节段施工体外预应力混凝土梁接缝抗剪力学性能研究.doc

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1、第一章 节段施工体外预应力混凝土梁接缝构造1.1接缝类型及特点接缝是预制节段施工结构的一个特殊构造，是装配式钢筋混凝土结构的最薄弱环节。预制拼接结构的受力性能和工作情况（抗震性能、整体性和稳定性）与拼接处的强度以及连接的可靠度密切相关，主要取决于接缝连接的好坏Error! Reference source not found.。其构造必须能够满足下列要求：在荷载作用下，拼接缝自身的强度不能成为结构的薄弱环节，应不低于预制梁段本身；拼装接缝应能平顺地传递内力，发挥连接的功能；所采用的拼接构造应能尽量缩短现场拼接的时间，实现施工的快捷、方便，并满足工程的一些具体要求。因此，拼接构造的合理选用也是非

2、常重要的Error! Reference source not found.。对于接缝的类型，美国后张预应力协会PTI建议：预制混凝土节段式桥梁中，接缝分为A，B两类。A类接缝包括现场浇筑形成的接缝，即混凝土湿接缝和环氧接缝；B类接缝即干接缝。目前，预制梁段之间的拼接接缝主要可采用湿接缝、胶接缝和干接缝。1.1.1湿接缝1.湿接缝的特点 湿接缝是在预制梁段间现浇混凝土，待现浇混凝土达到一定强度后，张拉穿过接头的预应力筋从而实现预制构件之间的连接。它属于有支架施工的接头方式，需在接缝位置处搭设临时支架。这种拼接方法的优点是可在一定程度上弥补块件之间的制作误差。该方法主要的缺点是临时支架搭设的时间

3、相对较长。2.湿接缝的适用范围 根据湿接缝的特点，这类裂缝目前主要用于合拢处和桥梁线形调整处。3.湿接缝的施工 湿接缝的施工主要包括凿毛、安装底模、绑扎钢筋、安装预应力钢束、立侧模、浇筑混凝土、养生和张拉预应力等工序Error! Reference source not found.。其具体施工过程如下：（1）对旧混凝土凿毛 将梁顶板要浇注混凝土的范围内的梁板表层混凝土凿去510 mm，在浇注混凝土时湿润表面并座浆，以保证新老混凝土的良好结合。（2）安装底模及永久性支座 将支座置于墩顶支座垫石上，放好后在永久性支座外周围安装底模，为严防漏浆，永久性支座与底模间的缝隙应采取有效措施密封。（3）钢

4、筋安装 按湿接缝钢筋构造图绑扎钢筋。纵向钢筋按设计要求进行连接，其连接可采用搭接焊、帮条焊或套筒挤压接头。（4）安装预应力钢束 为防止改变预应力筋的受力，应严格控制预应力钢束的位置。波纹管在两预制梁端与现浇段相接处的位置偏差应控制在2mm 以内。在现浇段中预埋与预制梁中同种材料的预应力波纹管，须与预制梁段对应波纹管顺接，确保连接可靠，不漏浆。（5）立侧模 因梁板绞缝也是两次施工，须在绞缝处支立侧模，桥梁边板处的湿接缝模板采用与桥梁边板侧模同形状的钢模板，其他根据实际需要设置。（6）浇注现浇混凝土 根据该段的受力情况，为防止混凝土收缩引起现浇段与预制梁的开裂及预应力损失，混凝土中掺加膨胀剂。因钢

5、筋密集，规定混凝土石子的粒径不大于2cm。根据配合比，严格控制各材料用量，浇注混凝土时采用小直径振捣棒的振捣器配合大直径振捣棒的振捣器，最后用平板式振捣器，确保现浇段混凝土密实。（7）养生 混凝土施工完毕，为防止早期收缩出现裂缝，最好在捣实抹平后即用塑料薄膜覆盖，在混凝土初凝前，掀开塑料薄膜，混凝土会泛水至表面，此时进行二次收浆，以控制平整度及防止出现裂缝。收浆完再用塑料薄膜覆盖，待下次洒水养生时，换砂或草袋洒水代替塑料薄膜继续养生。（8）张拉预应力束及压浆 待现浇混凝土强度达到要求后，张拉预应力束。张拉完毕后封锚并及时压浆。至此，拆除临时支座，完成整个转换过程。1.1.2胶接缝1.胶接缝的特

6、点 环氧接缝是在节段间涂抹一层很薄的环氧树脂，厚度通常为13mm，使相邻构件粘结在一起，然后张拉预应力筋拼接。环氧树脂是一种粘结剂，连接时构件双方的接合面必须做成密贴的。其主要作用是：1）利于节段拼装；2）消除相邻节段端面上的不平整，避免出现应力集中；3）传递压应力和剪应力；4）防止水分、消冰剂等进入预应力管道腐蚀预应力筋。环氧树脂作为一种稳定性极好的材料，具有可靠的防水能力，现场的施工工艺要求相对简单，有利于安装。同时胶接缝接头对拼装后的线形无影响，无需养护，拼装后可立即施加预应力。但是环氧树脂材料在耐久性方面尚缺乏研究。而且环氧树脂具有怕水、怕湿的特点，不宜在雨季或多雨水地区使用。2.接缝

