混凝土空心板梁鉸縫損傷研究

孫海峰，吳正光，康愛紅,b，顧 萬，沈 楸，張永健

(揚(yáng)州大學(xué) a.建筑科學(xué)與工程學(xué)院;b.城市規(guī)劃與發(fā)展研究院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

混凝土空心板梁是由澆筑鉸縫混凝土鉸接而成的橋面結(jié)構(gòu)，因其構(gòu)造原因易出現(xiàn)損傷，導(dǎo)致鉸縫部分或全部失效[1-2]，而鉸縫損傷會(huì)削減板梁的橫向傳力，甚至形成單板受力[3-5]。

受制于室內(nèi)試驗(yàn)條件，難以對(duì)較大尺寸的混凝土板梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)大跨徑混凝土梁進(jìn)行了縮尺結(jié)構(gòu)試驗(yàn)。文獻(xiàn)[6]對(duì)20 m的板梁進(jìn)行了8 m的縮尺，研究得到在跨中兩側(cè)縮尺梁的損傷對(duì)稱分布。文獻(xiàn)[7-9]對(duì)4 m縮尺梁進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，分析了疲勞作用下板梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的損傷。文獻(xiàn)[10]將32 m混凝土梁按1/6縮尺，將梁體裂縫開展劃分為3個(gè)階段。文獻(xiàn)[11]對(duì)不同加載位置的預(yù)應(yīng)力混凝土板梁極限荷載進(jìn)行了研究，以板梁極限狀態(tài)下承載力和延性為指標(biāo)，對(duì)橋梁技術(shù)性能進(jìn)行評(píng)估。文獻(xiàn)[12]分析了4片混凝土空心板鉸接梁在循環(huán)荷載下鉸縫的受力。文獻(xiàn)[13]測(cè)試了車輛作用下板梁結(jié)構(gòu)撓度，當(dāng)相對(duì)位移大于0.025 4 mm時(shí)，鉸縫混凝土易開裂。文獻(xiàn)[14]按1∶5的比例進(jìn)行縮尺，研究了T形梁開裂后抗彎剛度變化規(guī)律。

目前，國內(nèi)外研究大部分集中于混凝土空心板梁的劣化性能，且對(duì)于板梁與鉸縫的研究多通過軟件模擬，少有室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)鉸縫劣化規(guī)律的研究。本文通過有限元軟件，以8 m梁對(duì)20 m梁進(jìn)行縮尺模擬，通過8 m梁單梁靜載試驗(yàn)驗(yàn)證了縮尺模擬的合理性，對(duì)3片8 m長的縮尺梁板組合成鉸接體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，探究了板梁和鉸縫的劣化規(guī)律。

1 混凝土板梁結(jié)構(gòu)參數(shù)及縮尺梁設(shè)計(jì)

1.1 混凝土板梁結(jié)構(gòu)參數(shù)

原型梁為常用的20 m先張法標(biāo)準(zhǔn)梁板，其截面如圖1所示?？s尺梁長度為8 m，橫向尺寸為原梁的1/2，梁板配筋率相似，其截面設(shè)計(jì)和配筋如圖2和圖3所示。

圖1 原型梁截面幾何尺寸(cm)

圖2 縮尺梁截面幾何尺寸(cm)

圖3 縮尺梁配筋(cm)

采用的預(yù)應(yīng)力鉸縫混凝土為C35，整體化現(xiàn)澆混凝土為C40，板端封頭混凝土為C25。采用ΦS12.9鋼絞線，fptk=1 960 MPa，松弛率為3.5%(JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》)。

1.2 縮尺梁與原型梁有限元模擬校驗(yàn)

為了研究8 m縮尺梁與20 m原梁在板梁損傷和鉸縫破壞等方面的相似度，利用ABAQUS軟件進(jìn)行有限元模型建立及力學(xué)分析。通過極限狀態(tài)下縮尺梁與原型梁在主壓應(yīng)力、豎向位移、裂縫發(fā)展等指標(biāo)的差異反映兩者的相似性，縮尺梁與原型梁極限狀態(tài)對(duì)比見表1。

