钢筋土抗剪特性研讨

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本文作者：黄景华 陈朝晖 马东升 李观宇 单位：重庆大学土木工程学院 山地城镇建设与新技术教育部重点实验室(重庆大学) 华北电力设计院工程有限公司 云南省电力设计院

箱形截面箱梁因其良好的空间整体受力性能，在土木工程尤其是桥梁工程中得到广泛应用[1]。因其对地基不均匀沉降有很好的适应性，断面形式方便调节，施工简单且容易保证质量等优点，钢筋混凝土箱梁也是大型输水工程中常见的管道形式[2]。与传统的矩形截面梁相比，混凝土薄壁箱梁的弯曲正应力沿翼板宽度分布不均匀，存在剪力滞现象[3―8]。文献[9―12]都集中在对桥梁工程中广泛使用的跨高比大、矮而宽的箱梁的试验研究，对腹板间距小、截面高度大、跨高比较小的深受弯箱梁缺乏研究。重庆市主城区排水干管架空箱梁两端由柱墩支承在基岩上，在正常情况下只承受箱梁自重及内水压力。但由于城市土地用途改变，冲沟回填筑路，原架空箱涵被掩埋并承受较大的附加竖向土压力和车辆荷载。箱涵底回填土由于固结沉降，与箱涵分离，箱涵结构最终形成简支结构。荷载工况的改变导致管道结构存在破坏风险。因此，本文对此类深受弯箱梁的受力性能进行了试验研究，并采用有限元分析软件ABAQUS对试验箱梁进行了非线性有限元模拟分析。

1模型试验概况

1.1试验箱梁以重庆市主城区排水干管架空箱梁为原型，制作了2根缩尺比为1∶4的钢筋混凝土箱梁进行静力加载试验，模型截面尺寸及配筋如图1所示，钢筋及混凝土的力学性能分别如表1、表2所示.

1.2加载方式与测点布置由于城市土地用途改变，冲沟回填筑路，原架空箱梁被埋设在市政道路以下，箱涵正下方回填土由于固结沉降，与箱梁分离，箱涵仍为架空箱梁，在这种情况下架空箱梁承受很大的附加竖向土压力及车辆荷载。为模拟此不利工况，本试验通过施加对称四点集中力来模拟均布荷载作用，采用2个150t千斤顶独立同步加载，外荷载由50t压力传感器和静态应变仪控制。为了防止试验箱梁在支座处局部破坏，同时模拟市政排水管道架空箱梁的实际支承状况，在箱梁底板四角设有30t桥梁专用橡胶支座。试验装置如图2所示。试验箱梁腹板非对称配筋，在均布荷载下同时存在纵向弯曲、横向弯曲、剪切等受力状态。利用试验箱梁的对称性，以试验箱梁跨中截面(1-1)、1/4跨截面(2-2)作为控制截面，在控制截面的纵筋上沿梁跨方向布置纵筋应变片，在控制截面腹板范围内的翼板布置百分表，用于测量箱梁底部挠度。如图2、图3所示。在与支座-加载点连线(OA)以及45°斜线(OB)相交的外侧横向钢筋上布置箍筋应变片，两侧腹板布置形式一致，见图4。

2试验结果分析

2.1破坏形态各试验箱梁所经历的裂缝发展过程基本相同。当荷载低于180kN时，箱梁表面均无裂缝出现，荷载位移曲线斜率基本无变化；当荷载超过180kN，跨中底板首先出现弯曲裂缝，开裂后箱梁刚度明显下降，荷载位移曲线斜率明显减少；排水架空箱涵混凝土过早开裂，导致污水渗漏污染环境，影响排水管道的正常运营。荷载继续增加，剪弯区出现弯曲裂缝，并竖直向上延伸一小段；由于受到剪力的影响，剪弯区的弯曲裂缝逐渐向加载点斜向发展，形成弯剪斜裂缝；当荷载达到320kN左右时，弯曲裂缝贯通箱梁下翼板，同时多根纵筋屈服，箱梁刚度大幅下降，跨中竖向位移快速增加，荷载位移曲线斜率骤减，跨中截面开裂最为严重，最终破坏形态仍为弯曲破坏。荷载位移曲线斜率有两次明显减小，第一次出现在混凝土开裂前后，另一次出现在弯曲裂缝贯通箱梁下翼板，翼板纵筋屈服前后。由此可见，均布竖向荷载下，跨高比接近于5的简支深受弯箱梁，破坏形态仍为弯曲破坏，其抗弯承载力均值约为425kN。箱梁裂缝分布如图5、图6，荷载位移曲线如图7.

