节段预制拼装桥梁接缝抗剪承载力研究综述

节段预制拼装桥梁接缝抗剪承载力研究综述

魏佳北

中铁建苏州设计研究院有限公司 215007

摘要:接缝是节段预制拼装桥梁的薄弱环节，接缝受剪性能是拼装桥梁结构力学性能研究中的重点，也是目前研究的热点。本文梳理了接缝形式的发展历程，从国内外规范要求、接缝抗剪试验和数值分析等方面总结了现阶段接缝抗剪承载能力的研究，同时对今后的研究工作提出了展望，以期为接缝受剪性能分析和节段预制拼装桥梁结构的安全应用提供有效思路。

关键词：节段预制拼装梁，接缝，抗剪承载力，键齿

Review of joint shear capacity of precast concrete

segmental bridges

Weijiabei

(China Railway Construction Suzhou Design and Research Institute Co. Ltd, 215007 )

Abstract:Joint is the weak part of precast concrete segmental bridges. Shear performance of joint is the focus of the research on the mechanical properties of precast concrete segmental bridges and is also the focus of current research.This paper reviews the development history of joint forms, summarizes the research of joint shear bearing capacity from the aspects of specification requirements, joint shear test and numerical analysis, and points out the shortcomings of current research. In order to provide effective ideas for joint shear performance analysis and safety application of precast concrete segmental bridges.

Key words: precast concrete segmental bridges; joint; shear capacity; key

0.前言

桥梁结构的预制装配化有利于节约资源能源、提升结构质量安全水平和劳动生产效率，是我国今后桥梁建造发展的重点方向。与现浇整体桥梁相比，拼装接缝是预制拼装桥梁结构受力的薄弱环节，需对其力学性能重点关注。预制拼装结构受剪力学性能方面，接缝的存在降低了接缝截面的直剪承载能力[1]。接缝直剪破坏模式缺乏箍筋承载属脆性破坏，支座附近的桥梁结构剪力大弯矩小，施工阶段和运营阶段存在接缝直剪破坏的可能[1]，需要对接缝进行专门设计以满足承载力设计要求。本文从规范要求、试验研究和数值模拟方面对接缝直剪承载力的研究进行总结。

1.接缝形式发展历程

在节段预制拼装梁建设早期，接缝以胶接单键齿为主，胶体的作用主要粘结节段传递剪应力[1]，单键键齿尺寸变化空间大且方便在键齿中设置钢筋[2]。Lacombe et al. [2]和Hansen et al.[3]对键齿的破坏模式进行讨论并将其分为根部剪切脱落、键齿底部压碎和接缝错位三种破坏形，并给出了三种模式出现的条件。同时指出键齿内部配置钢筋可以极大增加键齿脱落时的根部剪切位移。此后，因为对胶体混合配置方法缺乏经验造成一系列事故[4]，干接键齿接缝的优势得以体现。为弥补胶体缺失带来的剪应力传递不均匀问题，小键多齿不设钢筋的形式逐步在干接缝中应用。此方式虽然会造成键齿脱落问题，但因其在传递剪力方面的优势，得以在美国Long Key桥为代表[5]的预制拼装桥梁建设中中不断推广。

随胶体配置和涂抹技术的不断进步，干接缝引起的有粘结筋的腐蚀问题愈发引起重视。现阶段胶接缝形式已占据了绝对主导地位。美国AASHTO的《节段式混凝土桥梁设计和施工指导性规范》2003第二版修正版[10]中在全有粘结筋梁中禁止使用干接缝，并给出了键齿的尺寸及键齿在腹板的分布建议。中国规范[6-8]亦给出了类似的建议，现阶段国内外各规范均未给出平面接缝的使用规定。《节段预制拼装混凝土桥梁设计与施工规范》（DB32/T 3564-2019）[9]中规定可以在环境侵蚀性小无冻融循环、无氯盐侵蚀的全体外预应力箱梁可采用干接缝。

2.国内外规范要求

AASHTO节段桥梁设计规范2003版第二版修订版[10]给出了干接键齿接缝直剪破坏承载力计算公式

。现阶段的中国设计规范通过两种方式考虑接缝对结构抗剪承载力影响，一类不单独考虑直剪破坏模式直接在斜剪承载力上进行折减，以《城市轨道交通预应力混凝土节段预制梁技术标准》[8]（CJJ/T 293-2019）为代表。另外一类直接给出接缝直剪和节段梁斜剪承载力计算公式，以《节段预制拼装混凝土桥梁设计与施工规范》[9]（DB32/T 3564-2019）为代表。《节段预制拼装混凝土桥梁技术标准》[6]（征求意见稿-CJJ XXX-201X）和《节段预制拼装预应力混凝土桥梁设计标准》[7]（DG/TG 08-2255-2018）基于混凝土的压剪强度准则，根据剪力及弯矩的内外力平衡理论进行迭代得到破坏时的剪压区高度和剪压区极限剪应力。规范[6,7]中给出了施工阶段接缝胶固化前的接缝承载力计算公式。

在现有桥梁设计规范中，为防止斜压破坏或斜裂缝开展过大而设置了最小受剪截面限制，节段梁截面抗剪设计时需满足直剪破坏承载力和最小受剪截面两个要求。不同的规范对最小受剪截面要求有差异，两个控制因素是否可以替代，即满足最小受剪截面要求时是否存在胶接缝全截面直剪破坏值得进一步分析总结。