表1 縮尺梁與原型梁極限狀態(tài)對(duì)比

計(jì)算得出原型梁與縮尺梁破壞模式均為受彎破壞，均在1/4跨至跨中部位產(chǎn)生破壞，兩者荷載-撓度曲線相似，說明兩者的破壞過程也具有一定的相似性，且主壓應(yīng)力、豎向位移以及裂縫發(fā)展也具有一定相似性，因此，通過8 m縮尺梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，可以在一定程度上反映出20 m原型梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能規(guī)律。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 單梁靜載試驗(yàn)

將單梁橫架在0.8 m高的承臺(tái)上，板梁與承臺(tái)間放置的橡膠支座模擬板梁實(shí)際服役狀態(tài)。在混凝土梁體布置36個(gè)應(yīng)變片，梁底布置5個(gè)撓度位移計(jì)，分別用來測(cè)量應(yīng)變和撓度的變化，兩者布置位置及編號(hào)如圖4所示。采用單點(diǎn)加載法對(duì)單梁跨中進(jìn)行分級(jí)加載，每級(jí)靜力荷載分別為5 kN，直至板梁破壞，并記錄板梁在荷載作用下產(chǎn)生的撓度、應(yīng)變及開裂過程。

圖4 撓度計(jì)和應(yīng)變片布置位置及編號(hào)

2.2 三片梁鉸接體系試驗(yàn)

將3片預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橫向拼接，并在鉸縫內(nèi)澆筑C35混凝土進(jìn)行填充，混凝土板梁的兩端各通過2個(gè)橡膠支座支撐在混凝土承臺(tái)之上，進(jìn)行三片梁鉸接體系試驗(yàn)。在鉸接體系靜載過程中，試驗(yàn)以加載力為控制，每級(jí)加載10 kN并等待10 min，記錄試驗(yàn)過程中不同荷載下梁體產(chǎn)生的裂縫走向，并在兩條鉸縫的頂部凹槽內(nèi)注水，及時(shí)觀察鉸縫損傷過程中滲水的位置及對(duì)應(yīng)荷載等級(jí)。位移計(jì)布置及編號(hào)示意圖見圖5，應(yīng)變片布置及編號(hào)示意圖見圖6。

圖5 位移計(jì)布置及編號(hào)示意圖

圖6 應(yīng)變片布置及編號(hào)示意圖

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 單梁靜載試驗(yàn)分析

3.1.1 裂縫發(fā)展

臨近板梁發(fā)生破壞時(shí)，板梁外側(cè)最終裂縫開展及分布結(jié)果如圖7所示。當(dāng)加載至60 kN時(shí)，梁底跨中處產(chǎn)生2條對(duì)稱分布的裂縫。加載至80 kN時(shí)，跨中底部第1條裂縫貫通。當(dāng)加載到90 kN時(shí)，梁體1/4跨和3/4跨處發(fā)現(xiàn)裂縫。當(dāng)荷載達(dá)到120 kN時(shí)，跨中裂縫蔓延至梁高的1/2，1/4跨和3/4跨處的裂縫向跨中頂部延伸。當(dāng)荷載達(dá)到120 kN時(shí)，梁底裂縫產(chǎn)生1.5 mm的開口。荷載加載至198 kN時(shí)，板梁完全斷裂。

圖7 175 kN荷載時(shí)板梁外側(cè)裂縫開展及分布

3.1.2 荷載-位移曲線

單梁靜力試驗(yàn)及軟件模擬的跨中處荷載-撓度曲線如圖8所示。由圖8可知：單梁靜力試驗(yàn)獲取的荷載-撓度曲線較模擬所得略高，試驗(yàn)、模擬所得開裂荷載分別為60.0 kN、58.3 kN，所得極限荷載分別為198.0 kN、192.5 kN，相對(duì)誤差均小于5%，說明通過8 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁反映20 m混凝土梁的特性是合理的。

圖8 跨中處荷載-撓度曲線

隨著跨中荷載逐漸增大，板梁產(chǎn)生的撓度逐漸增加，荷載-撓度曲線可大致劃分為0～<40 kN、40 ～155 kN和>155 kN～198 kN這3個(gè)階段。當(dāng)荷載小于40 kN時(shí)，跨中撓度增長較為緩慢；荷載為40～155 kN時(shí)，板梁跨中處撓度增速變快，增幅范圍較為穩(wěn)定，說明板梁受力處于彈性階段；當(dāng)施加荷載大于155 kN時(shí)，板梁受力轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄云茐?，板梁結(jié)構(gòu)隨時(shí)可能面臨破壞。

