CN108797351A - U筋交错搭接纵向接缝压杆宽度的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于压杆拉杆模型的U筋交错搭接纵向接缝压杆宽度的确定方法，其特征在于方法步骤如下：首先，U筋交错搭接接缝构造；其次，U筋锚固长度的确定；最后，接缝承载能力以及压杆宽度的确定；包括修正的压杆拉杆模型和压杆宽度的确定；其中U筋交错搭接接缝构造的具体步骤为：U筋的一端嵌于预制段内，另一端弯曲成180°嵌于接缝段内，左右两侧的U筋错开一定距离，通过U筋在接缝段内的交错搭接来传递弯矩。本发明的优点是：采用高性能混凝土浇筑的U筋交错搭接纵向接缝提出了修正的压杆拉杆模型，并基于实验和有限元分析，提出了计算压杆宽度的理论公式。

Description

U筋交错搭接纵向接缝压杆宽度的确定方法
技术领域
本发明涉及公路桥梁的预制小箱梁技术领域，特别涉及基于压杆拉杆模型的U筋交错搭接纵向接缝压杆宽度的确定方法。
背景技术
预制小箱梁是公路桥梁中一种典型的上部结构形式，具有良好的经济效益并且有助于加速桥梁施工。在桥梁施工过程中，每一片箱梁被逐步吊装就位，各箱梁之间通过预留的湿接缝进行横向连接。湿接缝是横桥向的薄弱部位，因为其位于箱梁翼缘的悬臂端，往往承受很大的横桥向弯矩，且后浇混凝土的收缩容易导致新老混凝土界面(接缝面)较早地开裂。
现有技术中的湿接缝工艺,大都采用环形套箍将相邻两箱梁翼缘预留的钢筋焊接起来，这种焊接工艺使得湿接缝能很好的传递弯矩和剪力。然而这种工艺对梁体的定位精度要求高，现场焊接工作量大，且在汽车荷载作用下的钢筋疲劳问题突出，十分不利于桥梁快速施工，因此寻找一种更加合适的接缝形式很有必要。
有研究提出相邻桥面板的湿接缝连接可以通过U筋交错搭接的形式，在翼缘内预留好外伸的U筋，吊装箱梁使相邻两箱梁翼缘的外伸U筋形成交错搭接的形式，并在接缝内配置一定量的纵向钢筋，最后现场浇筑混凝土。
该施工工艺可以将湿接缝的宽度减小到300mm左右，且省去了现场焊接工作，可以极大地缩短施工工期。目前国外针对这种U筋交错搭接接缝的力学性能进行了大量实验研究。
在柳亨昆、金敏瑾和张志平发表于《工程结构》,29(2):145-162的技术文献《对U型接缝的静载和疲劳强度试验研究》(Ryu,H.K.,Kim,Y.J.,and Chang,S.P.(2007).“Experimental study on static and fatigue strength of loop joints.”Engineering Structures,29(2),145-162)中，以U筋直径和接缝宽度作为变量，研究了在静载和疲劳荷载作用下接缝的刚度以及承载力。
刘易斯·塞缪尔在美国田纳西大学发表的硕士学位论文《对具有U筋接缝和带端头钢筋接缝构造的预制桥面板接缝的试验研究》(Lewis,S.(2009).“ExperimentalInvestigation of Precast Bridge Deck Joints with U-bar and Headed Bar JointDetails.”M.S.thesis,University of Tennessee,Knoxville,TN,USA.)中，比较了接缝采用U筋搭接和圆头钢筋搭接的优缺点，结果表明U筋搭接形式具有更高的极限承载力以及更小的接缝宽度。Li评估了圆头钢筋搭接和焊接钢丝连接两种不同的接缝形式，将二者与U筋搭接接缝进行对比，并建议采用搭接长度为152mm的圆头钢筋来取代焊接钢丝。
