實際尺寸制作,試驗?zāi)Ｐ晚槝蛳蜷L度取100cm,梁高85cm,寬124cm,頂?shù)装搴窬鶠?2cm,鉸縫構(gòu)造及鋼筋設(shè)置均與設(shè)計標準一致。為了模擬現(xiàn)狀空心板梁橋存在的鉸縫失效病害,同時研究不同整體化層厚度對鉸縫受力性能的影響,試驗時將模型分為兩類進行制作。第一類:梁間鉸縫按設(shè)計要求施工,鉸縫處梁體腹板進行鑿毛處理,模擬鉸縫混凝土與預(yù)制梁混凝土黏結(jié)正常時鉸縫的受力性能。此類模型整體化層厚度分4種情況考慮,即無整體化層、厚10,12和15cm整體化層。第二類:梁間鉸縫施工時采用塑膠薄膜隔絕鉸縫混凝土與預(yù)制梁混凝土之間的黏結(jié),模擬鉸縫施工質(zhì)量不良時鉸縫的受力性能。此類模型整體化層厚度分3種情況考慮,即10,12和15cm整體化層。根據(jù)模型鉸縫黏結(jié)形式及整體化層的不同厚度,分別將試驗?zāi)Ｐ途幪?表1),兩類模型梁共制作了7個,第二類模型梁構(gòu)造見圖1。1.2設(shè)置鋼筋應(yīng)變測點及鋼絞線模型模型的澆筑順序按照實橋施工順序進行。模型制作施工流程為:①鋼筋綁扎;②布置鋼筋應(yīng)變測點;③單個空心板梁澆筑,蒸汽養(yǎng)護16h;④拼裝三塊空心板梁,按照兩類不同模型的要求澆筑鉸縫及整體化層;⑤蒸汽養(yǎng)護16h后,拆模并進行鉸縫防護、模型存放?？招陌迥Ｐ椭瞥尚鸵妶D2。2測試點的配置和測試加載2.1測量點的配置2.1.1混凝土應(yīng)變測點布置1)在模型制作過程中,每個鉸縫處選擇2根下緣橫向水平搭接鋼筋,預(yù)貼8個應(yīng)變測點,1根交叉鋼筋預(yù)貼3個應(yīng)變測點,每個鉸縫共11個鋼筋應(yīng)變測點。2)整體化層混凝土沿截面高度應(yīng)變的測試,在每個模型2個鉸縫處頂端整體化層的兩側(cè)沿截面高度布置4~6個混凝土應(yīng)變測點(共16~24個測點),測試整體化層在試驗過程中受力情況。測點布置見圖3。2.1.2兩側(cè)空心板梁響應(yīng)分析1)測試模型兩側(cè)空心板梁的轉(zhuǎn)角,每個模型頂面每條鉸縫處布置2個豎向位移測點(共4個測點),測試兩側(cè)空心板梁在豎向荷載作用下?lián)隙却笮?換算成兩側(cè)空心板梁間鉸縫轉(zhuǎn)角隨荷載關(guān)系,推算鉸縫開裂荷載。測點布置見圖4。2)空心板梁鉸縫沿截面高度橫向變形的測試,在每個梁單側(cè)每條鉸縫處沿截面高度布置3個橫向變形測點(共6個測點),測試鉸縫開裂狀況,測點布置見圖5。2.2相鄰梁體約束本次模型試驗采用500kN脈沖疲勞試驗機進行加載,試驗機精度為Ⅰ級。試驗時采用550mm×300mm×100mm板式橡膠支座在外側(cè)梁體底板中央提供豎向彈性支撐,利用橡膠支座的剪切及轉(zhuǎn)動能力,模擬多片式空心板梁在正常使用過程中相鄰梁體的約束;在中間空心板梁頂板中心通過試驗機作動器分級施加豎向荷載,直至空心板梁間鉸縫混凝土或者整體化層混凝土破壞為止,加載狀況見圖6。為了較準確記錄模型鉸縫的開裂荷載及破壞形態(tài),采用逐級遞加的方式,從0開始加載,以20kN為一級,加載至模型鉸縫或者整體化層破壞為止,最終得出每個模型的極限承載能力。3試驗結(jié)果的分析3.1梁體旋轉(zhuǎn)1鉸縫混凝土與梁體腹板混凝土脫開模型在較小荷載作用下,鉸縫轉(zhuǎn)角與荷載呈較好的線性相關(guān),鉸縫混凝土與梁體腹板混凝土黏結(jié)未破壞;隨著試驗荷載不斷加大,鉸縫混凝土與梁體腹板混凝土出現(xiàn)脫開,鉸縫連接力變?yōu)閮H靠鉸縫底端橫向水平鋼筋承受,模型整體剛度降低,推算該類模型鉸縫開裂荷載見表2,HJUF-1及HJUF-4(整體化層厚度分別為15,0cm)模型鉸縫轉(zhuǎn)角與荷載關(guān)系分別見圖7、圖8。