小跨高比混凝土筒支箱梁静力性能试验研究.pdf

第 3 3卷 第 4期 2 0 1 1年 8月 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 J o u r n a l o f Ci v i l Ar c h i t e c t u r a l& En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo1 33 No 4 Aug 2 O11 小跨高 比混凝土筒支箱 梁静力性能试验研究 陈朝晖h ， 黄景华h ， 李观 宇 ， 马 东升。 ( 1 重庆大 学 ，d 土木 工程 学院； b 山地城镇建设与新技术教育部重点 实验 室， 重庆 4 0 0 0 4 5 ； 2 云南省电力设计 院， 昆明 6 5 0 0 5 1 ； 3 华北 电力设计 院工程有 限公 司， 北京 1 0 0 1 2 0 ) 摘 要 ： 山地城 市排 水 干管埋 地 箱涵 由于滑坡 导致地 基 塌 陷而成 为 简 支箱 涵 ， 支承 方 式 的改 变导 致 管道结构存在破坏风险。为此 ， 文章对间e a - 支下小跨 高比埋地箱梁进行 了模型静 力加 载试验， 分析 了 小跨 高 比埋地 箱 涵在 简 支条件 下的破 坏 形式 、 抗 剪性 能 以及 剪 力滞 效应 ， 讨 论 了现 行 有 关设 计规 范 对于箱涵抗剪承载力计算之不足 。研 究表 明， 竖向均布荷载作用下， 小跨 高比箱梁裂缝分布 比较 均 匀， 破 坏 时没 有 明显 的临界 斜 裂缝 ， 最终 由于混凝 土斜 向 受压柱 压 溃 而丧 失承 载 力 。箍 筋作 为 主要 的抗 剪 部件 ， 在斜 裂缝 出现 后 承担 着 大部 分 剪 力 。纵 筋应 变受 内力重 分 布和 裂缝 发展 等 因素影 响 ， 部分 区域 呈现 剪 力滞 效应 。埋 地 箱涵 由于 滑坡地 基塌 陷 导致 的 支承条 件 的 改 变将 导 致 混凝 土过 早 开裂， 影响排水管道正常使 用。 关键 词 ： 钢 筋混凝 土 ； 简 支箱 梁 ； 抗 剪性 能 ； 小跨 高 比； 剪 力滞 ； 平截 面假 定 中图分 类号 ： TU3 1 2 文 献标 志码 ： A 文章 编 号 ： 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 0 1 3 0 7 Ex pe r i m e nt a l Ana l y s i s o n S t a t i c Be ha v i o r s o f S i mpl e s u p po r t e d Re i nf o r c e d Co nc r e t e Bo x Gi r d e r wi t h S m a l l De p t h -_ t o s p a n Ra t i o CHEN Zh ao h u i 。 ， ， HUANG J i n g - h u a 。 ， ， L I Gu a n 一 ， MA Do n g - s h e n g。 ( 1 a Sc h oo l o f Ci vi l Engi ne e r i ng； l bKe y La b or a t or y of Ne w Te c hno l o gy f or Co ns t r uc t i on o f Ci t i e s i n M o unt a i n Ar e a， M i n i s t r y of Ed uc a t i o n， Ch o ngq i n g 4 00 045， P R Chi na； 2 Yu nna n El e c t r i c Po we r De s i gn I ns t i t u t e， Kunmi n g 65 0 011， P RChi n a； 3 No r t h Ch i n a P o we r En g i n e e r i n g CO ， L TD， Be ij i n g 1 0 0 1 2 0， P R Ch i n a； ) Ab s t r a c t ： Th e b u r i e d b o x g i r d e r s i n t h e mo u n t