钢板在混凝土中锚固性能的试验研究.pdf

第 28卷第 6 期 1998 年 11 月东 ? 南 ? 大 ? 学 ? 学 ? 报 JOURNAL OF SOUTHEASTUNIVERSITYVol?28 No?6 Nov.1998钢板在混凝土中锚固性能的试验研究叶见曙?王斐峰?王? 键( 东南大学交通学院, 南京 210096)? ? 收稿日期: 1998- 05- 24, 修改稿收到日期: 1998- 09- 25.摘? 要? 钢板在混凝土中锚固性能是保证预制拼接梁结构钢接头可靠工作的重要问题. 本文通过预埋钢板的混凝土梁对比试验, 着重研究了加焊抗剪栓筋钢板在混凝土中的锚固性能与受力机理, 并提出了钢板锚固区计算方法.关键词? 预制拼接梁; 结构钢接头; 锚固; 抗剪栓筋/ 栓钉中图法分类号? TU758. 14拼接接头是预制预应力混凝土拼接连续梁的关键构造. 在桥梁工程上, 常用的拼接接头 形式有普通钢筋接头、 粘结接头、 现浇混凝土后张预应力筋接头、 结构钢接头等[ 1]. 其中, 结构钢接头在主梁拼接施工中具有搁置后拼接梁段的功能和锁定各拼接梁段、 防止接头现浇混凝土在结硬过程中出现不正常裂缝的作用. 这样, 在采用连续梁? 悬臂 ? 连续?施工方法时, 可实 现无支架施工, 不影响桥下通航或正常交通, 降低施工费用, 因而日益受到工程上的重视. 结构钢( 钢板或型钢) 埋入预制梁段端部, 外露长度在各预制梁段安装时相互拼装, 而后再现浇接头混凝土形成结构钢拼接接头. 显然, 结构钢在预制梁段混凝土中的锚固是关系到主 梁拼接施工和今后营运安全的重要问题.国际预应力混凝土学会在其预制预应力混凝土拼接梁桥研究报告[1]中建议钢板连接件 埋入梁内至少 350mm.美国的 Shely Creek 桥[ 2]主梁上钢板埋入混凝土部分用高强钢筋加强, 以防锚固区开裂.江苏高沟桥结合拼接梁设计进行了包括结构钢接头在内的 3 种拼接接头室内试验[3], 研 究认为接头能承受相当的剪力、 弯矩, 表现出与整体梁相同的工作状态.在深入研究结构钢拼接接头过程中, 作者基于钢 -混凝土组合梁中抗剪连接件工作原理和 拼接接头受力特点, 提出了在结构钢预埋部分加焊抗剪栓筋, 以增强钢材在混凝土中锚固作用 的措施. 本文通过结构钢接头室内模型的对比试验, 主要研究加焊抗剪栓筋钢板锚固受力性能, 并提出相应的工程计算方法.1 ? 试验概况共制作了 3 根截面尺寸、 长度、 材料和配筋均相同的钢筋混凝土悬臂梁试件. ZD -1 为整 体预制梁. PJ -1 和 PJ -2 为拼接梁, 拼接接头为相同的 2 块钢板, 钢板在预制梁段内埋入长度相同, 均为 200 mm, 但 PJ -2 梁在埋入部分钢板两侧焊有长度为 40 mm, ?8 mm 抗剪栓筋, 每侧8根.预制拼接梁试件分两阶段试验. 第 1阶段( 工况 1) 是在被拼接段外伸钢板上加载( 见图 1 ( a) ) , 以示未浇接头混凝土时受载情况; 第 2 阶段( 工况 2) 为形成拼接整体梁后的加载情况 ( 见图 1( b) ) .图 1? 试验梁及其加载图根据试验目的, 在试件主要部位设置了观测百分表和应变片. 图 1 所示 A , B, C 和D 分 别为钢板预埋部分上钢板表面各应变片的位置.表 1 为试验梁实际试验结果. 表 1? 试验梁的实测值试件编号截面尺寸h ? b抗压强度/ MPa工况 1 开裂荷载 P1f/ kN工况 2 开裂荷载 P2f/ kN工况 2 破坏荷载 P2u/ kNZD -1356 mm? 198mm26. 3?3569PJ -1358 mm? 201mm27. 1213871PJ -2351 mm? 205mm26. 93340772 ? 试验结果分析2. 1? 拼接第 1 阶段试验( 工况 1)? ? 当加载至 P1f= 21 kN 时, PJ -1 试验梁段在接近其自由端, 钢板下边出现表面斜向混凝土裂缝, 表明钢板锚固区开裂; PJ -2 试验梁段至 P1f= 33 kN 时, 钢板锚固区才出现混凝土表面的微小裂缝.