7、胶的组成及作用 普通接缝用胶一般采用环氧树脂胶，其主要由以下几部分组成：（1）粘结剂 主要是环氧树脂，多选用牌号为6101的环氧树脂。（2）固化剂 胶接缝通常采用胺类固化剂，如乙二胺、间苯二胺和多元胺。固化剂可以通过计算或试验确定其用量，但需要注意的是固化剂用量必须适当。（3）增塑剂 增塑剂能减低树脂的粘度，固化后增加胶体的塑性，提高其冲击、抗弯、抗拉、抗压强度。增塑剂分为活性(与环氧能起化学反应)与非活性(与环氧不起化学反应)两种。胶接缝通常用非活性增塑剂，其价格低，但易挥发，影响老化。增塑剂的用量决定于树脂的性能、填料的多寡以及胶接缝的强度要求和塑性要求。（4）稀释剂 加入稀释剂的主要作用

8、在于减低树脂的粘度、增加流动性，便于施工。（5）填料 为了降低成本，改善拌合料的稠度和胶体的物理力学性能，一般均要选择适当的填料加入，多数情况为水泥。（6）改性剂 加入改性剂的目的是改进树脂本身性能的某些缺陷和固化条件。3.胶接缝的适用范围 根据胶接缝的特点，该类接缝的应用条件较为宽松，使用范围较广，目前被广泛应用于采用预制拼装的桥梁施工中。美国节段式混凝土桥梁设计与施工指导规范（1989）中提出，该类接缝适合于所有体内力筋的桥梁，及有冻融循环的恶劣气候条件下的所有桥梁或使用消冰化学制品的桥梁。在我国，对于体内外组合预应力、循环冻融及采用化学消冰的节段式梁，应采用环氧树脂胶结接缝。4.胶接缝的

9、施工 预应力混凝土桥梁预制节段逐跨拼装施工技术规程规定，预制节段逐跨拼装施工中的胶接缝应符合下列规定Error! Reference source not found.：（1）应根据施工地区的常年温度变化、使用环境等情况，通过试验选用合适的胶粘剂。胶粘剂进场后应进行力学性能及作业性能的抽检，其各项性能应满足结构设计与节段拼装施工的要求。（2）胶粘剂的涂抹厚度不宜超过3mm，其有效工作时间应按成孔拼装要求确定，不宜小于1h。胶粘剂应采用机械拌和，涂抹方式应根据胶粘剂的产品特性确定。在冬季低温条件下使用胶粘剂时应采取保温措施。（3）胶粘剂应涂抹均匀，覆盖整个匹配面。施加临时预应力时，胶粘剂应在梁体

10、的全断面挤出。应对孔道口做好防护，严禁胶粘剂进人预应力孔道。每个节段拼装完成之后应适时通孔。（4）节段的拼装、临时预应力张拉、节段的固定以及胶粘剂挤出后的清除工作都应在胶粘剂失去和易性之前完成。（5）当拼装涂抹作业下方开放交通时，必须在车道上方设置防胶粘剂滴落的设施。1.1.3干接缝1.干接缝的特点 干接缝是指预制梁段接触面直接密贴，不采用任何粘结剂，借助预应力组拼成整体结构。通常会在相邻节段端面上设置剪力键，早期是在每侧腹板上设置单个大剪力键，现在则通常采用若干小剪力键，以使节段间应力传递更均匀。干接缝最大的优点是无需支架便可施工，制作快速、简便，但是存在接缝处容易渗水引起钢束锈蚀影响预应力

11、效果，并且在安装时精度要求高。与预制节段湿接缝施工法相比，节省了湿接缝处钢筋混凝土工程量和养护时间，施工速度快，质量好。采用干接缝时，如果在使用状态下截面内产生拉应力，则裂缝将集中发生在接缝部位。相对于其它类型裂缝，干接缝节段式预应力混凝土桥梁具有以下优势和缺陷Error! Reference source not found.。（1）干接缝节段式预应力混凝土桥梁的优势 在施工方面干接缝节段式桥梁的优点，主要反映在避免了接缝环氧树脂胶涂抹工作、节省了环氧树脂胶固化时间，从而可以更快的速度完成节段拼装。同时，由于干接缝节段式桥梁无体内预应力筋，相比配置体内预应力筋的胶接缝桥梁，施工速度可进一步提