a i n c i t y s e wa g e p i p e l i n e s y s t e m wo u l d b e t u r n e d i n t o s i mp l e s up po r t e d gi r d e r s be c a us e o f t he r e mov a l o f t he f o und a t i on c a us e d by l a nd s l i d e Thi s c ha n ge of s u pp o r t i ng wou l d r e s u i t i n t he f a i l u r e r i s k of p i pe l i ne s t r u c t u r e The s t a t i c p r o pe r t i e s o f t h e bur i e d b ox g i r de r s wi t h s ma l l d e pt h t o s p a n r a t i o i n s i mpl e s u pp o r t e d c on di t i on a r e e x pe r i m e nt a l l y a n a l y z e dTh e f a i l ur e p a t t e r n， s he a r be ha v i o r a nd s he a r l a g e f f e c t o f t he b ur i e d box gi r d e r s i n s i mpl e s u pp o r t e d c on di t i o n a r e s t u d i e d The s ho r t a g e s i n t he pr e s e n t de s i gn c o de s f or t h e c a l c u l a t i o n o f s he a r c a p a c i t i e s o f t he b ox gi r d e r s a r e a l s o d i s c us s e d I t i s s hown t ha t u nd e r t he ve r t i c a l u ni f or ml y d i s t r i but e d l o a d， t he c r a c k d i s t r i bu t i o n o f t he bo x g i r d e r s i s u n i f o r m。 a n d n o ma j o r c r i t i c a l d i a g o n a l c r a c k i s f o r me d ， a n d t h e b o x g i r d e r s l o s e t h e b e a r i n g c a p a c i t y i n t he f or m o f c o nc r e t e di a go na l r o d c r us hi n g As t he ma i n s h e a r be a r i ng c ompo ne nt s ， t he s t i r r up s de v o t e m u c h t o s he a r c a p a c i t y o f t h e bo x gi r d e r a f t e r c o nc r e t e c r a c k i n gThe s t r a i ns of t he l o ng i t ud i na l r e ba r s a r e a f e c t e d by t hos e f a c t or s s uc h a s t he r e d i s t r i bu t i on of i nt e r n a l f o r c e a nd c r a c ks ， s o o nl y f e w a r e a s o f t he bo x g i r de r s s h ow t h e s h e a r l a g e f f e c t The c ha n ge of s up po r