根据图 1( a) 所示的加载图式, P1是直接通过钢板作用于锚固区, 锚固区受弯剪作用. 由于弯矩较小, 故又接近于直接受剪作用. 对于 PJ -1 梁段, 外剪力主要由钢板下混凝土局部承 压和钢板与混凝土之间的粘结力承受. 然而, 钢板与混凝土的粘结性能较差, 其粘结强度大约为光圆钢筋粘结强度的 45% 左右[4], 故 P1值并不很大时, 钢板与混凝土之间的粘结力就开始逐渐退出工作, 外力过渡到由钢板下混凝土局部承压来承担, PJ -1 梁段钢板锚固区开裂实质上是混凝土局部承压区开裂. 而对于 PJ -2 梁段, 当 P1较大时, 外力主要由抗剪栓筋和钢板下混凝土局部承压承担, 且前者的机械锚固作用较大, 故有效推迟了锚固区开裂的发生. 与 PJ -1梁段相比, PJ -2梁段钢板锚固区抗裂荷载提高了 57% .118东南大学学报第 28 卷图 2 和图 3 分别为锚固段钢板应变观测点( 图 1) 上钢板纵向应变随 P1值增加的变化情况.图 2? 锚固段钢板 A , B 处纵向应变(工况 1时)图 3? 锚固段钢板 C, D 处纵向应变( 工况 1时)由图 2、 图 3 可见, 锚固段钢板上部为纵向拉应变, 而下部为压应变. 但是, 无论是纵向拉应变, 还是压应变, PJ -2 梁段都比 PJ -1梁段测得的相应值小.PJ -1 梁段中 D 点( 见图 3) 钢板纵向压应变随 P1值增加而增大. 这是梁段受压混凝土对钢板未端部分作用( 局部承压) 增强所致. 而 PJ -2 梁段中的 D 点, 当 P1值不大时( 约 5 kN) ,钢板纵向压应变达到较大值. 但随着 P1值继续增加, 抗剪栓筋的作用增强, D 点应变片位于钢板未端和最后一列栓筋之间, 使得 D 点处纵向压应变随之减小.上述试验表明, 抗剪栓筋的机械锚固作用随外力作用增大而增强, 降低了钢板应力, 提高了锚固区的抗裂性.2. 2? 拼接第 2 阶段试验( 工况 2)在加载值 P2作用下, PJ -1 与 PJ -2 梁在接头长度内( ?L = 250 mm) 主筋拉应变和混凝土压应变增长规律与 ZD -1试验梁非常相近.为了获得对比试验效果, 对于拼接梁, 其接头现浇混凝土抗压强度( 实际为 15. 4 MPa) 低119第 6 期? 叶见曙等: 钢板在混凝土中锚固性能的试验研究于梁段混凝土( 见表 1) , 并在接头段不设箍筋, 使其截面强度与整体梁( ZD -1) 相应截面强度相近; 对试验梁悬臂根部主筋数量增多, 使其截面强度高于其它截面.随着 P2值增加, 拼接试验梁在接头段混凝土表面出现微小竖向裂缝, 开裂荷载 P2f如表 1 所列. 由表 1 可见, 各试验梁开裂荷载 P2f比较接近. P2继续增大, 试验梁悬臂根部亦出现竖向细裂缝, 而在接头段出现多条竖向裂缝. 至 P2较大时, 接头段一条主裂缝从梁顶面斜向( 指向悬臂根部) 下延伸超过梁半高, 裂缝最大宽度, PJ -1 梁约为 5 mm, PJ -2 梁约为 2. 1 mm. 试验梁观察到的破坏荷载 P2u值见表 1 所列. 在 P2加载的全过程中, 各拼接梁钢板锚固区混凝土 表面未观察到裂缝出现.图 4 和图 5 分别为锚固段钢板应变测点上实测值随 P2值增加而变化的情况.图 4? 锚固段钢板 A , B 处纵向应变(工况 2时)图 5? 锚固段钢板 C, D 处纵向应变( 工况 2时)对于 PJ -1 梁和 PJ -2 梁, A , C 两点处钢板纵向拉应变随P2值增大而增加, 2 根梁十分接近. 但是 B, D 两点钢板纵向应变却是先为压应变后为拉应变, 特别是 D 点, 在接头段开裂前( P2f? 40 kN) 为压应变, 之后为拉应变, 说明接头混凝土开裂对钢板锚固性质有重大影响. 由图 4 和图 5 可见, 接头混凝土开裂后, 锚固段钢板均为纵向拉应变, 犹如钢偏心拉杆工作.