板梁對(duì)稱位置在荷載作用下產(chǎn)生的撓度十分接近，達(dá)到極限荷載時(shí)，板梁跨中撓度為69.96 mm，1/4跨和3/4跨處撓度分別為37.24 mm和36.77 mm，梁的兩端撓度分別為13.59 mm和11.87 mm。

3.1.3 荷載-應(yīng)變曲線

板梁不同編號(hào)對(duì)應(yīng)的荷載-應(yīng)變曲線如圖9～圖10所示。板梁跨中外側(cè)應(yīng)變最大達(dá)到7 217 με，內(nèi)側(cè)達(dá)到3 936 με。當(dāng)荷載達(dá)到100 kN時(shí)，梁底應(yīng)變開始急劇增長，說明梁底的應(yīng)變變化與荷載具有較強(qiáng)的相關(guān)性?？缰胁课惶帨y(cè)點(diǎn)3在荷載為75 kN時(shí)就開始增長，可能是跨中裂縫對(duì)其有影響。

圖9 板梁梁底1～6測(cè)點(diǎn)應(yīng)變

圖10 板梁外側(cè)及內(nèi)側(cè)7～9測(cè)點(diǎn)荷載-應(yīng)變曲線

3.1.4 板梁損傷劣化規(guī)律

根據(jù)單梁靜載試驗(yàn)過程中裂縫的發(fā)展及荷載-位移、荷載-應(yīng)變曲線等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，板梁的損傷等級(jí)可分為5個(gè)階段。

單梁靜載梁體損傷狀態(tài)如圖11所示。板梁的極限荷載為198 kN，在未達(dá)到極限荷載的30%時(shí)，板梁處于完好狀態(tài)；當(dāng)荷載為極限荷載的30%～35%時(shí)，板梁跨中底部產(chǎn)生兩條對(duì)稱的裂縫，損傷等級(jí)為一級(jí)損傷；當(dāng)荷載為極限荷載的35%～45%時(shí)，板梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯受彎破壞，裂縫逐漸發(fā)展，損傷等級(jí)為二級(jí)損傷；當(dāng)荷載為極限荷載的45%～60%時(shí)，梁體1/4跨和1/3跨處開始出現(xiàn)裂縫，并逐漸貫通，損傷等級(jí)為三級(jí)損傷；當(dāng)荷載為極限荷載的60%～77.5%時(shí)，梁底裂縫已產(chǎn)生較大開口，損傷等級(jí)為四級(jí)損傷，如圖11a所示；當(dāng)荷載超過極限荷載的77.5%時(shí)，跨中裂縫發(fā)展距梁頂面7.5 cm處，梁底裂縫開口較大，混凝土產(chǎn)生“呲呲”開裂聲，板梁結(jié)構(gòu)隨時(shí)可能斷裂破壞，損傷等級(jí)為五級(jí)損傷，如圖11b所示。

(a) 四級(jí)損傷裂縫發(fā)展

3.2 鉸接梁試驗(yàn)分析

3.2.1 裂縫發(fā)展

隨著荷載逐漸增加，鉸接梁逐漸產(chǎn)生變形，荷載達(dá)到130 kN時(shí)，中梁跨中處產(chǎn)生首條橫向裂縫；荷載達(dá)到180 kN時(shí)，外梁跨中處首次產(chǎn)生橫向裂縫。荷載達(dá)到200 kN時(shí)，內(nèi)梁跨中處產(chǎn)生首條橫向裂縫，此時(shí)外板的底部橫向裂縫逐漸擴(kuò)展至腹板處。荷載達(dá)到210 kN時(shí)，裂縫向板梁頂端蔓延。當(dāng)荷載達(dá)到230 kN時(shí)，鉸縫Ⅱ在跨中處有2處滲水。當(dāng)荷載達(dá)到280 kN時(shí)，鉸縫Ⅰ的跨中處出現(xiàn)2處鉸縫滲水。當(dāng)荷載達(dá)到300 kN時(shí)，鉸縫Ⅱ全線開始滲水。當(dāng)荷載達(dá)到330 kN時(shí)，外梁與內(nèi)梁的腹板豎向裂縫不斷擴(kuò)展，外梁裂縫分布情況見圖12。加載至350 kN時(shí)，中梁跨中處斷裂。