t i n g f o r m l e a ds t o t he p r e ma t u r e c r a c ki n g o f c onc r e t e a n d a f f e c t s t he s e r vi c e a bi l i t y of t he s e wa ge p i pe l i ne Ke y wo r d s： r e i n f o r c e d c o nc r e t e； s i mpl e s u pp or t e d bo x g i r de r； s he a r b e ha v i o r ； s ma l l de p t h t o s p a n r a t i o； s he a r l a g e f f e c t ； a s s u mp t i o n o f p l a n e s e c t i o n 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 1 1 7 基金项 g l ： 国家重 大科技 专项“ 水体 污染 控制与治理科技重大 专项” 资助项 目( 2 0 0 8 Z X 0 7 3 1 5 0 0 1 1 ) 作者简介 ： 陈朝 晖( 1 9 6 8 ) ， 女 ， 教 授 ， 博士 ， 主要从事结构系统 可靠 ICNN 性基础 理论及应 用研究 ， ( E i n a i l ) z h a o h u i c c qu e d uc n。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 土 木 建 筑 与 环 境 _ 37 -程 第 3 3 卷 箱形 截 面具 有 良好 的结 构 性 能 ， 在 现 代 各 种 桥 梁 中得 到广泛 的应 用 。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 涵也 是 大 型 输 水 工 程中常见 的构造 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 的分 布不均匀， 存 在剪力滞 现象口 。 。 。I U O 1 等 利用有 机玻 璃模 型制 作 了变 截 面高 度 箱 梁 模 型 ， 研 究 了变 高度 对 剪力 滞 的影 响 。Kh a l e d Ga l a l 【 1 等 进行 了加 腋薄 壁钢 筋混 凝 土 箱 梁 的试 验 研 究 ， 指 出 了偏 心 荷 载 和底板 对箱 梁 极 限 承 载力 的影 响 ， 箱 梁 破 坏 机 制 和荷载一 位移曲线等 。方志等_ J 胡 进行 了钢筋混凝土 连续 宽箱 梁 的破 坏 全 过程 试 验 ， 研 究 了连 续 箱 梁 在 混凝 土 开 裂 后 的 内 力 重 分 布 变 化 规 律 。祝 明 桥 等 l l 进行 了体 外 预应 力 高 强 混 凝 土 薄 壁 箱 梁 从 预 应力 钢绞 线张 拉 至 承 载力 极 限的 破 坏 过 程 ， 研 究 了 体外预应力箱梁的抗裂性能。杨春、 蔡健l 1 等研究 了箱 形 型 钢 混 凝 土 ( S R C) 梁 的 性 能 ， 给 出 了箱 形 S R C组合梁 的抗剪承载力计算公式 。牛斌等 。 进 行了铁路客运专线 2 4 m 预应力混凝土双线整孔箱 梁 l： 2 模 型进 行试 验 和理论 研究 ， 结 果表 明影 响箱 梁 剪力滞 系 数 的 主要 因 素 是 箱 梁 的宽 跨 比及 荷 载 形 式 。 前述 文 献 集 中在 对 跨 高 比较 大 的箱 形 梁 的研 究 ， 对腹 板 间距小 、 截 面 高度 大 、 跨 高 比较 小 的深 受 弯箱形 梁研究 欠缺 。重 庆市 排水 干管 为 满 足设 计 流 量的要求 、 便 于结构施 工等 ， 采 用高而窄 的矩形箱 涵 ， 跨 高 比在 2 6至 4 3之 问 ， 为深 受 弯构 件 。其 中 埋 地箱 涵段 一般敷 设在 边坡 上 ， 在正 常情 况 下 ， 由于 四周土壤的约束 ， 箱涵的受力与变形都较小 ， 但在强 降雨下 ， 边坡 容 易发 生滑 坡 、 坍 塌 ， 埋 地 箱 涵下 方 的 土壤发 生 下陷 或 流失 ， 形 成 以两 端 柱 墩 支 撑 的 简 支 箱梁 ， 箱梁上方覆土 自重作为外荷载作用于箱梁上 ， 对于按 埋地 形式设 计 的管 道在 这种 特殊 的荷载 工 况 下受 力与 变形 极 为不 利 。