3.接缝抗剪试验研究

众多学者[1,2,11-18]对键齿直剪破坏开展了试验研究，参数主要包括法向压力、键齿数目、键齿尺寸、接缝类型（干接、胶接）、胶体厚度等，得到较为一致的结论：法向压力增加，接缝截面的直剪承载力不断增长；单位面积的多键齿承载力小于单键齿承载；干接缝键齿承载力小于胶接缝键齿承载力；胶接缝键齿破坏更具脆性（剪切变形小）。

Zhou et al.[11]和Buyukozturk et al. [18]的试验现象表明键齿受力首先在键齿根部下侧出现单个45°斜向裂缝，随着加载继续，键齿根部出现多个斜裂缝，当荷载达到峰值时键齿根部的多个斜裂缝沿根部贯通，整个键齿与母体分离破坏。Ahmed[19]开展了箱型截面梁的直剪试验，结果显示规范采用腹板面积计算接缝直剪抗剪承载力具有较大的安全系数。Bakhoum[2]和Buyukozturk[18]的试验结果表明，胶体厚度对键齿接缝和平接缝的承载力影响不大，对平接缝的刚度有些许影响。Zhou et al. [11]通过试验指出1和2mm的胶体厚度下键齿接缝承载力高于3mm，建议胶体厚度在1-2mm。

多键齿截面单位面积的直剪承载力比单键齿截面低[11]，原因主要是接缝截面上的应力分布不均匀、键齿匹配误差等。Alcalde et al. [20]、王建超[13]采用根据键齿数目的不同进行折减。宋守坛[12]认为承载力折减与接缝截面高度有关并给出了相关计算公式。卢文良[17]建议将折减系数取0.8，Jiang[15]给出了0.7的折减系数，刘钊[21]建议将胶接多键齿接缝的承载力乘以0.85。

刘芳[22]通过试验指出重复加载键齿承载力力比单调加载降低了30%，大键齿配筋形式可以显著提高键齿接缝承载力并改善延性。

弯矩的存在使得接缝截面压应力分布不均匀，王景全[23]考虑弯矩引起的接缝张开建立的承载力计算方法比不考虑弯矩影响公式具有更好的计算精度。王建超[13]通过分析指出接缝截面底部受压应力大于截面顶部压应力（负梯度）时，接缝承载力大于压应力均匀（零梯度）时的情况，正梯度程度越大承载力越低，正梯度时折减系数最小为0.9。

4.接缝抗剪数值分析

Kaneko etal.[24]开发了一个断裂力学模型，认为键齿剪切破坏存在键齿底部开始发展单个曲线裂纹(S裂缝)和键齿根部多个斜向裂纹(M裂缝) 两种断裂机制，并对该断裂力学模型其进行了验证[25]。该理论模型可用于描述理想条件下的单个键齿干接键齿破坏的过程和机理，但难以在受力复杂条件直接采用。Kaneko和Mihashi[26]提出了一种解析损伤模型，用于描述干接键齿剪切破坏过程中观察到的单曲线裂缝和斜向多裂缝之间的过渡现象。文献[13]建立了键齿齿根斜压杆模型，在分析过程中考虑了开裂混凝土抗压强度软化的影响。Mattock[27]提出斜压杆角度为45°和主拉应力达到抗拉强度即破坏的假设，基于摩尔应力圆理论得到键齿剪切强度计算公式。Roberts [28]忽略干接缝和胶接缝的差异，简单采用摩擦力形式进行描述，形成了键齿接缝剪切承载力的计算公式，公式机理清晰计算简便，被AASHTO[10]采纳。

Turmo et al.(2006) [29]采用有限元模型分析了节段拼装梁的力学性能，为提高分析效率对于接缝采用平面形式简化。Alcalde et al.[20]采用Abaqus软件内置的混凝土塑性损伤模型(CDP)、宋守坛[12]采用基于Abaqus软件VUMAT子程序开发的Ⅱ型断裂本构模型分析了多键齿接缝的力学性能，并基于分析结果给出了多键齿接缝的折减系数计算公式。Jiang et al.[30]采用相同的

CDP模型分析了干接缝键齿的破坏过程，建议键齿突出高度取40mm。Shamass [31,32]采用CDP模型分析了胶接缝和干接缝键齿截面承载力，指出环氧树脂弹性模量增加可以提高键齿的承载能力，当环氧树脂的模量达到混凝土模量的25%时影响不再改变，法向压力较大时干接缝键齿键齿底角的裂缝（S裂缝）发展受到限制，键齿根部的斜裂缝（M裂缝）是破坏的根源。

4. 展望

不同学者对接缝抗剪承载能力开展了研究，取得了众多研究成果，为节段预制拼装结构的应用作出了贡献。本文通过梳理总结，认为在以下几个方面的研究有待深入：

（1）设置键齿可提高接缝受剪承载力，现有的接缝受剪试验均为小尺寸构件，制约了键齿数量设置，大截面多键齿接缝承载力方面的研究尚不充分，需要开展进一步的研究工作。

（2）国内外规范在接缝受剪承载力的计算方面存在差异，如何考虑接缝对拼装结构受剪承载力的影响尚有待于统一。

（3）桥梁上部结构在使用中承受疲劳荷载作用，预制桥墩拼装接缝需承受地震反复荷载作用，而现有的研究成果多基于静力加载，有必要开展疲劳荷载和地震作用下的接缝抗剪承载能力研究。

（4）接缝连接形式多样，键齿形状存在差异，混凝土材料的各向异性进一步增加了研究的复杂程度。数值模拟方法是接缝抗剪分析的重要手段，开发符合实际情况的数值分析模型可进一步揭示接缝受剪破坏机理。

本文获得中国铁建投资集团有限公司科技研究开发计划项目（2020-B04）支持

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