查普曼·谢丽尔·伊丽莎在美国田纳西大学发表的硕士学位论文《预制桥面板采用小弯曲半径U筋接缝的受力分析》(Chapman,Cheryl Elizabeth.(2010).“Behavior ofPrecast Bridge Deck Joints with Small Bend Diameter U-Bars.”Master’s Thesis,University of Tennessee,Knoxville)中，研究了采用小弯径U筋连接接缝的力学性能。Zhu针对桥面板横向和纵向的U筋搭接接缝的力学性能以及疲劳性能开展了试验研究，并证实了U筋搭接接缝在桥梁施工上的可行性。与此同时，不少学者针对U筋搭接接缝的极限承载力进行了理论研究。
K.C.G王、郝JB和帕拉西姆P发表于《建筑和建筑材料》,20(3),169-176的技术文献《受拉状态下采用U筋连接的预制混凝土接缝基于压杆拉杆模型的极限荷载》(Ong K.C.G.,Hao,J.B.and Paramasivam P.(2006).“Astrut-and-tie model for ultimate loads ofprecast concrete joints with loop connections in tension.”Construction andBuilding Materials,20(3),169-176)中，通过对接缝的纯拉伸试验，提出了计算接缝的极限承载力的压杆拉杆模型，并根据试验结果拟合出了混凝土压杆宽度的经验公式。
何志奇、马中国和谢丽尔·E·查普曼发表于《桥梁工程杂志》美国土木工程师学会,18(5),372-379的技术文献《具有加快建设特征的薄壁T梁桥纵向接缝:压杆拉杆模型和设计原则》(He Z.Q.,Ma Z.G.,ChapmanC.E.,and Liu Z.(2013).“Longitudinal Jointswith Accelerated Construction Features in Decked Bulb-Tee Girder Bridges:Strut-and-Tie Model and Design Guidelines.”Journal of Bridge Engineering,ASCE,18(5),372–379)中，研究了接缝位于纯弯矩区的力学性能，并根据压杆拉杆模型提出了相应的接缝设计公式。然而目前国外这种U筋交错搭接接缝的研究主要适用于国外具有薄翼缘的标准化T梁桥(桥面板厚度为152mm)，且接缝区混凝土为普通混凝土。而国内常用的小箱梁桥桥面板厚度为200mm左右，接缝区混凝土也常偏安全地采用高强混凝土，新型U筋交错搭接接缝的设计及其承载力确定有待进一步研究。
因此，本研究针对采用高性能混凝土浇筑的U筋交错搭接纵向接缝提出了修正的压杆拉杆模型，并基于实验和有限元分析，提出了计算压杆宽度的理论公式。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供基于压杆拉杆模型的U筋交错搭接纵向接缝压杆宽度的确定方法，实现的目的之一是针对采用高性能混凝土浇筑的U筋交错搭接纵向接缝提出了修正的压杆拉杆模型，并基于实验和有限元分析，提出了计算压杆宽度的理论公式。
为实现上述目的，本发明公开了U筋交错搭接纵向接缝压杆宽度的确定方法；步骤如下：
a.将所述U筋交错搭接接缝构造；具体步骤如下：
a1.先将所述U筋的一端嵌于预制段内；
a2.再将所述U筋的另一端弯曲成180°嵌于接缝段内，左右两侧的U筋互相错开所述U筋搭接长度Lp的距离，使所述U筋在所述接缝段内的交错搭接来传递弯矩；