2.2正截面抗弯承载力分析目前各国规范对简支深受弯箱梁正截面抗弯承载力均无成熟的计算方法，我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTGD62-2004)[13]将箱形梁简化为工字梁计算其正截面抗弯承载力，具体公式为：其中：0为桥梁结构的重要性系数；cdf为混凝土轴心抗压强度设计值；sdf为纵向普通钢筋的抗压强度设计值；sA为受压区纵向普通钢筋面积；sa为受压区普通钢筋合力点至受压区边缘的距离；x为混凝土受压区高度；b为矩形截面宽度或T形截面腹板宽度；0h为正截面有效高度，据此计算得到试验箱梁正截面抗弯承载力为305kN。上述计算方法主要适用于跨度大，截面高度较小的桥梁结构，忽略了跨高比对箱梁正截面抗弯承载力的影响。对于城市排水干管这类跨高比小的架空箱梁，承受竖向荷载作用时，部分荷载可通过“拱效应”直接传入支座，从而“提高”了箱梁的正截面抗弯承载力。我国现行《混凝土结构设计规范》[14]同样将箱梁视为T形或I形截面梁计算其抗弯承载力，计算公式为：此得到的试验箱梁正截面抗弯承载力计算值为347kN。公式中虽然考虑了跨高比的影响和水平分布钢筋的抗弯作用，但计算结果仍比试验结果低约18%，主要原因在于试验箱梁为矩形闭合箱梁，空间整体受力性能良好，其抗弯承载力比T形或I形截面梁好。因此，采用该设计规范公式低估了实际箱梁的抗弯承载力。可见，我国现行桥梁设计规范和混凝土设计规范对于深受弯简支箱梁正截面抗弯承载力的计算均比较保守，在设计中可适当考虑跨高比和整体性对箱梁抗弯的有利作用。

2.3纵筋应变分析纵筋应变沿翼板宽度分布如图8、图9所示。1)各级荷载作用下跨中翼板纵筋应变不具有明显的剪力滞效应。箱梁开裂前翼板纵筋应变基本为同步增长，开裂后翼板两侧纵筋应变甚至小于翼板中央区域的纵筋应变，最大相差约400με，原因在于试验工况下，箱梁跨中附近区域处于纯弯、无剪力受力状态。开裂前，翼板截面纵向应变呈矩形分布。开裂后，由于裂缝的出现对跨中翼板两侧纵筋应变片所测得的结果影响较大，出现了翼板两侧纵筋应变小于翼板中央区域的纵筋应变的现象。2)与跨中截面翼板纵筋应变的分布规律相比，1/4跨截面处因剪力较大而剪力滞效应要明显得多.开裂前，1/4跨截面翼板两侧钢筋应变值明显大于中央处的应变值，最大相差约300με；开裂后，1/4跨截面底板中央处的钢筋应变值增长较快，随着荷载增加，剪力滞效应逐渐削弱。这主要由于箱梁翼板开裂后，受截面内力重分布和翼板裂缝分布形式的影响，翼板纵筋应变不再具有明显的剪力滞效应。总体而言，由于剪力滞效应主要受翼板宽度和腹板高度的影响，上下翼板愈宽，腹板高度愈小，剪力滞效应愈突出。而城市排水系统钢筋混凝土架空箱梁跨高比小，腹板间距比较小，截面高度比较大，有别于桥梁工程中常见的宽矮箱梁。因此剪力滞效应不如桥梁工程中常见的宽矮箱梁的剪力滞效应明显。