12、高。另一方面，干接缝节段式桥梁为全体外预应力结构，预应力钢束能够按照可检测、可调整及可更换设计，即从施工开始到整个使用期预应力束都能被置于明确的监控状态，从而可以最大程度地把握预应力束的工作性能和耐久性状态。因此，在一些施工对周围环境影响控制严格、施工进度要求高，以及对体内预应力系统安全耐久性把握不明确的工程，干接缝节段式全体外预应力桥梁具有很大的优势。（2）干接缝节段式预应力混凝土桥梁的缺陷 虽然干接缝节段式预应力混凝土桥梁的优势明显，但也反映出一些缺陷和不足。在静力性能方面，由于接缝截面混凝土表面直接接触，正常使用阶段不能承受拉应力且抗压能力也有下降。在承载能力极限状态，其抗弯和抗剪承载力

13、均低于胶接缝节段式梁，且破坏更集中在接缝截面。在抗震性能方面，当地震作用使干接缝开展较大、重复及反向开展时，混凝土剪力键将可能出现脆性破坏、梁体被突然剪断。在混凝土耐久性方面，冻融循环地区若桥面防水有问题，水易渗入接缝导致混凝土剪力键逐渐破坏；海洋环境、多雨等不良环境地区，有害物质也易侵人接缝导致接缝键混凝土耐久性病害。干接缝节段式构造在国外一些桥梁设计规范和指南中也有所限制。在美国(AASHTO LRFD桥梁设计规范)的2004年版（第三版）和AASHTO节段施工混凝土桥梁设计与施工指南1999年版（第二版）的2003年临时修改版中指出，所有的新结构仅有A类接缝(现浇混凝土接缝和预制节段之间

14、的湿接缝或环氧树脂胶接缝)，保留的干接缝有关条文只用作已建桥梁的荷载评定。可见，新建的节段预制拼装预应力混凝土桥梁已不再使用干接缝，即使为全体外预应力也至少采用胶接缝。总之，干接缝节段式预应力混凝土桥梁在受力及耐久性方面的缺陷和不足也在一定程度上限制了其发展。2.干接缝的适用范围 目前，对于全体外预应力、不发生循环冻融和不用化学消冰的节段式梁，可采用表面不涂任何封闭粘结剂的干接缝。但由于干接缝渗水会严重降低拼装结构的运营质量和耐久性，故在工程中很少采用。在节段式预应力混凝土桥梁在施工中，干接缝的优势是明显的、有参考价值的，但干接缝节段式预应力混凝土桥梁的缺陷与不足也较多。因此，在交通拥挤、施工

15、进度控制严格的城市，若其他条件（如地震烈度、气象及环境状况等）不是制约因素时，建议考虑采用干接缝构造。但在设计和施工时，桥面接缝位置的防水措施应能保证、桥面排水能力应加强，箱梁两侧应设现浇混凝土条和有效的滴水构造，梁体（尤其是接缝位置）的外表面宜涂覆合适的耐久性保护涂料。若气象或环境条件等不允许时，只能考虑采用胶接缝。3.干接缝的施工 造桥机节段预制干接缝施工工艺主要包含预制梁段运输起吊对位、临时预加压力顶紧、预应力张拉成梁和封锚等工序。1.2接缝构造形式参考现有规范、研究文献以及节段施工桥梁的采用情况，节段施工预应力混凝土接缝的常用和新型构造形式主要有以下几种：竖直接缝、斜接缝、阶梯接缝和销

16、槽式接缝，如图2-1所示。图2-1 接缝构造形式Fig.2-1 The forms of joint structure1.2.1竖直接缝竖直接缝为连续刚构主梁接缝和预制节段梁接缝的常用形式。根据接缝处是否设剪力键以及剪力键的不同构造形式，竖直接缝又可分为平面型、单阶型、单齿型和多（密）齿型，如图2-2所示。相对于其它接缝，竖直接缝具有预制简便、拼接方便等特点，有效地提高了施工速度。因此，该接缝形式在预制节段施工中较常采用。图2-2 竖直接缝的型式Fig.2-2 Types of vertical joints1.2.2斜接缝由于接缝是斜向的，而剪力是竖向的，因此接缝处的剪力是要由相邻两个节段

17、共同承担而并非只由接缝承担。同时，斜接缝不仅可以增大接触面积，而且由于相邻节段的重力作用会使接缝更加紧密，特别是对于胶接缝，漏胶的问题也会有所改善。其中斜接缝的倾角上端向悬臂根部倾斜。对于斜接缝倾角的确定，通常要考虑两个因素：（1）接缝构造的受力能起到明显的改善作用，使对下挠的影响降到最低限度；（2）便于施工或者对施工的困难增加较少。综合上述两个因数考虑，有学者提出将倾角定在5 15之间比较适合Error! Reference source not found.。笔者认为，对于倾角的最优确定还应进行更详细的理论分析和工程实践的检验。1.2.3阶梯接缝节段与节段间的接缝采用台阶形式，对剪切变形是