因 此 ， 本 文 对 此 类 小 跨 高 比箱梁 的受 力性 能进 行 了试验 研究 。 l 模 型试 验概 况 1 1试验 梁的 设计 以重庆市排水主干管埋地箱 涵为原 型， 制作了 2根缩尺 比为 1：5的钢筋混凝土箱梁进行静 力加 载 试验 。试 验梁 高为 7 0 0 mm， 总 长 2 4 0 0 mm， 壁厚 8 0 mi l l ， 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 l 、 2所示 。其 中 ， 混 凝 土 的 抗压 强度 ， 在试 验 前一 天测 得 ， 是 与 试件 同条 件养 护的一组 3个 1 5 0 I T l m 立 方体试 块 的均值 。 一 0 7 6 f ， 一0 2 6 2 。 。 图 1 试 验 梁 截 面 尺 寸及 配 筋 表 1 钢 筋 的 力 学 性 能 1 2试验 方法 在强 降 雨 下 ， 边 坡 容 易发 生 滑 坡 、 坍 塌 ， 埋 地 箱 涵下 方 的土壤 发 生下 陷或 流 失 ， 形 成 以两 端 柱 墩 支 撑的简支箱梁 ， 箱梁上方覆土 自重作为外荷载作用 于箱梁上 ， 为模拟此不利工况 ， 试验的箱梁端部一侧 采用转动支座 ， 另一侧采用滚动支座 以模拟简支约 束 。由于试验箱梁跨度小 ， 通过在横 向分配梁下设 置两个面积较大、 刚度大的橡胶垫 ， 使得由千斤顶传 递下 来 的荷载 较 均 匀 地施 加 在 箱 梁 上 ， 试 验 梁 加 载 装 置如 图 2所 示 。 I I 埋 呲 = = = 2 2 0 0 1 千斤顶；2 橡胶垫；3 配梁 ； 4 横向分配梁；5 转动支座 6 百分表；7 试验粱；8 滚动支座 图 2试验梁加载装置 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第4 期 陈朝 晖 ， 等 ： 小跨 高比混凝 土 简 支箱 梁静 力性 能 试验研 究 1 3测点 布置 利 用试 验 梁 的对 称 性 ， 以 试 验 梁 跨 中截 面 ( 1 1 ) 、 一侧的加载点截 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 试 验 梁 剪跨 区段 的箍 筋 沿支 座一 加载 点连 线 ( OA) 以及 4 5 度 斜线 ( OB ) 布 置箍筋 应 变 片 ， 如 图 3所 示 。跨 中截 面腹板 范 围 内的底 板 布置 2个百 分 表 ， 用 于 测 量 试 验 梁底 部 的挠 度 。剪 弯 段 布 置 4个 百 分 表 ， 用 于 测 量 该 区段 的剪切 变 形及 弯 曲变形 J ， 如 图 2所示 。 ( i1 纵筋应变 片 ( 剪弯段箍筋应变片 图 3 钢筋应 变片布置及编号 2试 验 结 果 分 析 2 1破坏 形 态 各试 验梁 所经 历 的裂缝 发展 过 程基 本 相 同 。总 荷载至 0 2 P ( P 为计算极 限荷载) 左右时 ， 剪弯段 腹板中部首先出现多条不连续的腹剪斜裂缝。加载 至 0 3 P 时 ， 纯弯段 底板 出现多条小 的弯 曲裂缝 。 荷载加至 0 4 P 时 ， 底板继续不断出现弯曲裂缝 ， 加 载点截面附近 的部分 弯 曲裂缝发 展成为弯 剪斜裂 缝， 同时剪弯段 则出现新 的腹剪斜裂缝平行 于既有 的腹 剪 斜裂 缝 。荷 载 增 加 至 0 5 P 时 ， 腹 板 上 部 出 现水平裂缝 。加载到 0 7 P 左 右时， 腹剪斜裂缝之 间的不断出现细小的裂缝 ， 支座与加载点连线 的混 凝 土有 压碎 的倾 向 ， 其 他裂 缝发 展 宽度 增加 ， 长 度 基 本 不变 。荷 载达 到 P 时 ， 没有 明显 的临 界斜 裂缝 产 生 ， 最终 由于混凝 土斜 向受 压柱 压溃 而 丧失 承 载力 ， 开始 进入 下 降段 。 