b.U筋锚固长度的确定；具体步骤如下：
被弯曲成180°标准的另一端的所述U筋的锚固长度ldh(mm)，即测量从预制段与现浇段的结合面处至所述U筋的另一端的弯曲段的最外端之间的距离，所述锚固长度ldh不能小于8倍所述U筋的直径db，并且在150毫米以上，所述锚固长度ldh的计算公式如下：
其中，fy为钢筋的屈服强度(MPa)；
fc'为混凝土的圆柱体抗压强度(MPa)；
db为钢筋的名义直径(mm)；
c.接缝承载能力以及压杆宽度的确定；包括修正的压杆拉杆模型和压杆宽度的确定；其中：
c1.修正的压杆拉杆模型，具体步骤如下：
将压杆拉杆模型分为若干个等腰三角形，对具有一定数量三角形的受拉接缝，它的承载能力Tu可以通过以下公式确定：
Tu＝nΔ·min(Tu,str,Tu,ubar,Tu,lbar) (2)
其中Tu,str,Tu,ubar,和Tu,lbar分别是单个三角形下由混凝土压杆，所述U筋以及拉筋各自承担的极限荷载，可表示如下：
Tu,ubar＝fy,ubarAubar (4)
其中，Aubar是由两肢所组成的单根所述U筋的面积；
Albar是单根拉筋的面积；
fy,ubar和fy,lbar分别是U筋和拉筋的屈服强度；
fcu是混凝土压杆的极限抗压强度；
Astr是斜压杆的截面面积，计算公式如下：
Astr＝D Wstr (6)
其中，D是U筋的弯曲内径，Wstr是压杆宽度；
c2.计算中性轴c的高度，在预制小箱梁桥面板在竖向荷载作用下受弯，其U筋下肢受拉，上肢受压，因此中性轴c的高度的技术公式如下：
c＝2a′s (9)
接缝的极限弯矩可表示为：
Mu＝Tu(h-as-a′s) (10)
其中，as是受拉区最外边距U筋下肢中心的距离；
a′s是受压区最外边距U筋上肢中心的距离；
h为接缝的厚度；
由各元素所控制的接缝极限弯矩可表示为：
Mu,ubar＝fy,ubarAubar(h-as-a′s) (11b)
其中Mu,str,Mu,ubar,Mu,lbar分别是压杆拉杆模型中的一个三角形由混凝土压杆、所述U筋以及缀条各自承担的极限弯矩；
D为所述U筋的弯曲内径；
Wstr为压杆宽度；
c3.计算压杆宽度Wstr，计算公式如下：
Wstr＝154.61(f′c)-0.437 (12)；
其中，fc'为混凝土的圆柱体抗压强度(MPa)。
优选的，在所述步骤b中，对环氧涂层钢筋，涂层系数ψe为1.2；对轻质混凝土，λ为0.75，其他情况下,ψe和λ均取为1.0。
优选的，在步骤c中，当所述压杆对为棱柱体时，所述混凝土压杆的极限抗压强度fcu根据ACI318-08取为0.85fc'，其中fc'是混凝土的圆柱体抗压强度。
本发明的有益效果：
本发明籍由高性能混凝土浇筑的U筋交错搭接接缝，相较传统焊接接缝，能加快桥梁建设；接缝极限承载力公式的提出及混凝土压杆宽度的确定，有助于合理确定接缝的极限承载力，防止混凝土压溃先于钢筋屈服，满足现行规范要求。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1示出本发明一实施例的U筋交错搭接接缝的构造图。
图2示出本发明一实施例的U筋交错搭接接缝的A-A构造剖面图。
图3示出本发明一实施例的180°弯曲标准U筋锚固长度图。
图4示出本发明一实施例的其他压杆拉杆模型图。
图5示出本发明一实施例的截面上的极限荷载分布图。
图6示出本发明一实施例的加载装置示意图。
图7示出本发明一实施例的采用U筋搭接接缝的试件B1立面图。