18、有利的。这样的接缝不构成一个沿剪力方向能产生相互错动的通缝，能明显提高接缝抵抗剪切变形的能力。同时，由于新旧混凝土的接触面是转折面，任何形式的剪力都不可能仅由接缝面单独承担，同时也不可能在接缝处出现相对竖向错动。因此台阶形式的接缝也可以较好地解决由于接缝质量问题而引起的过大变形。但是由于这种接缝施工制作较麻烦，因此在实际工程中较少采用。1.2.4销槽式接缝与阶梯接缝相似，销槽式接缝也不构成一个沿剪力方向能产生相互错动的通缝，且相邻两混凝土节段接触面积大大增加，故其抗剪切变形能力较强。同阶梯接缝一样，该接缝施工制作较复杂，不利于施工进度的加快。从混凝土梁的整体性来说，竖直接缝、斜接缝、阶梯接缝、

19、销槽式接缝的整体性顺序递增，但同时其施工的难度也在递增，故需综合考虑多种因素进行选择。根据以上分析，笔者认为对于节段施工，特别是预制节段施工，竖直接缝相比其它接缝的施工难度和工作量较小，同时接缝处设置的剪力键也能弥补其抗剪性能不足的缺陷，因此在工程中应当优先选用。此外，斜接缝较竖直接缝明显地改善了接缝的抗剪性能，同时又不明显增加施工难度和工作量，也不失为一种较好的改进措施。1.3接缝剪力键构造1.3.1剪力键的构造对于采用干接缝和胶接缝的桥梁，为了较好地传递剪力，在节段的接缝位置要设置剪力键。通常在顶板和底板布置多个较大的单键，在腹板采用复式剪力键。斜腹板箱梁的复式剪力键可垂直于腹板，也可平行

20、于顶底板。干接缝处的摩擦力由接缝接触面上的正压力和面积确定。在抗剪承载力中，摩擦力所占比例较大，键齿的承压剪力所占比例较小，故键齿的多少对抗剪破坏荷载影响很小。但在键齿较多时，键的受力均匀程度较好，抗剪开裂荷载有所增加Error! Reference source not found.。对于箱型梁构造，节段接缝位置处截面剪力键的布置及构造如图2-3、2-4所示。节段接缝各区域的剪力键构造及作用如下：图2-3 节段剪力键（键槽）布置示意图Fig.2-3 Schematic diagram for layout of shear key (key grooves) in segments 图2-4

21、 节段剪力键实际构造及力的传递示意图Fig.2-4 Schematic diagram of force transform and actual structure at Shear keys of segments1.腹板内剪力键 在腹板处，剪力键由多个矩形键块（槽）组成，主要承受与传递接缝截面在正常受力情况下的剪力。2.顶板内剪力键 在顶板处，剪力键由多个长条形键块（槽）组成，主要用于传递接缝位置桥面车辆荷载引起的剪力，协助节段拼装镶嵌对接定位。3.底板内剪力键 在底板处，剪力键由多个长条形键块（槽）组成，主要用于协助节段拼装时的镶嵌对接定位。4.腹板与顶板和底板结合区剪力键 在腹板与顶

22、板和底板结合区，若无体内预应力筋通过也应设置剪力键，尤其在梁跨中区段的腹板与顶板结合区、连续梁近中墩旁区段的腹板与底板结合区，其主要用于因超载等原因造成接缝开展后的剪力传递。为便于节段密接匹配预制时脱模、拼装时镶嵌对接及挤出多余的环氧胶体（胶接缝），剪力键应构造成凹凸密接的棱台状。如有需要键槽可设置出胶槽配合胶体挤出，出胶槽如图2-3所示。键槽与键块上、下侧面的倾斜角应接近45，以便在重力及胶体固化前润滑作用下，键块（槽）将所受剪力传递至节段端面的受力钢筋，如图2-4所示。同时，考虑到美观，胶接缝剪力键的选位和胶体挤出方式如下：腹板内的剪力键宜靠近箱梁内侧边设置，胶体从腹板内侧挤出；顶板和底板

23、内的剪力键应设在板厚的中间，胶体从板顶面由出胶槽挤出；其它位置的剪力键均在箱梁内侧上表面的出胶槽挤出胶体。采用干接缝时，腹板内的剪力键可设在板的中部，其它剪力键布置方法同胶接缝。1.3.2剪力键的尺寸由文献22,34可知，剪力键形状主要有梯形与波形两种，设计时，剪力键的尺寸应满足以下规定：（1）腹板内的剪力键应尽量在腹板全高度布置，布置范围一般为梁高的0.75倍；剪力键的横向宽度一般为腹板宽度的0.75倍；顶、底板也应设置剪力键，但可用更大尺寸的剪力键，如图2-5所示；（2）键块（槽）应采用梯形（倾角接近45，见图2-4）或圆角梯形截面，高度应大于混凝土最大骨料粒径的2倍及不小于35mm，一般