与桥梁工 程 中常见 的跨 高 比大 的 箱 形梁 ， 在极 限荷 载下 伴 随着下 翼板 钢 筋屈 服 、 上 翼 板混凝土压碎而发生弯 曲破坏不同， 本试验箱梁跨 高 比较小 ， 剪 切效 应 明显 ， 从 试验 梁破 坏 的裂缝 形 态 可 以看 出 ， 试 验 梁 已呈 现 出 一定 的 拱 受力 机 制 。上 部 未开 裂 昆凝 土可 视 为拱 ， 荷 载 通 过 此 拱 效 应 传 人 支 座 ， 受 拉钢 筋则 形成 拱 的拉杆 ， 最终 为斜 向主 拱 肋 中混凝 土被裂 缝 分割成 若 干个斜 向短 柱 而压 溃 引起 试验梁破坏 ， 为典型的斜压型剪切破坏。 ( a ) L 1 f h 1 L 2 图 4试 验 梁 裂 缝 形 态 图 埋地 箱涵 原本 由 连续 地 基 支 承 ， 地 基对 箱 涵产 生竖 直 向上 的地 基 反 力 ， 抵 消 了 部 分 竖直 向下 的荷 载 ， 对 管道 结 构是 有 利 的 。但 由 于 滑坡 导 致 地 基 塌 陷 ， 地 基 与箱涵 分 离 ， 造 成 支 承 条件 改 变 ， 箱 涵 不 再 有竖 直 向上 的地 基 反 力 ， 上 覆 土壤 自重 荷 载 全 部 由 简支架 空 箱涵本 身 承担 ， 导致 昆 凝 土 过早 开裂 ， 影 响 排水 管道 正常 使用 。 利用 非线性 有 限元 分 析 软 件 AB AQUS模 拟 有 地 基 支 承 的 箱 梁 ， 其 中 混 凝 土 和 钢 筋 分 别 采 用 C 3 D8 R单元 和 T3 D 2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 。支座 采 用 铰支 约 束 ( U = = = U。 一 U。 一O ) ， 基 床 系 数 取 3 0 0 0 0 k N m。 ， 采 用 位 移 加 载 。结 果显 示 当总 荷 载 P= = = 5 8 8 t 时 ， 剪 弯 段 腹 板 中部混 凝 土首 先 开 裂 ； 箱 梁 极 限 承 载力 为 1 6 8 8 t 。 与上述 试验 箱梁 工况 对 比 ： 当 P一2 4 t 时 ， 剪弯 段 腹 板 中部 首 先 出现 多 条不 连 续 的腹 剪 斜 裂 缝 ； 加 载 到 P一2 8 t 时 ， 在跨 中附 近 出现 第 一 条 弯 曲裂 缝 ； 箱 梁 极限承载力为 1 0 2 t 。可见 ， 由于滑坡导致地基塌陷 使埋 地箱 涵成 为 简 支 箱 涵 ， 支 承 方 式 的 改 变导 致 箱 涵混 凝 土过早 开裂 ， 结 构 的承载 力大 幅 降低 ， 影 响 管 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第 3 3 卷 道 的正 常使用 。 2 2刚度变 化 试验 梁 的荷 载一 跨 中截 面 挠 度 曲线 如 图 5所 示 。 可 见 ， 2 个 构 件 均发 生 剪切 破 坏 ， 破坏 时 的挠 度 均 比 较小 。达到极限承载力之前 ， 荷载一 位移 曲线近似为 直线 ， 抗 弯 刚度 基 本 没有 变 化 。达 到极 限 承 载力 之 后 ， 构件刚度开始降低 。虽然构件 随着箍筋 屈服混 凝土斜向压溃而最终发生剪切破坏 ， 但是 由于纵筋 配 筋率 较大 ， 刚度 下降 比较 缓慢 ， 使 最终 破坏 时 的跨 中挠度 较大 ， 呈 塑性破 坏 。 Z 逛 图 5荷 载 一 位 移 曲线 剪 弯段 的荷 载一 剪 切角 如 图 6所 示 ， 显示 出如 下 规 律 ： 1 0 00 80 0 z 60 0 辅 耀4 0 0 20 0 0 剪切 ( 1 o 一 r a d ) 图 6荷载- 剪切角 曲线 1 ) 混凝土未开裂前 ， 构件的剪力主要 由混凝土 承担 ， 构件剪弯段的剪切角基本 没有变化 。刚出现 腹 剪斜 裂缝 时 ， 裂 缝宽 度较 小 ， 此 时 尚有 沿斜 裂 缝 的 混 凝土 骨料 咬合 作 用 ， 开裂 之 时 剪 切 变 形并 未 急 剧 增加。当裂缝开展到一定宽度后 ， 受粒径影响 ， 骨料 咬合力 急剧减 小 ， 构件 的抗 剪 刚度 亦 急 剧减 小 ， 剪 切 变 形急 剧增 加 。 2 ) 实测的 L 2的混凝土强度低于 L 1 ， 使得 I 2的 荷 载一 剪切 角 曲 线 突 变 时 的 荷 载 值 小 于 L l ， 同一 级 荷 载下 L 2的剪切 角 大 于 L l ， 说 明混 凝 土 强 度 对 构 件抗 剪 刚度 的影 响较 大 。 