图8示出本发明一实施例的采用U筋搭接接缝的试件B1平面图。
图9示出本发明一实施例的试件B1和C1的荷载-位移图。
图10示出本发明一实施例的有限元模型图。
图11示出本发明一实施例的压杆宽度与混凝土圆柱体抗压强度的关系图。
具体实施方式
实施例
如图1和图2所示U筋交错搭接接缝的构造。U筋的一端嵌于预制段内，另一端弯曲成180°嵌于接缝段内，左右两侧的U筋错开一定距离，通过U筋在接缝段内的交错搭接来传递弯矩。主要几何设计参数包含：桥面板厚度h，U筋纵向间距S，U筋搭接长度Lp，以及接缝宽度B。材料参数主要是接缝处的混凝土和钢筋强度。
U筋锚固长度的确定：如图3所示，对于U筋交错搭接接缝锚固长度的设计参照美国ACI318-08规范。180°弯曲标准U筋的锚固长度ldh(mm)，即从关键截面(即湿接缝界面处)测量至U筋弯曲段的最外端，可根据以下公式(1)确定，注意ldh不能小于8db(db为U筋直径)和150mm两者的最大值：
其中，fy为钢筋的屈服强度(MPa)；
fc'为混凝土的圆柱体抗压强度(MPa)；
db为钢筋的名义直径(mm)；
对环氧涂层钢筋，涂层系数ψe为1.2；
λ为与混凝土种类有关的系数，对轻质混凝土，λ为0.75，其他情况下,ψe和λ均取为0。
如图3所述，U筋自由段长度lf,规范要求至少为4db且不小于60mm。标准180°弯曲的U筋弯曲内径，D，对直径介于10到25mm的钢筋而言，应该大于6db。设计U筋的其他三个重要参数分别为U筋搭接长度Lp,U筋纵向间距S,以及接缝宽度B,如图1所示.U筋搭接长度Lp是相邻U筋承载面之间的距离，U筋间距为相邻U筋在纵向的中到中的距离。至于接缝宽度B，参照Ryu等(2007)的建议，针对直径为13mm，16mm以及19mm的U筋，接缝宽度可分别取为220，250以及300mm。
接缝承载能力以及压杆宽度的确定：
1、问题背景
在He等(2013)提出的压杆拉杆模型基础上提出修正的压杆拉杆模型。并基于有限元分析以及与试验结果验证，提出压杆宽度的修正公式。本文提出的压杆拉杆模型以及压杆宽度计算表达式，适用于预制小箱梁纵向U筋交错搭接接缝的设计，桥面板厚一般为200mm，U筋双肢在截面上下对称布置。
He等(2013)提出的压杆拉杆模型如图4所示，压杆拉杆模型可以分为若干等腰三角形。一个三角形的极限受拉荷载可能由斜向混凝土压杆的压溃、U筋以及拉筋的屈服控制。如果接缝足够强，接缝就会像一块板里设计连续钢筋一样工作。否则，U筋的能力就不能发挥，接缝的极限荷载将由混凝土压溃或拉筋的屈服控制。
对具有一定数量三角形的受拉接缝，它的承载能力Tu可以通过以下公式确定：
Tu＝nΔ·min(Tu,str,Tu,ubar,Tu,lbar) (2)
其中Tu,str,Tu,ubar,和Tu,lbar分别是单个三角形下由混凝土压杆，所述U筋以及拉筋各自承担的极限荷载，可表示如下：
Tu,ubar＝fy,ubarAubar (4)
其中，Aubar是由两肢所组成的单根所述U筋的面积；
Albar是单根拉筋的面积；
fy,ubar和fy,lbar分别是U筋和拉筋的屈服强度；
fcu是混凝土压杆的极限抗压强度；
Astr是斜压杆的截面面积，计算公式如下：
Astr＝D Wstr (6)
其中，D是U筋的弯曲内径，Wstr是压杆宽度。
从公式(2)-(6)可以看出，在确定混凝土斜压杆、U筋以及拉筋的极限荷载时，除压杆宽度外，其他参数均已知。
现有文献表明，学者Ong等(2006)提出了纯受拉下的压杆宽度为：
