潘鑫鹏， 曹 健， 曾志伟， 赵尚传， 李国宇

(1.南昌工程学院 a.土木与建筑工程学院，b.瑶湖学院， 南昌 330099； 2.交通运输部 公路科学研究院， 北京 100088)

节段箱梁预制拼装技术之所以能被工程界广泛认同，主要的优势表现在：桥梁上部结构节段预制和下部结构的施工可同时进行，施工速度快，工期缩短；梁体的预制工厂化，施工质量好，而且上部结构线形控制较为容易；节段箱梁的养护时间较长，成桥以后梁体的徐变和预应力损失较小；工厂化预制和机械化施工提高了现代化桥梁的建设水平；采用流水施工，箱梁的预制和安装可以分开进行，相互不干扰，缩短了施工工期；有利于桥位处的环保，减少了对桥下的现有交通的影响。

国内外学者针对预制节段拼装预应力混凝土箱梁胶接缝处的抗剪特性已开展了一定的研究。Koseki等[1]发现粘结涂料胶接缝的破坏形式为支座或腹板处混凝土被压碎，且粘结涂料胶接缝梁体的承载能力与整体浇筑梁体的承载能力基本相当。Issa等[2]研究了两种不同类型环氧树脂粘结涂料对接缝抗剪切性能的影响，发现涂抹常温固化型环氧树脂粘结涂料的胶接缝抗剪切能力比涂抹低温固化型环氧树脂粘结涂料同类型胶接缝的要高出约28%。卢文良[3]推导了预制节段拼装预应力混凝土箱梁接缝处的抗剪计算公式。Zhou[4]证明了胶接缝的破坏表现为一定的脆性。李国平[5]发现节段式体外预应力混凝土梁的剪切性能与整体浇筑梁体的剪切性能差异很大，接缝的类型几乎决定了剪切破坏形态及裂缝的产生，配置体内预应力筋可以很好地改善体外预应力混凝土梁的剪切性能。

与整跨浇筑箱梁的受力特性不同，当预制节段拼装箱梁开始加载时，梁体处于全截面受压状态，荷载产生的拉应力不能抵消预应力所施加的预压力，接缝处于闭合状态；随着荷载增加，节段接缝处的应力状态由受压逐渐变为受拉，由于接缝只能承受压应力，当受压转化为受拉状态时，此时节段预应力结构立即表现出明显的接触非线性[6-7]。箱梁接缝在张开前，节段间整体性较好，跨中截面应变基本符合平截面假定。随荷载进一步增加，接缝开始陆续张开，中和轴不断上移，中和轴上移至距顶板最近时，达到极限荷载，如荷载继续增加，顶板混凝土压碎，梁体破坏[8]。当预应力施加后，体外预应力束比重越大，达到极限承载能力时，中和轴距梁顶板越近，梁体的裂缝主要集中在节段间接缝的素混凝土处，跨中接缝沿梁高张开宽度显示，接缝张开后跨中截面应变仍符合平截面假定[9]。剪跨比是影响预制节段梁和整体梁抗剪承载力的主要因素，随着剪跨比增大，节段梁和整体梁的抗剪承载力明显降低；接缝控制梁抗剪承载力，但接缝数量对节段式混凝土梁抗剪承载力的影响很小[10]。

当前，虽然国内外针对预制节段拼装预应力混凝土箱梁的整体设计计算已有相应的规范规定[11-13]。但针对预制节段拼装预应力混凝土箱梁接缝处的抗剪性能，规范中还没有针对性的计算规定，当前的工程设计也一般参照整跨连续箱梁桥的计算，缺乏理论基础。

一般情形下，对于抗剪性能要求较高的结构，通常采用胶接缝形式[14]，而当前针对胶接缝抗剪承载力的研究还不是很充分。基于此，本文首先在对胶接缝处箱梁的抗剪机理分析的基础上，找出影响抗剪承载力的关键参数；其次在已有计算公式的基础上，考虑混凝土立方体抗压强度和键齿数的影响，建立适用于预制节段拼装预应力混凝土箱梁胶接缝抗剪承载力计算公式；最后，利用已有试验数据，验证本文所建计算公式，为预制阶段拼装预应力混凝土箱梁结构的设计及应用提供一定的理论基础。

1 预制节段拼装预应力混凝土箱梁抗剪机理

一般认为，胶接缝的承载能力经过养护后与整体浇筑构件的接近，由于胶接缝部位的强度较高，破坏模式也考虑为接缝的直剪破坏，因此在计算接缝处的抗剪承载力时常采用某个系数对整跨梁进行修正的方式。