24、不大于100mm；顶、底板及腹板内键块（槽）的高度与其平均宽度比取为1:2，如图2-5(d)所示；（3）位于腹板与顶、底板结合区的键块（槽）的尺寸，可根据该处实际尺寸选定； a)胶接缝正面 b)干接缝正面 c)侧面 d)剪力键大样图2-5 剪力键构造尺寸示意图Fig.2-5 Schematic diagram of structural dimensions at shear key（4）两剪力键的间距取3h与5h的中间值，其中h为剪力键高度。对于小宽度现浇缝（湿接缝）可不设纵向普通钢筋，在满足体内预应力管道连接和混凝土浇筑振捣要求的情况下接缝的宽度应尽量小。1.3.3剪力键的比选采用预制节段

25、拼装的施工方法时，为了将各个分块的构件形成整体，在设计上必须对接缝部分作慎重处理，在确保各块件的位置正确固定的同时，接缝部分还应能够有效传递剪力，从而使结构变形连续。干接缝界面一般设置由凹槽与凸块形成的混凝土键或钢制的键，齿形有方便施工要求的大型疏键或受力性能较好的密键形式。为防止雨水浸入接缝腐蚀预应力钢筋，可在接缝面涂抹环氧树脂胶形成环氧树脂胶接缝。钢制键体相比比混凝土键制造更为方便，但其和混凝土梁体间的连接、固定则相对复杂，且钢制键体存在的防锈问题也不易解决，因此工程中较常采用与混凝土梁体一次匹配制造的混凝土键。为利于模板制造、剪力键构造简洁及方便脱模，设计中多采用梯形状剪力键；从剪力键的

26、功能来看，其作用主要包括定位和提供抗剪能力两个方面。对于客运专线，剪力键的定位功能和抗剪传力同等重要。少、大型疏键虽便于施工，但应力集中现象明显，易开裂，故应尽量按构造要求，多布置剪力键，以减小应力集中，即采用密齿结构对结构较为有利。1.4本章小结本章首先对节段施工体外预应力混凝土桥梁的湿接缝、胶接缝和干接缝三种接缝类型的特点、适用范围以及施工工序进行了分析比较。其次对竖直接缝、斜接缝、阶梯接缝和销槽式接缝几种常用和新型接缝构造形式进行了对比分析，并给出了比选建议。最后，针对工程中常用的竖直干接缝和胶接缝，笔者以箱型梁为例给出了节段接缝界面各区域的剪力键构造及作用。同时，参考国内外现有文献资料

27、，针对键体的设计，提出了剪力键构造尺寸应满足的一般规定，并对剪力键的比选给出了参考意见。第二章 节段施工体外预应力混凝土梁接缝剪切性能分析尽管针对传统混凝土梁剪切破坏的研究，几十年来一直是世界各国学者研究的热点，但混凝土梁在弯、剪联合作用下的强度却不能精确地预测。其主要原因是斜裂缝将构件割裂成为只有局部联系(压区混凝土和钢筋)的几个部分，从而使构件成为内部超静定体系，其各部分均在复杂受力状态下工作。斜裂缝出现后的内部变形协调关系不易建立，混凝土在复杂应力状态下的强度理论也不成熟,至今尚未从定量上建立剪切破坏的力学关系，因而由解析法建立剪切强度计算公式还相当困难。目前对抗剪性能的研究，主要还是通

28、过对大量试验结果的分析，探讨开裂特性、传力机构和破坏机理的规律，虽然在理论方面有较大进展，但多采用数理统计方法建立剪切强度的半理论半经验计算公式。从现有的试验研究成果来看，其试验研究主要包括以下两类：一类是针对节段桥梁的整体模型进行研究；另一类是针对接缝的剪力行为。体外预应力混凝上梁的体外索布置在截面混凝上之外，不能发挥纵筋销栓作用。节段预制体外预应力混凝土梁在接缝处纵筋不连续、钢筋骨架在梁全长范围内也不连续、剪力键在受力过程也容易成为剪切强度的薄弱环节等等。体外预应力混凝土梁的这些特点必然给其抗剪性能的研究带来新的问题。因此防止节段预制体外预应力混凝土梁剪切破坏必须从以下两个方向入手：首先，

29、防止梁体发生传统的斜截面剪切破坏；其次，防止接缝处剪切滑移而导致的直接剪切破坏。而且第二种破坏在工程实践中发生的概率更大，同时也是目前研究较少且不充分的一种破坏形式。本节将在现有理论与试验研究结果分析的基础上，探讨体外顶应力混凝土接缝处的剪切特性及影响截面破坏的因素，重点研究接缝直接剪切破坏模式的现象、机理、应力分布及传递，并提出体外预应力混凝土梁接缝处的抗剪简化计算公式。2.1体外预应力混凝土梁剪切特性与体内预应力混凝土结构相同，体外预应力混凝土结构斜截面剪切破坏产生的裂缝主要有弯-剪裂缝和腹板剪切裂缝。当弯矩和剪力均较大，梁底应力超过混凝土强度时，梁底将产生垂直于轴向的裂缝，该裂缝受剪力影