Wstr＝265(f′c)-0.79 (7)
该公式表明压杆宽度仅与混凝土强度有关；
此外，学者He等(2013)提出了受弯下的压杆宽度为：
Wstr＝Lpcosα (8)
其中，α是斜压杆与拉筋之间的夹角，如图4所示。由于He等(2013)的研究主要针对具有薄翼缘的装配式T梁(h＝152mm)，且U筋沿截面布置为非对称布置，不适合常规预制小箱梁桥面板的设计。
而Ong等(2006)的公式主要针对接缝纯受拉受力，与实际桥面板处于受弯工作状态不一致。因此，针对采用高性能混凝土进行湿接缝浇筑设计的预制小箱梁U型交错搭接接缝，其压杆拉杆模型需要修正，混凝土压杆宽度需要确定。
2、修正的压杆拉杆模型
本研究中，预制小箱梁桥面板在竖向荷载作用下受弯，其U筋下肢受拉，上肢受压。因此与He等(2013)所做的假设认为U筋的上下两肢均受拉的假设不同。本研究中认为U筋两肢中产生的拉力，根据桥梁设计规范(JTGD62-2004)，位于U筋下肢的中心(图5所示)，因此中性轴c的高度可确定为
c＝2a′s (9)
接缝的极限弯矩可表示为：
Mu＝Tu(h-as-a′s) (10)
其中as是受拉区最外边距U筋下肢中心的距离；a′s为受压区最外边距U筋上肢中心的距离；h为接缝的厚度。因此，由各元素所控制的接缝极限弯矩可表示为：
Mu,ubar＝fy,ubarAubar(h-as-a′s) (11b)
其中Mu,str,Mu,ubar,Mu,lbar分别是压杆拉杆模型中的一个三角形由混凝土压杆，U筋以及缀条各自承担的极限弯矩；D为U筋的弯曲内径；Wstr为压杆宽度。
3、压杆宽度的确定
3.1试件设计与试验结果
本研究中，为确定混凝土斜压杆的压杆宽度，特设计两块板B1和C1进行三点单调加载，如图6所示，使之发生混凝土压溃先于钢筋屈服。具体设计参数如表1所示。试件B1的具体尺寸如图7至图8所示。试验所得的荷载-位移曲线如图9所示。其中，试件B1因搭接长度不够使U筋无法正常发挥作用，导致混凝土压溃；而试件C1因U筋直径过大，配筋率过大，超筋而导致混凝土先压溃。从图9中可以看出，试件B1和C1的极限荷载分别为575和1761kN。
表1.试件设计参数(单位:mm)
表2混凝土和钢筋材料表(单位:MPa)
3.2、有限元分析
借助有限元方法来评估U筋交错搭接接缝内的力学行为。在有限元软件ABAQUS中建立有限元模型如图10。在有限元模拟中，在跨中设置一宽度为150mm的加载垫块，作用的集中荷载以均布荷载的形式施加在加载垫块上。该设置不仅与加载方式保持一致，且能防止因集中荷载直接作用在混凝土上造成计算不收敛。加载垫块和支座均通过Tie命令与混凝土约束起来。混凝土采用8节点线性单元C3D8R模拟，钢筋采用2节点线性3-D杆单元T3D2模拟。钢筋嵌入混凝土中。采用塑性损伤本构模型来模拟混凝土。考虑到压杆宽度主要与接缝内混凝土强度有关系，以接缝内混凝土强度为变量，以模型FL1为参考模型(其基本参数见表3)，建立了16个有限元模型，并为得到混凝土斜压杆压溃早于U筋屈服的破坏模式，将U筋屈服强度设置为大值。有限元模型的相关设计参数及基于数值分析得到的极限荷载见表4.表4中压杆宽度的计算基于公式11(a)反算得到。
表3.有限元模型参数及屈服荷载
表4数值分析结果
3.3、压杆宽度公式的提出
将表4中基于有限元分析得到的压杆宽度进行数据拟合，得到表达式(12)，并与两个试件C1与B1基于实验结果得到的极限荷载同样利用公式(12)反算得到的压杆宽度进行对比，发现实验结果与基于有限元分析拟合得到的曲线吻合较好(图11)，验证了本文提出的压杆宽度公式以及修正的压杆拉杆模型的合理性。