2 3钢 筋受 力分 析 2 3 1 箍筋受力分析从 图 7剪弯段箍筋荷载一 应 变 曲线 可 以得 出 以下结论 ： 胍 “ 0 图 7箍筋 荷载一 应 变曲线 1 ) 加 载初 期 ， 剪力 主要 由混凝 土 承 担 ， 所 以箍筋 在斜 裂缝 未形成 之 前应变 较小 且增 长 幅度不 大 。荷 载达 到 2 0 0 k N左 右 时 ， 斜 裂 缝 通 过 箍筋 ， 箍 筋 承担 了较多的剪力 ， 从而使多数箍筋应变骤增 ； 2 ) 部 分箍 筋 最终 达 到屈 服 应 变 ， 大多 是 靠 近梁 的中部即裂缝最宽处的箍筋首先屈服 ， 之后 相邻 的 箍筋 相继 屈服 ； 因为斜裂 缝 的位置 和 开展 程 度 不 同 ， 同一根箍筋的应力沿长度的分布也是不均匀的。 2 3 2 纵 筋受 力分析 从 图 8箱 梁 的纵 筋 荷 载 应 变 曲线 中可 以得 出如下 结论 ： 1( ) 00 8 0 0 z 6 0O 繇 握4 0 0 2 0 0 O 0 5 ( m l 0 00 l 5 00 200 0 应变 “ 图 8跨 中翼板纵筋荷载一 应变 曲线 1 ) 荷 载值较 小 时 ， 翼 板 纵 筋 应 变 基 本 为 线 性 增 长， 应变值较小 。当荷载达到 3 8 0 k N左右时 ， 跨 中 翼板纵筋荷载 应变曲线 出现突变 ， 斜 率急剧下降 ， 应变突变值为 3 0 0 4 0 0肚 之间。纵筋应变的突然 增加 主要 是 因为 随 着 荷 载 的增 加 ， 箱 梁 翼 板 混 凝 土 实 际拉应 变大 于混 凝土极 限拉 应 变 ， 产生 弯 曲裂 缝 ， 有效截面高度减少 ， 钢筋应力急剧增加， 因此钢筋应 变急剧增加。但是纵筋出现突变时的荷载值晚于箍 筋出现突变时的荷载值 ， 说明剪力效应明显 ， 构件先 在腹板中部出现腹剪斜裂缝 ， 然后在翼板处 出现弯 曲裂 缝 。 2 ) 破坏时， 少数翼板纵筋屈服 ， 其屈服荷载大于 箍筋的屈服荷载； 说 明箱梁剪力效应明显 ， 呈剪切破 坏 ， 而非弯曲破坏。 从纵筋应变沿翼板宽度的分布图 ( 图 9 、 1 0 ) 可 以看出， 混凝土开裂前， 腹板范围内的翼板纵筋拉应 变 比较大， 翼板中间纵筋 的应变值总体呈现出减小 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 期 陈朝 晖 ， 等 ： 小跨 高 比混凝 土 简支箱 梁静 力性 能试验 研 究 的规 律 ， 即产 生 了 正 剪 力滞 现象 。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 愈低 ， 剪力 滞 效 应 愈 突 出 。而 此 类 箱 梁 跨 高 比 小 ， 属于 深受 弯 构件 ， 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 ， 翼 板受 剪 切 变形 影 响小 ， 而 试 验 加 载方 式 导 致 跨 中部 分 是 无 剪 力 区段 。此外 ， 由于跨 中翼 板混 凝 土 开裂 后 ， 跨 中 翼板 纵筋 测 点处 钢筋 应力 受截 面 内力 重分 布 及翼 板 裂缝 分 布形 式影 响 ， 翼 板 中央 处纵 筋应 变 比较大 ， 而 腹 板范 围 内 的翼 板 纵 筋 应 变 反 而 小 ， 没 有 出现 明显 剪 力滞 现象 ， 如 图 9所示 。 2 0 0 0 1 5o 0 1 00 0 5 () o 0 0 10 0 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00 宽度 mm 一 3 2 0 k N 36 0 kN 一 4 0 0 k N 4 5 0 k N 一 50 0 k N - 一56 0 kN - -一 6 0 0 k N - - 一 6 6 0 k N 。 72 0 kN 一 8 00 kN 图 9混 凝 土开 裂前 后 跨 中 翼 板 纵 筋 应 变 分 布 图 1 0加 载 点 截 面 翼 板 纵 筋 应 变 分 布 由箱 梁跨 中腹 板 应 变 沿 高 度 的 分 布 ( 图 1 1 ) 可 见 ， 开 裂前 截 面应变 基本 符合 平 截 面假 定 ， 开裂 后 则 不再 符合 平截 面假 定 。