预应力混凝土T梁受剪破坏试验研究

张凤群

(中铁十七局集团第四工程有限公司，重庆 401120)

0 前 言

现代桥梁建设中，装配式桥梁作为一种技术成熟的结构形式，往往是首先被考虑的桥型，预应力混凝土T梁就是其中常见的一种结构形式。T梁作为上部结构的主要承重构件，在荷载作用下主要表现为受弯和受剪状态。因此，本文以某项目为背景，从改善预应力混凝土T梁抗剪承载力的角度出发，分析影响其剪切破坏承载力的因素，对预应力混凝土T梁受剪破坏进行了试验研究。

1 工程概况

某项目标段内主要工程量有10座共长2 382.4 m主线桥(分左右幅)；共长5 812.31 m路基188.06万m3；互通枢纽一处，设置9条共5 127.3 m匝道(其中有6座桥长共1 203.5 m匝道，路基长3 923.8 m)；54座共1 969.34延m涵洞(包含互通式立交匝道涵洞27座)。全线设计行车速度为120 km/h，主线公路为双向六车道高速公路，设计荷载等级采用公路-Ⅰ级。整体式路基宽度33.5 m，分离式路基宽度16.75 m,一般桥涵及路基设计洪水频率1/100,特大桥设计洪水频率1/300，地震基本烈度为VII度。

2 预应力混凝土T梁的剪切破坏机理

预应力混凝土T梁开裂后，受荷载持续增加的影响，其具有应力重分布的特点，剪力传递机理发生变化，期间存在诸多干扰因素，难以精准确定各项因素的作用程度，需要做针对性分析[1]。

1)受压区未开裂。梁体未开裂时，部分区段存在剪力和弯矩共同作用的情况，该部分存在主压应力和主拉应力，可以通过绘制主应力迹线的方式加以描述；而在梁体出现开裂问题后，对于剩余的未开裂受压区而言，依然存在该应力状态。沿梁受压区高度对剪应力积分，此时可以确定剪力分量，该结果反映的是“混凝土承载力”。

2)界面剪力传递。梁体局部裂缝面骨料突出的尺寸较大(超过裂缝宽度)，骨料间的咬合作用将抑制界面的滑移，同时将实现对部分剪力的传递。若结构体的抗压强度未超过60 MPa，此时斜裂缝普遍以绕过粗骨料的方式而形成；若抗压强度未超过70 MPa，斜裂缝的发生规律有所变化，即穿过骨料而形成光滑的裂缝界面。界面传递的剪力取决于多个方面，例如混凝土强度、法向应力等。

3)纵筋的销栓作用。梁中纵向预应力与斜裂缝呈相交的位置关系时，可以较为有效地阻止开裂面两侧所产生的剪切滑移现象。在混凝土强度、纵向受拉预应力强度等多项指标的共同影响下，将对纵向受拉预应力的销栓作用带来影响。存在保护层抗拉强度的限制作用时，将会在较大程度上削弱销栓作用；若存在纵向受拉预应力配筋率较高的情况，此时将有较明显的销栓作用，并且在多层布置时更为明显。

4)拱作用。梁体的剪跨比较小时，截面应力难以满足平截面假定，此时荷载普遍依靠斜压杆实现向支座的传递，此条件下拱的作用较为显著，虽存在梁的作用，但相对微弱。

5)箍筋作用。梁体结构中含箍筋时，若形成斜裂缝，将严重影响混凝土对剪力的传递，具有短时间内大幅度下降的变化；若箍筋与斜裂缝呈相交的关系，则该部分箍筋的应力将急剧增加。通过箍筋的应用有助于抑制斜裂缝，使梁腹部的骨料具有较大的咬合力，且可以发挥出纵向受拉预应力的销栓作用。

6)混凝土残余拉应力。裂缝宽度在0.15 mm内时，交界面仍有一定程度的连接，此时其依然具备传递拉应力的条件。在混凝土拉应力提升至最大值后得益于残余拉应力的作用，并不会出现完全破坏现象，此时存在裂缝的梁体进入软化下降段。在梁截面高度<100 mm时，虽然存在弯曲裂缝和斜裂缝，但其宽度相对较小，在整个受剪承载力中，残余拉应力具有较大的贡献比例；但反观尺寸较大的梁体结构，该效应普遍微弱[2]。

根据上述机理分析可知，预应力混凝土T梁剪切破坏传力机理复杂。为从宏观上分析影响其剪切破坏的影响因素，以便为设计提供依据，本文考虑预应力和翼缘宽度两个影响因素，设计相关试验对其进行分析。

3 试验设计与结果分析

3.1 试验设计

本次试验主要考虑预应力大小、预应力筋弯起角度、T梁翼缘板宽度三个因素。制备9根预应力混凝土和1根普通钢筋混凝土T形简支梁，梁高70 cm，翼缘板厚10 cm，腹板宽20 cm，试验梁的预应力大小、预应力筋弯起角度、翼缘板宽度不完全相同，其余设计参数均相同。试验梁示意图见图1。

图1 试验梁示意图(单位：cm)

