建筑技术丨带接头预制混凝土梁挠度的行为研究

1  试验方案

循环加载试验能够反映带接头预制混凝土梁的典型性能。在设计过程中，假定桥梁的瞬时挠度，并基于循环荷载试验的初始荷载来估算桥梁的实际挠度。故本研究采用循环荷载试验来验证和评估预制模块化桥梁接头的使用性能。

1.1  试件设计

使用强度为50 MPa的混凝土和强度为400 MPa的直径16钢筋，制备2个宽1 000 mm、高220 mm、长1 400 mm的模块。每个模块由钢筋和超高强混凝土（以下简称UHSC）搭接而成，UHSC的强度为120 MPa。接头的钢筋和模块使用的钢筋相同，并被一起搭接在200 mm长的接头中，全长3 400 mm。图1和图2分别为模块化试件及其接头的详细规格。

（a）

（b）

（c）

图1  试件规格示意

（a）超高强度混凝土浇筑前预制模块；（b）A–A截面；（c）UHSC铸造后的模块化试样

图2  接头规格示意

1.2  加载装置

使用量程为500 kN的作动器进行4点加载，如图3所示。允许最大力矩发生在试件的接头处。试件净跨度为3 000 mm，负载作用在L/3和2L/3位置，变压器安装在3个位置，即中心跨度和2个负载点。由于实际荷载一般高于工作荷载和裂缝荷载，因此施加静力最大荷载的60 %，即79.1 kN荷载。在1次、10²次、10³次、10⁴次、5×10⁴次、10⁵次和2×10⁵次加载循环后，施加静载以测量挠度。本研究使用循环加载试验的初始挠度数据检查瞬时挠度的适用性。

图3  试验装置示意

2  试验结果与讨论

2.1  破坏模式

图4为20万次荷载循环后破坏过程的裂缝发展。对于所有的失效试件，裂缝都表现出相似的形状，但对于各个完整的、模块化的样本，裂缝的发展顺序则不同。对于图4（a）所示的整体试件，裂缝首先出现在试件的底部中心，随后裂缝向两侧发展，随着荷载的增加，表现出典型的钢筋混凝土梁裂缝。而对于模块化试件，初始裂缝始于预制混凝土模块与高强混凝土的分离，且分离距离随着荷载的增加而增大。裂缝从加载点向支撑点扩展，在图4（b）中第三点高强混凝土截面的裂缝处发生破裂。

（a）

（b）

图4  裂缝扩展示意

（a）整体试件开裂；（b）模组试件开裂

2.2  荷载–挠度曲线

由表1可知，随着循环加载的进行，残余挠度和最大挠度逐渐增大。随着加载周期的推进，整体试件的挠度稳定增加，而模块化试件却表现出不同的挠曲行为。模块化试件的挠度在前100个荷载循环中急剧增加，之后增速减慢，一直持第10万次循环后，挠度的增长率开始急剧上升，一直持续到第20万次循环和最终的静态加载。

表1  循环加载试验结果

如图5所示，规范给出的挠度低估了试件的试验结果，试件对开裂截面的惯性矩更敏感，因为与设计规范中的一般梁相比，试件厚度只有220 mm，相对较低。而随着裂缝的稳定发展，整体试件在79.1 kN处的数值相对准确，差值随荷载的增加而增大，在最大荷载时达到2.41 mm。在初始加载期间，试件的接头分离被认为降低了惯性矩，导致与规范中的有效惯性矩差异显著。此外，设计规范没有考虑UHSC在接缝处的弹性模量。

图5  挠度曲线

2.3  挠度估计

考虑预制混凝土模块强度与接头混凝土强度间的差异，以准确估计带接头模块试件的挠度。为反映接头处初始裂缝的影响，将附加传输长度（l_s,max）重新定义为试件中一个新的裂缝区域。这种裂缝界面上的附加传输关系被用于感应钢筋混凝土的拉伸加筋行为。

由于预制件与接头界面在初始加载后立即分离，模块试件的行为只能用混凝土和钢筋的附着来解释。图6反映了混凝土强度和新裂缝区域的曲率变化。在接缝处浇筑的混凝土强度为120 MPa，而用于模块的混凝土强度为50 MPa，高强度接头处的弹性模量增加，导致接头的曲率减小。可将长度为l_s,max反映初始裂缝作用的裂缝区域的惯性矩改为裂缝截面的惯性矩，进而增大曲率。

图6  模块化试件的曲率

图6的曲率图可分为a、b、c三部分。a部分的截面为不受裂缝影响的整体截面；b部分反映初始裂缝的影响；c部分反映了120 MPa UHSC的影响。

2.4  试验案例

设计4个案例分别考虑荷载作用下的接头脱空效应和接头中高强混凝土的弹性模量，见表2。

表2  分析条件

在假定接头受高强混凝土区分离产生的裂缝影响的前提下，将案例1和案例2的接头截面定义为开裂截面（I_cr）。对于案例3和案例4，考虑循环加载试验结果（即高强混凝土开裂和试件破坏同时发生），应用混凝土总截面的转动惯量（I_g）。此外，案例2和案例4考虑了初始裂缝段左侧和右侧的附加传输长度（l_s,max），在接头处应用200 mm长的搭接接头作为附加的传输长度。

不同案例的计算结果见表3，荷载–挠度曲线如图7、图8所示。由荷载–挠度曲线可以看出，随着荷载的增加，挠度增加。当荷载加载到1.5 Mcr后，模块化试件挠度斜率减小，差值也逐渐减小。

表3  挠度结果

图7  案例1和案例2的荷载–挠度曲线

图8  案例3和案例4的荷载–挠度曲线

案例1与施加开裂弯矩前的试验结果相比，预测挠度为0.74，施加后的挠度被高估，比率急剧上升至1.38。案例2反映了附加的传输长度，所有荷载的挠度均被高估，比率在1.21~1.7。案例3施加开裂荷载前的挠度比为0.32，是案例中最被低估的比率，而在施加开裂力矩后，挠度的预测最准确，比率为0.96~1.17。案例4较准确地预测了施加开裂荷载前后的挠度，前者为0.78，而后者为1.02~1.28。4种情况的误差率分别为36.5 %、46.6 %、22.8 %和19.5 %。由此可见，反映开裂弯矩下初始开裂面左、右两侧的附着传递长度，并考虑达到破坏荷载时UHSC发生开裂，是计算带接头预制组合板挠度的有效方法。

3  结论

研究了带接头的预制组合板的挠度问题。考虑接头的特殊行为，采用挠度估计惯性矩的变化、分段试件的混凝土弹性模量和附加的传输长度，并采用曲率法和单位荷载法计算挠度。得到的主要结论如下。

（1）利用规范中的相关公式估计了模块化试件的挠度，结果表明，该结果比试验结果小2.41 mm。

（2）将节点处钢筋和混凝土在裂缝面上的附加传递长度（ls,max）视为新的裂缝区域，案例1、案例3和案例4的挠度值均被低估。在施加开裂力矩前，案例2的挠度值被高估。在应用开裂力矩后，4种案例的挠度值均被高估。

（3）案例4的误差率最小，表明预测带节点的模块板以反映节点左侧和右侧的传递长度（搭接长度），并对节点的超高强度混凝土考虑非开裂截面直至试件失效方法的有效性。

（4）用节点划分预制梁截面是一种有效的结构化预测方法。