圖12 外梁裂縫分布情況

3.2.2 荷載-位移曲線

三片梁梁底不同測(cè)點(diǎn)荷載-撓度曲線如圖13所示。由圖13可知，中梁跨中處梁底的下?lián)显鲩L分為兩個(gè)階段：當(dāng)荷載未到達(dá)230 kN時(shí)，荷載-撓度曲線大致呈線性變化；當(dāng)荷載達(dá)到230 kN時(shí)，梁體剛度發(fā)生轉(zhuǎn)變，荷載作用下板梁撓度快速增長，且三片板梁在1/4跨、跨中和3/4跨處的荷載-撓度曲線也呈現(xiàn)出兩階段的變化過程。達(dá)到極限荷載時(shí)，中梁各跨的撓度分別為15.228 mm、23.546 mm和15.152 mm。荷載作用下中梁各處的下?lián)细哂谄溆鄡善?，外梁撓度要稍大于?nèi)梁，說明鉸縫Ⅰ的傳力效果較好。在板梁劣化前期，中梁將荷載向兩側(cè)梁傳遞，鉸縫Ⅰ最先受到破壞。

圖13 三片梁梁底不同測(cè)點(diǎn)荷載-位移曲線

3.2.3 荷載-錯(cuò)臺(tái)曲線

在鉸縫相鄰兩片梁上固定U型位移計(jì)，測(cè)量兩片板梁的豎向位移差值(錯(cuò)臺(tái))。兩條鉸縫在荷載作用下不同位置產(chǎn)生的錯(cuò)臺(tái)如圖14所示。當(dāng)荷載較小時(shí)，鉸縫錯(cuò)臺(tái)數(shù)值變化幅度不明顯，此時(shí)鉸縫未產(chǎn)生明顯損傷；當(dāng)荷載達(dá)到200 kN以上時(shí)，兩條鉸縫在各跨處的錯(cuò)臺(tái)數(shù)值迅速增長，且鉸縫Ⅰ產(chǎn)生的錯(cuò)臺(tái)大于鉸縫Ⅱ，說明鉸縫Ⅰ產(chǎn)生的損傷比鉸縫Ⅱ大。直接承受荷載作用的跨中處鉸縫錯(cuò)臺(tái)較高。當(dāng)中梁達(dá)到極限荷載345 kN時(shí)，鉸縫Ⅰ在各跨處產(chǎn)生的錯(cuò)臺(tái)分別為1.024 mm、3.932 mm和1.148 mm。

圖14 梁底鉸縫不同測(cè)點(diǎn)荷載-錯(cuò)臺(tái)曲線

3.2.4 荷載-開合曲線

在鉸縫相鄰兩片梁上固定水平位移計(jì)，測(cè)量荷載作用下相鄰板梁在水平方向產(chǎn)生的位移(開合)，開合測(cè)試結(jié)果如圖15所示。開合的數(shù)值高于錯(cuò)臺(tái)，荷載增加到275 kN以上時(shí)，鉸縫的開合數(shù)值急劇增長。當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)，鉸縫Ⅰ在各跨處產(chǎn)生的開合分別為2.542 mm、5.163 mm和2.236 mm。

圖15 三片梁梁底不同測(cè)點(diǎn)荷載-開合曲線

3.2.5 荷載-應(yīng)變曲線

三片梁梁底不同測(cè)點(diǎn)的荷載-應(yīng)變曲線如圖16所示，三片板梁跨中處應(yīng)變大于其他部位，直接承受荷載作用的中板跨中處應(yīng)變最大，外梁及內(nèi)梁在1/4跨與3/4跨處的應(yīng)變較為接近，說明鉸縫使板梁能夠橫向傳力。當(dāng)荷載達(dá)到345 kN時(shí)，三梁在跨中處的拉應(yīng)變分別為639.057 με、980.253 με和736.06 με。