预应力钢束采用高强度低松弛钢绞线Φs15.2，标准强度fpk=1 860 MPa，单股面积Ay=1.39 cm2，采用后张拉形式。试验梁的主要设计参数见表1所示。

表1 试件主要设计参数

试验采用油压千斤顶进行加载，采用两点对称逐级施加荷载，加载点距支座的距离为800 mm,剪跨比为1.75。在试件前后两侧面，画出5 cm×5 cm方格，并编号划区，以方便在不同荷载下对裂缝的产生和发展进行观察。对每条裂缝均需记录产生的时间(即第几级荷载下产生的)、裂缝的位置(距离跨中或支座处的距离)、长度、宽度、裂缝的间距和正常使用荷载下的最大裂缝的宽度，下一级加载后的发展情况。用裂缝观测仪观测裂缝的长度，5倍放大镜观察裂缝的出现与发展。在加载开始时，反复调整梁底的支座，防止支座在加载过程中产生偏移，而导致梁受力不均匀。

首先进行预加载2次，检查试验装置和构件各部分是否正常工作，各应变片是否有读数；在开裂荷载之前按20～30 kN一级加载，开裂之后按50 kN一级加载，临近破坏时，相应地减少荷载的级距，直至破坏。每次加载稳定油压5 min后读数。

3.2 试验结果

对于试验梁T-1为钢筋混凝土梁，跨中荷载P达到160 kN时，显现出第一条垂直裂缝；随着荷载的持续增加，当P达到200 kN时靠近跨中位置，出现斜裂缝，角度大于45°，均指向加载点，随后，斜裂缝随着荷载的持续增长而增加，且斜裂缝均指向跨中加载点；后续伴随荷载的持续增加，垂直裂缝几乎维持原状，即并未呈现出发展的趋势，但斜裂缝具有逐步向两支座方向延伸的特点，裂缝宽度有所增加；进一步加大荷载后，显现出临界裂缝，与此同时可见加载点与支座连线方向有部分斜裂缝；荷载达到670 kN后，无法利用手动液压泵加载，此时通过对显示器的数显值进行分析可知，荷载呈下降的变化，但裂缝仍有发展的趋势，并且梁结构已经处于受破坏的状态[3]。试验过程中，当P=160 kN、P=200 kN、P=670 kN时，T-1梁的裂缝分布见图2所示。

图2 T-1梁裂缝分布

对于试验梁T-2：跨中荷载P达到160 kN时，显现出首条竖向裂缝，随后，当P达到200 kN时，出现斜裂缝，随着荷载增加，斜裂缝也随之增多，竖向裂缝未见明显变化，斜裂缝则有从跨中向支座附近发展的趋势。随荷载持续增加，临界斜裂缝宽度以更快的速度增加，临界斜裂缝在临近梁底处呈水平状延伸，当P达到840 kN时，试验梁出现“砰”的响声，受压区的部分混凝土处于压碎的状态，导致试件发生剪切破坏。

对于其余的T-3～T-10梁，试验过程中裂缝发展的形态和趋势与T-2梁基本一致，但其出现竖向裂缝、斜向裂缝以及极限荷载与T-2梁存在差异。

参与试验的各试件均存在剪切破坏，裂缝发生部位集中在T形梁腹板处，部分裂缝与临界斜裂缝呈平行的位置关系。预应力筋弯起角度越大，预应力筋数量越多，则斜裂缝分布的面积越大，数量越多，斜裂缝的倾角也越小。汇总各试件的极限荷载与挠度，具体结果如表2所示。根据表中内容可知，无论是增加预应力筋的数量，还是加大预应力筋的弯起角度，均有助于提高试件的极限抗弯承载能力。对于T-2、T-5和T-8试件而言，其设置有预应力筋，相比于T-1，极限抗剪承载力增幅分别达到25.37%、26.12%和31.49%；从弯起角度来看，则从水平状态逐步发生变化(形成角度)，增加至12°时，T-5与T-2的极限承载力无明显的差异，但该值增加至20°时，T-8试件较T-2、T-5而言有明显的增加，增幅分别为4.88%和4.26%。此外在增加预应力筋数量的方式下，可以提高梁体的极限抗剪承载力[4-5]。

表2 极限荷载与挠度

3.3 结果分析

1)对于试验状态下的简支梁，竖向裂缝率先开展，随后是斜向裂缝，且随着荷载的增加，斜向裂缝向支点附近发展。

2)相对普通钢筋混凝土梁而言，预应力混凝土T梁的极限荷载有明显提高，且随着预应力大小和弯起角度增加，其极限荷载亦呈增大趋势。

3)翼缘板宽度对极限荷载的影响并不显著。

4)预应力大小、弯起角度、翼缘板厚度对T梁的挠度影响不显著，说明剪切破坏时其刚度主要由截面本身提供。

4 结束语

综上所述，预应力筋数量、弯起角度及翼缘宽度三项参数均会对预应力混凝土T梁的性能带来影响，在跨中集中荷载作用下，梁体处于剪压破坏状态。在预应力增加时，梁体的受剪承载力明显加大，显现出较多的裂缝，倾斜角度减小；而在翼缘宽度增加时，受剪承载力仅有小幅度的增加，翼缘板的剪力滞后效应明显。

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