30、响，向上延伸时发生倾斜，此裂缝即为弯-剪裂缝。当腹板中的主拉应力超过混凝土抗拉强度时，腹板处出现的斜裂缝即腹板剪切裂缝，该裂缝主要受剪力控制。相对于体内预应力结构，节段式体外预应力混凝土结构的预应力束设于混凝土外，体外预应力结构的腹板厚度应许更薄，因此更易产生腹板剪切裂缝。而对于节段间的接缝，则可以看成结构出现裂缝前就存在的贯穿于整个截面的竖向裂缝。对于节段式体外预应力梁，不同的接缝类型，其破坏形式不同。以下就根据现有的试验结果对干接缝和胶接缝这两类接缝的剪切特性及破坏形式进行阐述。1.干接缝节段式梁 对于干接缝节段式梁，当破坏斜裂缝出现后，与其相交的箍筋应力突然增加，荷载增加不大后即达屈服。

31、荷载-位移和体外预应力筋应力曲线，也以破坏斜裂缝出现为界，从缓慢增长转变为快速增长。当干接缝节段式梁的腹板较薄时，其破坏斜裂缝主要由腹剪裂缝(部分由剪力键的键块处)发展而成。在破坏斜裂缝出现之前，部分斜裂缝能跨过接缝。破坏斜裂缝出现(或接缝开展)突然，一般从弯剪段离加载点最近的接缝截面中、下部指向加载点，且一出现即上升到腹板的顶部、宽度很大，裂缝(或接缝)底部两侧混凝土明显错动。当荷载继续增加时，破坏斜裂缝或接缝进一步增宽或开展，底部两侧混凝土的错动更大，其他接缝位置的斜裂缝基本不再发展。梁在破坏前具有明显的征兆。2.胶接缝节段式梁 对于胶接缝节段式梁，由于胶的强度普遍高于混凝土，当计算其斜截

32、面抗剪强度时，可以采用整体浇筑梁的计算思路与方法。国内试验研究表明Error! Reference source not found.，在破坏斜裂缝出现之前，箍筋应力较小甚至处于受压状态；当破坏斜裂缝一出现，与其相交的箍筋应力将突然增加，在荷载增加不大后即达屈服。荷载-位移曲线和体外预应力筋应力曲线，均在形成破坏斜裂缝时出现明显的拐点，呈现出两阶段的受力状况：即在破坏斜裂缝出现前，荷载主要由全截面混凝土和钢筋共同承担；破坏斜裂缝出现后，与之相交的箍筋、预应力筋(包括体内、体外)及剪压区混凝土组成的机构承担外荷载，位移和体外预应力筋应力增长较快。胶接缝节段式梁破坏斜裂缝一般分为两种情况：当腹板较

33、薄时，其破坏裂缝主要为腹剪斜裂缝；当腹板较厚时，则主要为弯剪斜裂缝。在破坏斜裂缝出现之前，存在部分斜裂缝跨过接缝。破坏斜裂缝出现也较为突然，均从弯剪段离加载点最近的接缝截面下部指向加载点，且一出现即上升到腹板的顶部、贯穿腹板且宽大，裂缝底部两侧混凝土有错动现象；当荷载继续增加时，破坏斜裂缝增宽，其他接缝位置的斜裂缝基本不再发展。梁在破坏前具有明显的征兆。由以上分析可知，节段式体外预应力梁的剪切受力过程分为破坏斜裂缝出现前、后两个阶段。破坏斜裂缝出现较为突然，在破坏裂缝出现后，外荷载主要由与之相较交的箍筋、体外预应力筋以及剪压区混凝土组成的机构承担，梁体的位移与体外预应力筋应力增长较快。2.2体

34、外预应力混凝土梁接缝处抗剪承载力的计算由以上分析可知，体外预应力混凝土梁的抗剪承载力主要由箍筋、混凝土以及弯起的预应力筋的强度组成，而体内纵向配筋和纵向预应力筋对混凝土强度发挥着重要作用。对于节段式体外预应力混凝土桥梁，为防止接缝处出现直接剪切破坏，各预制节段间表面通常都设有剪力键，接缝界面主要依靠剪力键及预应力产生的摩擦力来传递剪力。根据接缝处不同的破坏形式，将接缝处的剪切破坏分为斜截面剪切破坏和直接剪切破坏。3.3.2.1接缝处斜截面抗剪承载力的计算 节段式体外预应力混凝土结构斜裂缝出现直至破坏，混凝土受压区塑性发展，受拉区已退出工作状态，构件斜截面抗剪承载力可以通过极限平衡关系分析得到。