由于干接缝抗剪强度由混凝土直剪破坏承载力和键齿摩擦力承担的剪力两部分组成，而对于环氧树脂胶接缝，接缝键齿处一般不会发生滑动或者错动，因此键齿不会产生竖向摩擦力，鉴于胶接缝部位的强度较高，可以人为地将胶接缝抗剪强度Vjoint分为混凝土抗剪承载力Vc和键齿摩擦力承担的剪力Vf两部分。对于预应力混凝土箱梁桥，为了保持施工阶段的稳定性及节段成桥后的整体性，需采用体外预应力筋，其竖向分力Vpv可看做接缝抗剪承载力的一部分。

因此，胶接缝抗剪承载力V由混凝土抗剪承载力、键齿接触面摩擦力和体外预应力筋弯起部分竖向分力构成，即：

V=Vc+Vf+Vpv

(1)

上式中，Vc为混凝土抗剪承载力，Vf为键齿接触面摩擦力，Vpv为体外预应力筋弯起部分的竖向分力。

图1 接缝处抗剪机理

2 接缝处抗剪承载力公式

文献[3]提出胶接缝单键齿或多键齿抗剪承载力公式为：

(2)

强度等级C40C45C50C55C60C65C70C75C80均值f0.05cu1.202 51.209 61.216 01.221 81.227 11.232 11.236 61.240 951.244 961.225 77

文献[18]通过数值计算，模拟了胶接缝处多键齿共同作用的修正系数，但未考虑键齿接触面积的增大对承载力的增益效应。本文中，取Ψ为修正系数，根据文献[19]，当σx为0.5 MPa时，抗剪强度值不放大，当σx为1 MPa及1 MPa以上时，抗剪强度放大10%。

文献[19]中，建议考虑键齿数量修正系数Ψ的影响，可得单键齿或多键齿抗剪承载力公式如下：

(3)

上式中，Ψ为键齿数量修正系数，当σx大于1.0 MPa时，取Ψ=1.10；Aj为键齿接触面面积，m2；σn为接缝面键齿的正应力，MPa。

3 公式验证

为了研究不同键齿数量下预制节段拼装箱梁的抗剪承载力，Zhou[4]于2005年分别进行了单键齿和三键齿的胶接缝抗剪承载力试验。试验中的键齿试件接缝的细部构造具体如图2所示。

针对单键齿胶接缝情况，将本文建议公式计算值、文献[3]建议公式计算值与文献[4]中试验值进行对比，结果具体如表2所示。

图2 不同键齿数量试件接缝细部构造图

表2 单键齿胶接缝试件本文模型计算值与文献[3]计算值及试验值[4]的对比

从表2可以看出，通过与6组试验数据的对比分析，文献[3]建议公式的计算值与试验值有约7.53%的平均偏差，而采用本文建议公式的平均偏差仅为0.40%，且标准差比文献[3]建议公式的计算标准差更小，精度更高。

针对三键齿胶接缝情况，将本文建议公式计算值、文献[3]建议公式计算值与文献[4]中试验值进行对比，如表3所示。

表3 三键齿胶接缝试件本文模型计算值与文献[3]计算值及试验值[4]的对比

由表3可知，采用文献[3]建议公式的计算值与试验值有约7.27%的平均偏差，而采用本文建议公式的平均偏差仅为0.51%，且本文建议公式的标准差更小，精度更高。由于考虑到三键齿胶接缝的键齿接触面积较单键齿胶接缝的更大，在考虑外加正应力σx大于1.0 MPa的前提下，本文建议公式增加了一个修正系数1.1，得到的结果与文献[3]的计算结果相比总体偏差更小，更接近试验值。

4 结论

当前有关预制节段拼装预应力混凝土箱梁的抗剪性能研究还不是很充分，本文在已有研究的基础上，考虑了拼装块接缝处键齿数量的影响，提出了修正计算公式，具有合理的物理含义。对于单键齿胶接缝，与已有公式计算结果相比，本文建议的公式计算值与试验值更为相近，精度更高；随着键齿数量的增多，造成了接缝处抗剪性能变异性逐渐不明显，对于三键齿胶接缝，与已有公式计算值相比，本文提出的公式计算值与试验值更为相近，偏差更小。研究成果可为预制阶段拼装预应力混凝土箱梁结构的设计及应用提供一定的理论基础。