与第 1 阶段相比, 尽管加载终值 P2> P1, 但钢板锚固段各测点纵向应变值均小. 分析认为第 1 阶段时外力通过钢板直接作用其锚固区, 而第 2 阶段外力对梁产生的弯矩和剪力尽管120东南大学学报第 28 卷较大, 但钢板锚固段是承受梁传递的内力作用. 这也说明, 对钢板锚固区而言, 最不利状态是第 1 阶段的受力图式.图 4 和图 5 表明, PJ -1 梁和 PJ -2 梁的钢板锚固区在第 2 阶段试验中受力状态十分接近, 但是, 由于抗剪栓筋的机械锚固作用, 相对滑移小, 使得接头段混凝土的裂缝宽度减小, PJ -2梁的极限荷载 P2u高于 PJ -1 梁.3 ? 加焊抗剪栓筋钢板锚固计算根据试验, 钢板锚固段最不利受力阶段是在预制梁段钢板拼接且现浇接头混凝土未硬化前的施工阶段, 要防止钢板锚固段混凝土开裂.本文试验表明, 加焊抗剪栓筋的钢板锚固段在外力作用下, 由于钢板与混凝土粘结和局部 承压作用不大, 故可忽略它们的作用, 而仅考虑抗剪栓筋的作用. 这样, 可得到加焊抗剪栓筋钢板锚固段在施工阶段的计算图式( 见图 6) , 这与钢结构中螺栓接头承受外力作用图式[5]相同. 同样地, 可得到抗剪栓筋计算式为? ?N1? [ Nv](1) 式中, N1为外力作用下受力最大栓筋所承受的力值, 可用参考文献[ 5] 介绍的方法计算; [ Nv]为单根栓筋的容许承载力.图 6?在施工阶段抗剪栓筋计算图式抗剪栓筋可以用工厂制栓钉或普通短钢筋焊在钢板上. 对于单根工厂制栓钉的抗剪 承载力, 文献[ 6] 介绍美国的计算公式为? ? Nv= 0. 5Asf ?cEc(2)式中, As为栓钉钉杆截面面积; f ?c为混凝土150 mm ? 300mm圆柱体抗压强度; Ec为混凝 土弹性模量.该式适用条件是栓钉高与其直径之比大于 4, 并与栓钉附近混凝土开裂为主要破坏形式的试验结果十分吻合.以式( 2) 为基础, 按照我国现行桥梁设计规范的原则, 建议对高度与其直径之比大于 4 的工厂制栓钉或直栓筋, 单根栓筋容许承载力可按下式计算? ? [ Nv] = 0. 4AsRb aEc? 0. 55AsRb g(3)式中, Rb a和 Rb g分别为混凝土的抗压标准强度和栓筋的抗拉标准强度, 其余符号见式(2) .0. 55AsRbg是一个限制条件, 相当于防止栓钉受剪、 受拉破坏.本文将式( 3) 用于试验梁 PJ -2 在第 1阶段钢板锚固区计算, 计算结果与试验结果较吻合. 除了锚固区计算外, 钢板在混凝土中的埋入最小长度也应满足一定要求. 根据有关文献[7,8], 并结合本文试验结果, 建议钢板埋入混凝土中最小长度为 2倍的钢板高度.4 ? 结 ? 论1) 试验研究表明, 加焊抗剪栓筋的钢板在混凝土中的锚固性能优于未设抗剪栓筋钢板锚固性能. 另外, 钢板侧面抗剪栓筋可与梁内其它钢筋现场连接, 使钢板在施工中定位方便.121第 6 期? 叶见曙等: 钢板在混凝土中锚固性能的试验研究2) 在外力作用下, 钢板抗剪栓筋以其与混凝土机械锚固作用为主, 且这种作用随外力增加而增大.3) 预制拼接连续梁采用? 悬臂? 连续? 及无支架施工工艺时, 钢板锚固区最不利受力状态 是在接头混凝土未结硬之前.4) 抗剪栓筋可用栓钉或普通短钢筋, 其高度与直径之比应大于 4, 且要保证与钢板焊接的质量. 建议钢板埋入混凝土中最小长度应为其高度的 2倍.参考文献1? Abde- l Karim A M , Tadros M K. State -o- f the -Art of precast/ prestressed concrete spliced girder bridges. Chica - go: Precast/ Prestressed Concrete Institute, 1995. 12~ 24 2? William B C, David D, Huber。