2.4箍筋应变分析从箱梁的荷载-箍筋应变曲线来看，可以得出以下结论：1)从“少筋侧”腹板箍筋斜向布置测点的荷载应变曲线可以看出，加载初期，应变值均较小，靠近底板的应变值为负值，说明剪切效应占主导地位；斜裂缝出现时，与斜裂缝相交的箍筋应变值骤增，增长高达400με，荷载应变曲线斜率大幅降低，说明箍筋作为主要的抗剪部件，在斜裂缝通过箍筋时，箍筋承担着大部分剪力。由于此类箱梁箍筋间距较小，配箍率较大，箱梁的抗剪能力较好，箍筋在加载最终都没有屈服。2)“多筋侧”腹板箍筋应变变化规律大致同“少筋侧”腹板，但该侧支座与加载点连线附近开裂较“少筋侧”晚。因为“多筋侧”腹板纵筋配置多于“少筋侧”，腹板纵筋在抗剪中发挥着重要作用，所以就抗剪能力而言，“多筋侧”腹板强于“少筋侧”腹板.

3有限元分析

3.1有限元建模采用非线性有限元分析软件ABAQUS模拟试验箱梁，其中混凝土和钢筋分别采用C3D8R单元和T3D2单元，混凝土材料采用损伤塑性本构模型，钢筋采用理想弹塑性模型，不考虑钢筋与混凝土的粘结滑移。ABAQUS有限元模型见图12.

3.2荷载位移曲线由图13可以看出，有限元模拟荷载-位移曲线也有两次明显的斜率转变，且在加载过程中位移的发展趋势与试验过程一致，ABAQUS分析结果与试验值吻合较好。

3.3纵筋应力分析跨中截面开裂前有剪力滞效应，但不明显；开裂后翼板外侧两边的纵筋应力略小于中央处，但差值不大，翼板外侧纵筋全部屈服后，剪力滞效应消失。1/4跨截面开裂前底板外侧纵筋应力有明显的剪力滞效应，且随着荷载步的增大，剪力滞效应有所加强；开裂后仍有剪力滞现象，但有所减弱，随着荷载增加，纵筋相继屈服，剪力滞效应逐渐减弱，当1/4跨截面翼板纵筋全部屈服后，剪力滞效应消失。

4结论

对山地城市排水干管中的架空箱涵因城市土地用途改变，冲沟回填筑路，箱涵荷载工况改变后的受力性能进行了模型静力加载试验，讨论了现行有关设计规范对于箱涵抗弯承载力计算之不足，并采用有限元分析软件ABAQUS对箱梁进行了非线性有限元模拟分析。分析了深受弯箱梁的破坏形式、抗剪性能以及剪力滞效应，并得出以下几点主要结论：(1)跨高比接近于5的深受弯闭合箱梁的破坏形态仍为弯曲破坏；我国现行桥梁设计规范和混凝土设计规范对于深受弯简支箱梁正截面抗弯承载力的计算均比较保守，在设计中可适当考虑跨高比和整体性对箱梁的有利作用。(2)因跨中区域剪力几近为零，跨中截面剪力滞效应不明显，1/4跨截面因剪力较大而有明显的剪力滞效应，但翼板开裂后，截面内力重分布，剪力滞效应逐步削弱，当翼板纵筋全部屈服后，剪力滞效应消失。(3)在斜裂缝出现时剪弯区与斜裂缝相交的箍筋应变骤增，箍筋在混凝土开裂之后承担了较多的剪力，为主要的抗剪部件；因腹板纵向分布钢筋的抗剪作用，“多筋侧”腹板剪压区开裂较“少筋侧”晚。(4)非线性有限元能较好地模拟了闭合箱涵的纵向受力、开裂前横向受力、荷载位移曲线；但开裂后的横向受力，实测值与模拟结果存在一定差别。总的来看，ABAQUS模拟结果与试验结果吻合较好。(5)荷载工况的改变使得排水架空箱涵混凝土过早开裂，导致污水渗漏污染环境，影响排水管道的正常运营。故在冲沟回填前应对箱涵进行加固措施，如在箱涵两侧墙下增设条形基础，从而将箱涵结构由简支变为底部连续支承的形式。