开裂 前 ， 钢 筋 和 混 凝 土 的 应 变较 小 ， 箱 梁 截 面 应 变 分 布 基 本 呈 线 性 分 布 ； 开 裂 后 ， 对 受压 区 而 言 ， 混 凝 土 的应 变 基 本 还 是 线 性 分 布 ， 但是由于此箱梁截面高度大 ， 受 压区高度小 ， 受 拉区混凝土与钢筋之 间已发生较大的相对滑移 ， 且 随着荷载增加 ， 屈服的钢筋增多， 裂缝加宽和截面转 角增大的速度呈非线性增长 ， 截 面应 变不再是线性 分布 。因此 ， 对于跨高 比较小的深受 弯箱梁在混凝 土开裂后平截面假定不再适用。 5O0 一 400 300 200 1OO 5 o o 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 20 0 0 应变 L L 图 1 1 跨 中腹 板纵 筋应 变 分 布 2 4 斜 截面 受剪 承载 力分 析 钢筋 混凝 土受 弯构 件斜 截 面抗剪 承 载力 主 要受 剪跨 比( 跨高 比) 、 混凝土强度 、 配箍率、 纵筋配筋率 、 尺寸效应和形状 、 受压翼 缘等因素影 响。小跨 高 比 钢 筋混凝 土 简支 梁 承 受 横 向荷 载 时 ， 一 般 可 将 上 部 未 开裂 混凝 土视 为拱 ， 荷 载通过 此拱 效 应传 人 支座 ， 受 拉钢筋 则 形成 拱 的拉 杆 ， 梁 的 剪 切 破 坏 是 由斜 向 主 拱肋 中混凝 土 的压 溃所 引起 的 。 目前 各 国规 范对 箱 梁斜截 面 受剪 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 ( J T G D 6 2 2 0 0 4 ) 口 将箱 形 梁 简化 为 工 字梁 计 算 其 斜 截 面抗 剪 承 载 力 ， 具 体 公 式 为 ： V 0 ： 2 。 0 4 5 1 0。 b h 。( 2 +0 6 P ) -厂 队 其中( a l 为异号 弯 矩影 响 系数 ； a 为 预 应 力 提 高 系 数 ； 。为受 压翼 缘 的影 响系 数 ； f ， 为混凝 土 强 度 等级 为斜 截 面 内配箍 率 ； f 为 箍 筋 抗 拉 强 度 设 计 值 ； P 为 斜 截 面 内纵 向受 拉 钢 筋 的配 筋 百 分 率 ， P一 1 0 0 p ； b为 腹 板 宽 度 ； h 。 为 正截 面有 效 高度 ) ， 据 此计 算 得 到试 验 箱 梁抗剪承载力 为 4 4 3 k N。上述计算 方法主要考虑 了混凝 土强 度 、 配箍率 、 纵 筋配 筋率 和受 压 翼 缘 的影 响 ， 而 忽视 了剪 跨 比的影 响 。研 究 表 明 ， 剪 跨 比不 同 导 致剪 切破 坏类 型不 同 ， 由此 产 生 的抗 剪 承 载 力 也 有 较大 区别 ， 以斜 压破 坏抗 剪承 载 力最 大 ， 剪压 破 坏 次 之 ， 斜 拉破 坏 最小 。实 验显示 ， 此 类城 市 排水 干 管 闭合箱梁是典型的斜压型破坏 ， 其抗剪承载力均值 高 于 4 9 0 k N。可见 ， 中国现行 桥 涵设 计 规 范低 估 了 此 类箱 梁 的承 载力 ， 设 计 偏保 守 。 中 国现行 混 凝 土 结 构 设 计 规 范 口 同 样 将 箱 梁视为 T形或 I 形截面梁计算其抗剪承载力 ， 计算 公 式 为 ： V一 0 7 f b h 。 + 1 2 5 厂 。 + 厂 h 。 ， 据 此得 到 的试验 箱 梁 Sh 0 5 斜截面受剪承载力计算值为 V一5 4 0 k N。公式中虽 然考虑了跨高 比、 混凝土强度、 配箍率、 纵筋配筋率 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 8 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 3 卷 等因素影 响， 但其计算值 比试验结果 约高 1 0 ， 究 其原因在于 ： 1 ) 试验箱梁属于薄壁构件 ， 容易在较薄 弱一侧腹板先开裂 。2 ) 箱梁在加 载过程 中存在“ 框 架效 应” ， 箱形截 面像 “ 箱 形框架 ” 一样 受力 ， 腹 板发 生 弯曲外凸， 处于弯剪耦合状态 ， 降低 了箱梁的抗剪承 载力 。