35、体外预应力混凝土受弯构件斜截面剪切破坏形式与体内预应力混凝土受弯构件相同，因此参照公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D62-2004有关体内预应力混凝土受弯构件的计算公式，考虑体外预应力对抗剪承载力的提高作用，从而建立体外预应力混凝土受弯构件接缝处斜截面抗剪承载力计算公式： （3.31）其中： 式中：斜截面内混凝土和箍筋共同的抗剪承载力设计值，；接缝处与斜截面相交的普通弯起钢筋提供的抗剪承载力设计值，；与斜截面相交的体内预应力钢束提供的抗剪承载力设计值，；与斜截面相交的体外预应力钢束提供的抗剪承载力设计值，； 体外预应力钢束在斜截面极限状态时的抗拉强度设计值，； 斜截面内在同一

36、弯起平面的体外预应力钢束总截面面积，； 体外预应力弯起钢筋的切线与水平线的夹角。上述公式中的其他符号可参考公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTG D62-2004第5.2.7条。由于节段式体外预应力接缝处普通钢筋不通过，故与斜截面相交的普通弯起钢筋提供的抗剪承载力设计值取0，即式（3.31）可写为： （3.32）同时，在斜截面抗剪中箍筋的贡献是主要的，因此体外预应力钢束在斜截面极限状态下的应力增量值可以偏安全地取为0， 可以取为体外预应力的有效预应力值。于是可写成： （3.33） 以上主要是利用一般斜截面抗剪承载力的计算公式通过折减系数修正接缝影响的计算方法。由于获得折减系数的模型试

37、验的数量较小，且节段式梁并非仅出现斜截面破坏形态，故其适用范围和可靠性存在一些问题。为了较好地体现节段式梁的抗剪性能，交通部公路体外预应力混凝土桥梁设计指南（以下简称体外预应力设计指南）概要中以系列模型试验研究和非线性有限元全过程分析为基础，根据抗剪性能主要影响参数分析和变化规律回归分析结果，以及现行桥梁设计规范的安全度水平，得到体外预应力混凝土桥梁的斜截面抗剪承载力计算公式： （3.34）式中：结构重要性系数；斜截面剪压端剪力的组合设计值； 整体式和现浇节段式梁取0.06，胶接缝和干接缝节段式梁取0.72； 施工方法影响系数：整体式和现浇节段式梁取1.0，胶接缝节段式梁取1.0，干接缝节段式

38、梁取0.94； 体内外预应力配筋影响系数：全体外配筋取1.0，体内外组合配筋取1.1； 截面形状影响系数：，为受压翼板的厚度； 边长为150mm的混凝土立方体抗压强度标准值（MPa），即混凝土的强度等级； 整体式和现浇节段式梁取12.8，胶接缝和干接缝节段式梁取0.11； 纵向配筋率，预制节段式梁不考虑的作用； 剪跨比；斜裂缝的水平投影长度：整体式和现浇节段式梁取，胶接缝和干接缝节段式梁取一个节段长度和的较小者；斜裂缝范围内的箍筋间距；箍筋的抗拉强度设计值；斜裂缝范围内一个间距内箍筋各肢的总截面面积； 体内预应力筋的抗拉强度设计值；、分别为体内、体外弯起预应力筋与梁轴线的夹角；、分别为斜裂缝范

39、围内体内、体外弯起预应力筋的截面面积； 由式（3.34）可知，对于胶接缝节段式体外预应力梁，其斜截面抗剪承载力计算公式为： （3.35）对于干接缝节段式体外预应力梁，其斜截面抗剪承载力计算公式为： （3.36）上述体外预应力设计指南概要给出的斜截面抗剪承载力计算公式虽然以系列模型试验研究和非线性有限元全过程分析为基础，考虑了主要影响参数分析和变化规律回归分析结果，但仍然存在系数选择是否可靠，模型试验数量较少而导致的适用范围不广以及考虑不够全面等问题。因此，在实践工程中推荐使用混凝土桥梁设计规范公式进行设计，而对于节段施工体外预应力特大桥梁可采用体外预应力设计指南概要给出的公式进行校核，从而确保

40、结构的安全。3.3.2.2接缝截面抗剪承载力的计算 现阶段，针对节段式预应力混凝土接缝截面直接剪切简化计算公式进行研究的资料较少。其中比较有代表性的有我国的体外预应力设计指南概要和美国的AASHTO规范。本节将在这两规范公式分析比较的基础上，提出节段式体外预应力混凝土胶接缝和干接缝的直接剪切实用简化公式。1.我国公路体外预应力混凝土桥梁设计指南概要计算公式 体外预应力设计指南概要中有关接缝的抗剪计算公式是以系列模型试验研究和非线性有限元全过程分析为基础，根据抗剪性能主要影响参数分析和变化规律回归分析结果，采用桥梁规范设计荷载对模型试验结果进行修正得出，各类接缝截面的抗剪承载力计算式如下：（1）