Wstr＝154.61(f′c)-0.437 (12)
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (3)

1.U筋交错搭接纵向接缝压杆宽度的确定方法；步骤如下：
a.将所述U筋交错搭接接缝构造；具体步骤如下：
a1.先将所述U筋的一端嵌于预制段内；
a2.再将所述U筋的另一端弯曲成180°嵌于接缝段内，左右两侧的U筋互相错开所述U筋搭接长度Lp的距离，使所述U筋在所述接缝段内的交错搭接来传递弯矩；
b.U筋锚固长度的确定；具体步骤如下：
被弯曲成180°标准的另一端的所述U筋的锚固长度ldh(mm)，即测量从预制段与现浇段的结合面处至所述U筋的另一端的弯曲段的最外端之间的距离，所述锚固长度ldh不能小于8倍所述U筋的直径db，并且在150毫米以上，所述锚固长度ldh的计算公式如下：
其中，fy为钢筋的屈服强度(MPa)；
f'c为混凝土的圆柱体抗压强度(MPa)；
db为钢筋的名义直径(mm)；
c.接缝承载能力以及压杆宽度的确定；包括修正的压杆拉杆模型和压杆宽度的确定；其中：
c1.修正的压杆拉杆模型，具体步骤如下：
将压杆拉杆模型分为若干个等腰三角形，对具有一定数量三角形的受拉接缝，它的承载能力Tu可以通过以下公式确定：
Tu＝nΔ·min(Tu,str,Tu,ubar,Tu,lbar) (2)
其中Tu,str,Tu,ubar,和Tu,lbar分别是单个三角形下由混凝土压杆，所述U筋以及拉筋各自承担的极限荷载，可表示如下：
Tu,ubar＝fy,ubarAubar (4)
其中，Aubar是由两肢所组成的单根所述U筋的面积；
Albar是单根拉筋的面积；
fy,ubar和fy,lbar分别是U筋和拉筋的屈服强度；
fcu是混凝土压杆的极限抗压强度；
Astr是斜压杆的截面面积，计算公式如下：
Astr＝D Wstr (6)
其中，D是U筋的弯曲内径，Wstr是压杆宽度；
c2.计算中性轴c的高度，在预制小箱梁桥面板在竖向荷载作用下受弯，其U筋下肢受拉，上肢受压，因此中性轴c的高度的技术公式如下：
c＝2a′s (9)
接缝的极限弯矩可表示为：
Mu＝Tu(h-as-a′s) (10)
其中，as是受拉区最外边距U筋下肢中心的距离；
a′s是受压区最外边距U筋上肢中心的距离；
h为接缝的厚度；
由各元素所控制的接缝极限弯矩可表示为：
Mu,ubar＝fy,ubarAubar(h-as-a′s) (11b)
其中，Mu,str,Mu,ubar,Mu,lbar分别是压杆拉杆模型中的一个三角形由混凝土压杆、所述U筋以及缀条各自承担的极限弯矩；
D为所述U筋的弯曲内径；
Wstr为压杆宽度；
c3.计算压杆宽度Wsty，计算公式如下：
Wstr＝154.61(f′c)-0.437 (12)；
其中，f'c为混凝土的圆柱体抗压强度(MPa)。
2.根据权利要求1所述的U筋交错搭接纵向接缝压杆宽度的确定方法，其特征在于，在所述步骤b中，对环氧涂层钢筋，涂层系数ψe为1.2；对轻质混凝土，λ为0.75，其他情况下,ψe和λ均取为1.0。
3.根据权利要求2所述的U筋交错搭接纵向接缝压杆宽度的确定方法，其特征在于，在步骤c中，当所述压杆对为棱柱体时，所述混凝土压杆的极限抗压强度fcu根据ACI318-08取为0.85f'c，其中f'c是混凝土的圆柱体抗压强度。
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