3 ) 计算 公式 中没 有考 虑剪 力滞 的影 响 。因此 ， 采用该 设计规范公式 高估 了实 际箱梁 的抗剪 承载力 。 可见 ， 现 行桥 梁 设 计 规 范 和 昆凝 土设 计 规 范 对 于深受弯薄壁箱梁斜截面受剪承载力 的计算均存在 不 足 ， 应 予 以重视 。 3 结论 对 山地城 市排 水 干管 中 的埋 地箱 涵 由于滑 坡 地 基塌陷造成支承条件改变后 的性能进行 了模型静力 加载试验， 分析了简支条件下小跨高 比埋地箱梁的 破 坏形 式 、 抗 剪性 能 以及剪 力滞 效应 ， 初步 讨论 了现 行有关设计规范对箱涵抗剪承载力计算 之不 足， 得 出 以下 几 点主要 结论 ： 1 ) 在 竖 向均 布 荷 载 下 ， 小 跨 高 比简 支 箱 梁 的破 坏形态 表现 为剪 切破 坏 ， 裂 缝 主要 集 中在 剪弯 段 ， 纯 弯段只有少许弯曲裂缝 。裂缝分布 比较广泛， 破坏 时没 有 出现 明显 的临界斜 裂缝 。 2 ) 斜 裂缝 未形 成之 前箍 筋应 变较 小 且增 长 幅度 也不 大 。 昆 凝 土 开裂 后 ， 裂缝 穿 过 区域 的箍 筋 应 变 值突然增大 ， 最终使部分箍筋达到屈服， 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 。 3 ) 1 4跨翼 板 以及 混凝 土开 裂前 的跨 中翼 板 纵 筋应变呈现明显的剪力滞效应。但是 由于该箱梁腹 板 间距较 小 ， 截 面高 度较 大 ， 混凝 土开 裂 后 的跨 中翼 板 纵筋 受截 面 内力 重 分布及 翼 板裂 缝分 布 形式 等 因 素 影 响 ， 混凝 土 开 裂后 跨 中翼 板 没 有 明显 的 剪 力 滞 现 象 。 4 ) 混凝 土开 裂 前 ， 截 面 应 变 基 本 符 合 平 截 面 假 定 ， 开 裂后 则不再 符 合平截 面 假定 。 5 ) 强降 雨致 边 坡 滑 坡 、 坍 塌 等 地 质 灾 害 使 原 来 按 埋地 管 道 设 计 的箱 涵 变 成 了 两 端 简 支 的架 空 箱 梁 。支承方式的改变 ， 使箱涵结构混凝土过早开裂， 结构承载力大幅降低 ， 而我国现行有关规范对于深 受 弯薄 壁 箱 梁 斜 截 面 受 剪 承 载 力 的 计 算 均 存 在 不 足 ， 应予 以重 视 。 因此 ， 为 了防止 排 水 管 道 结 构 性 破 坏 而 导致 污 水渗 漏污 染环 境 ， 影 响排 水 管 道 的正 常 运 营 。应 做 好管 道沿 线边 坡 治 理 、 加 强 边坡 监 测 以保 障管 道 安 全运 营 。 参 考文献 ： 1 郭金琼 ， 房贞政 ， 郑振 箱形梁设计理论 M 北 京 ： 人民 交 通 出 版 社 ， 2 0 0 8 2 何辉 ， 杨 志刚 ， 王 国涛 长距离输 水中混凝土箱涵开裂过 程分析I- J 海河水利 ， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 6 3 6 6 HE HUI 。 YANG ZHI - GANG。 WANG GU( TA( ) Cr a c king a n a l y s i s f o r r e i n f o r c e d c o n c r e t e b o x g i r d e r i n l o n g - d i s t a n c e w a t e r d i v e r s i o n J Ha i h e Wa t e r R e s o u r c e s ， 2 0 0 6 ( 2 ) ： 6 3 6 6 3 张士铎 ， 邓小华 ， 王文 州 箱形薄 壁梁 剪力滞 效应 M 北京 ： 人 民交 通出版社 ， 1 9 9 8 4罗旗帜 ， 吴 幼 明 薄 壁箱 梁 剪 力滞 理 论 的 评述 和展 望 l J 佛 山科学技术学 院学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 l ， l 9 ( 3 ) ： 29 3 5 L UO QI - Z HI ， WU Y0U- MI NG Co mme n t s a