41、环氧胶接缝截面抗剪承载力计算公式当满足下列条件时， （3.37）其中： 按下式计算接缝截面抗剪承载力： （3.38）当不符合公式（3.37）的条件时，公式(3.38)中按如下方程计算：其中： 式中：承托或加腋范围内受压翼板的平均厚度；接缝截面受拉钢筋合力至受压边缘的距离；接缝截面受拉钢筋合力设计值：，其中、 分别为体内、体外预应力筋的截面面积；、分别体内预应力筋的抗拉强度设计值和体外预应力钢束的永存预应力；剪压区混凝土压应力设计值；受压翼板的抗剪有效宽度： 其中：为腹板的(总)宽度； 为腹板外侧悬臂板计算宽度、内侧承托或加腋宽度之(总)和，腹板外 侧悬臂板计算宽度同内侧承托宽度；混凝土抗压强度

42、设计值；接缝截面体内、体外预应力筋永存预加力的竖向抗剪分力；其余符号意义同前。（2）干接缝截面抗剪承载力设计计算式当满足下列条件时， （3.39）其中： 按下式计算接缝截面抗剪承载力： （3.40）当不符合公式(3.39)的条件时，按下列公式计算抗剪承载力： （3.41）上式中按如下方程计算：其中：式中：接缝截面体外预应力钢束合力至受压边缘的距离；体外预应力束的永存拉力；受压翼板抗剪有效宽度范围内剪力键剪切面积与接缝面积之比；光滑混凝土表面之间的摩阻系数，取0.6；腹板高度范围内剪力键剪切面积与接缝面积之比；接缝截面体外预应力束永存预加力的竖向分力；其余符号意义同前。（3）上式有关接缝抗剪承载

43、力研究还存在的问题 从以上设计计算公式的表达式及试验依据可以看出，其还存在以下三个方面的不足：1）参数（或系数）选择不可靠。目前国外设计规范或指南中节段式梁抗剪承载力的计算方法，主要是利用一般斜截面抗剪承载力的计算公式通过折减系数修正接缝影响的计算方法。国内设计以往主要参考国外公式，而国外设计规范中承载力的可靠度、作用或荷载水平等与我国规范有较大差异。现行体外预应力设计指南概要中虽然考虑了“二次效应”下的极限应力值，并与现行桥梁设计规范相协调进行了试验数据的修正。但是其模型试验荷载与实际桥梁荷载仍存在差异，而且针对接缝单元破坏形态的模拟，各学者还存在不同的看法。2）适用范围不广以及考虑不够全面

44、。体外预应力设计指南概要只列出了在符合条件下的计算公式，并没有做全面介绍。同时，其计算公式主要由模型试验结果回归分析得到，并通过非线性有限元分析，采用桥梁规范设计荷载对模型试验结果进行修正，但是模型试验的数量较少，故其适用范围和可靠性存在一些问题。3）计算公式中的参数较多，不利于工程实践的应用。2.美国AASHTO规范公式Error! Reference source not found. 美国节段式混凝土桥梁设计和施工指导性规范中提出，干接缝情况下的接缝名义剪切强度按式(3.42 )计算： （3.42）为了便于比较，将上式英制单位换算成国际单位制，换算后的计算式为： （3.43）式中：破坏面

45、上所有键根部的面积；混凝土抗压强度，；接缝界面的混凝土压应力，；破坏面上光滑接触面积。式中符号解释及其表示的破坏面如图3-6所示。图3-6 美国AASHTO接缝剪切破坏示意图Fig.3-6 Schematic diagram for shear failure of joints in American AASHTO （1）规范公式的试验依据 美国规范公式的主要依据是Buyukozturk和Bakhoum等人的干接缝试验Error! Reference source not found.。Buyukozturk等人试验的干接缝试件尺寸如图3-7所示。图3-7 Buyukozturk等人单键干接

46、缝试件Fig.3-7 Single key and dry joint specimen proposed by Buyukozturk试验结果显示，当荷载增加到最大值的20%后，荷载-滑移曲线斜率开始下降，此时伴随着一条键下表面的裂缝产生，其发展方向大约与竖直剪切面成45裂缝的形成同时伴随试件的轻微张开。裂缝形成之后，大部分荷载转嫁到键的下表面，而竖直部分的摩擦抗力有所下降。当荷载继续增加时，短斜裂缝陆续生成并在键的根部连接起来，部分延伸至键的下表面，表明形成了斜压杆。当荷载达到最大时，沿键根部分布的斜裂缝连接起来将凸键从原来的大块上剪断分离，Z形柱两部分之间产生了一个大的、突然的相对位移，

47、同时初始裂缝闭合。当侧压力高时，受力行为基本相似，但初始裂缝要小一些。试件裂缝的发生、发展示意如图3-8所示。图3-8 Buyukozturk等人单键干裂缝试件及其裂缝的发生、发展示意图Fig.3-8 Single key and dry joint specimen proposed by Buyukozturk and its schematic diagram of crack occurrence and development（2）规范公式存在的问题 美国AASHTO规范认为接缝剪切强度由两部分组成，一部分可理解为混凝土的剪切抗力，一部分为接缝破坏面上的摩擦力。大量的试验研究也发现接缝剪切强度随混凝上的强度