2鉸縫開裂后梁間鉸縫傳遞彎矩變化與第一類模型相比,第二類模型傳遞彎矩能力偏小,分別為43%,54%,31%,在第一類模型鉸縫開裂以后,兩類模型鉸縫均僅靠鉸縫下緣鋼筋約束,鉸縫轉(zhuǎn)角隨荷載增大速率近乎一致,梁間鉸縫傳遞彎矩能力相當(dāng)。兩類模型(HJUF-2,HJF-2)鉸縫轉(zhuǎn)角隨荷載變化關(guān)系如圖9所示。3鉸縫開裂前傳遞彎矩能力從鉸縫轉(zhuǎn)角測試結(jié)果可知,對于鉸縫混凝土鑿毛有黏結(jié)的第一類模型,整體化層越厚,鉸縫抗裂彎矩越大;在正常使用荷載作用下,15cm厚整體化層空心板梁鉸縫應(yīng)不會開裂,而12cm及10cm厚整體化層空心板梁鉸縫將出現(xiàn)開裂。鉸縫開裂前傳遞彎矩的能力介于剛接和鉸接之間,鉸縫處鑿毛黏結(jié)模型開裂前傳遞彎矩能力明顯優(yōu)于鉸縫處無黏結(jié)模型,鉸縫開裂后與無黏接的第二類模型相近,接近于鉸接模式,兩類模型傳遞彎矩能力相當(dāng)。無整體化層模型抗裂彎矩遠小于理論計算正常使用荷載值。3.2高荷載鋼鉸縫模型第一類模型開裂前鉸縫處于全截面受力狀態(tài),鉸縫處混凝土換算應(yīng)變與荷載呈線性變化。隨著試驗荷載增大,鉸縫下緣混凝土開裂,裂縫擴展速率加快;第二類模型鉸縫由于混凝土間黏結(jié)力失效,梁間鉸縫加載之初已開裂,裂縫寬度隨荷載增加不斷增大。兩類模型(HJUF-2,HJF-2)鉸縫下緣變形隨荷載變化關(guān)系如圖10所示。從圖可以看出,第二類模型鉸縫下緣變形明顯大于第一類模型。3.3裂荷載時鋼筋應(yīng)力對于第一類模型,在鉸縫混凝土開裂前,鉸縫內(nèi)水平筋應(yīng)力水平很低,當(dāng)試驗荷載達到開裂荷載時,水平鋼筋應(yīng)力水平較高,鋼筋受力顯著。在相同荷載作用下,第二類模型水平鋼筋應(yīng)力顯著高于第一類模型。兩類模型鉸縫內(nèi)交叉鋼筋,在鉸縫傳力過程中應(yīng)力值處于很低水平,且隨著試驗荷載增大僅略微增加,表明內(nèi)交叉鋼筋在鉸縫傳遞彎矩和剪力作用較小。3.4整體化層下緣應(yīng)力試驗荷載從0增大到最大剪力工況過程中,兩類模型整體化層均處于全截面受壓狀態(tài);當(dāng)試驗荷載繼續(xù)增大時,第二類模型整體化層下緣將出現(xiàn)拉應(yīng)力作用。各個模型整體化層下緣從受壓轉(zhuǎn)變?yōu)槭芾瓡r的臨界荷載見表3。從表3測試結(jié)果可知,鉸縫黏結(jié)有效模型整體化層受拉臨界荷載明顯高于鉸縫黏結(jié)無效模型,當(dāng)試驗荷載超過模型整體化層受力臨界荷載后,整體化層下緣將產(chǎn)生拉應(yīng)力。實橋運營過程中,活載反復(fù)作用下產(chǎn)生的剪力將導(dǎo)致鉸縫處整體化層混凝土的開裂、破壞,最終造成橋面鋪裝的縱向開裂破壞。4鉸縫—結(jié)論1)對于鉸縫鑿毛黏結(jié)模型,整體化層越厚,鉸縫抗裂彎矩越大,在相同荷載作用下鉸縫下緣裂縫寬度越小;在正常使用荷載作用下,15cm厚整體化層空心板梁鉸縫應(yīng)不會開裂。無整體化層模型抗裂彎矩遠小于理論計算正常使用荷載值。2)開裂前鉸縫處鑿毛黏結(jié)模型傳遞彎矩能力明顯優(yōu)于鉸縫處無黏結(jié)模型,傳遞彎矩的能力介于剛接和鉸接之間;開裂后兩類模型傳遞彎矩能力相當(dāng),近乎于鉸接模式;在正常使用荷載作用下,鉸縫無黏結(jié)模型下緣變形明顯大于鉸縫鑿毛黏結(jié)模型。3)鉸縫鑿毛黏結(jié)模型鉸縫開裂前水平筋應(yīng)力值較低,鉸縫開裂后水平筋受力顯著上升;鉸縫鑿毛黏結(jié)模型水平筋應(yīng)力水平低于鉸縫無黏結(jié)模型。4)在正常使用荷載最大彎矩工況荷載作用下,兩類模型鉸縫內(nèi)交叉筋應(yīng)力值水平較低,隨著試驗荷載增大僅略微增加,表明鉸縫內(nèi)交叉筋在鉸縫傳遞彎矩和剪力過程中作用較小。5)在正常使用荷