圖16 三片梁梁底不同測(cè)點(diǎn)荷載-應(yīng)變曲線

3.2.6 鉸縫損傷裂化規(guī)律

根據(jù)鉸接梁試驗(yàn)中裂縫開展、鉸縫滲水等病害，及開裂荷載、極限荷載等對(duì)應(yīng)等級(jí)，以均值對(duì)鉸縫損傷階段進(jìn)行評(píng)價(jià)，板梁下?lián)?、錯(cuò)臺(tái)、開合及應(yīng)變具有較強(qiáng)的相關(guān)性，錯(cuò)臺(tái)、開合等指標(biāo)大致相近，鉸縫部分損傷狀態(tài)見圖17。鉸縫損傷狀態(tài)荷載臨界值分別為130 kN、180 kN、230 kN和300 kN。當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載的37.6%時(shí)，鉸縫處于完好狀態(tài)；當(dāng)荷載為極限荷載的37.6%～52.2%時(shí)，鉸縫處于輕微損傷狀態(tài)，中梁底板開始產(chǎn)生裂縫；當(dāng)荷載為極限荷載的52.2%～66.7%時(shí)，鉸縫處于中等損傷狀態(tài)，外梁底板跨中部位開始產(chǎn)生裂縫；當(dāng)荷載為極限荷載的66.7%～87.0%時(shí)，鉸縫Ⅱ在跨中處開始滲水，兩側(cè)腹板裂縫逐漸增加，鉸縫處于嚴(yán)重?fù)p傷狀態(tài)；當(dāng)荷載超過極限荷載的87.0%時(shí)，鉸縫失效。

(a) 鉸縫中等損傷

基于鉸縫不同損傷程度對(duì)應(yīng)的臨界荷載，通過8 m縮尺板梁反映20 m原型梁結(jié)構(gòu)和鉸縫的損傷規(guī)律。在鉸縫損傷的初期，板梁產(chǎn)生的撓度和應(yīng)變與荷載大致呈線性變化；鉸縫損傷從輕微損傷轉(zhuǎn)變?yōu)橹械葥p傷過程中，錯(cuò)臺(tái)和開合緩慢增長；當(dāng)鉸縫損傷處于嚴(yán)重狀態(tài)以上時(shí)，板梁剛度發(fā)生轉(zhuǎn)變，板梁撓度、應(yīng)變和鉸縫產(chǎn)生的錯(cuò)臺(tái)、開合呈非線性急劇增長。

4 結(jié)論

(1)將8 m與20 m混凝土空心板梁極限狀態(tài)時(shí)主壓應(yīng)力、裂縫發(fā)展、豎向位移等進(jìn)行了對(duì)比，并通過單梁靜載試驗(yàn)驗(yàn)證了縮尺梁的合理性。

(2)單梁的開裂荷載、極限荷載分別為60 kN和198 kN，首條裂縫出現(xiàn)在板梁跨中底部，隨后裂縫從1/4跨和3/4跨處產(chǎn)生，并向跨中蔓延。當(dāng)達(dá)到極限荷載時(shí)中板的1/4跨、跨中和3/4跨時(shí)，撓度分別為37.24 mm、69.96 mm和36.77 mm。

(3)鉸接梁的開裂荷載、剛度轉(zhuǎn)變荷載、極限荷載分別為130 kN、230 kN和345 kN，當(dāng)荷載達(dá)到剛度轉(zhuǎn)變荷載時(shí)，鉸縫的開合和錯(cuò)臺(tái)數(shù)值呈非線性急劇增長，達(dá)到極限荷載時(shí)，中梁的1/4跨、跨中和3/4跨的撓度分別為15.228 mm、23.546 mm和15.152 mm。

(4)板梁產(chǎn)生損傷后其損傷程度會(huì)在短期內(nèi)加劇，隨著荷載增加，撓度和應(yīng)變?cè)鲩L迅速增大。鉸縫未產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷前，板梁的撓度、梁底應(yīng)變與荷載呈線性變化；達(dá)到嚴(yán)重?fù)p傷后，呈非線性變化。