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Engineering Structures 32 (2010) 1838–1845
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Engineering Structures
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混凝土T梁和箱梁公路桥梁在交通循环荷载作用下的破坏
Kent K. Sasaki, Terry Paret, Juan C. Araiza lowast;, Peder Hals
Wiss, Janney, Elstner Associates, Inc., 2200 Powell Street, Suite 925, Emeryville, CA 94608, United States
文章信息
文章历史:
Available online 18 January 2010
关键词:
T梁桥
周期退化
施工缝
局部剪切破坏
摘要
现浇T梁公路桥通常是通过分别浇筑主梁和桥面，在主梁和桥面之间形成冷缝来建造的。在某些情况下，该节点会出现开裂和明显的滑移，导致跨节点钢筋断裂，大大降低了翼缘与腹板之间的复合作用。在观察了一些桥梁节点的运动后，对美国西南部40号州际公路(I-40)上的12座五片梁的T梁桥进行了详细的评估，并在所有桥梁中发现了潜在的失效机制。此外，已知碱硅反应(ASR)会影响该地区的桥梁;因此，该研究评估了ASR是否导致了失效。有几个因素被认为是造成破坏机制的原因，包括在原来的设计标准中对循环荷载的认识有限，重型卡车的交通量大，以及轮载不平衡造成的横向弯矩。调查后，建议对类似现有桥梁的施工接头进行特别检查。
copy; 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.
1.介绍
最近在现浇混凝土T梁和箱梁桥中发现了一种失效机制，为介绍的桥梁检查增加了新的复杂性。机制表现为过度裂化和位移发生在桥面板和梁格之间的水平施工缝,导致断裂的箍筋交叉接缝(图1),翼缘和肋之间的复合动作,和T梁剪切破坏裂缝(图2)。接缝开裂和运动的大小与箍筋断裂甚至通过特写镜头视觉检查都极难检测的。在役桥梁的这种性质的危险性以前在技术文献中没有报道过。
在本研究中，我们对12座T型梁桥进行了研究，以讨论和总结导致这种破坏的情况。对所有桥梁进行了目测和破坏试验，对桥梁设计进行了回顾，对特定区域的运动荷载数据进行了评价，对桥梁进行了分析研究。
研究反复或循环疲劳荷载作用下接头剪切情况的研究很少。对地震应用的一些研究数据表明，接头剪切达到极限承载力后，承载力显著下降。在抗疲劳方面，有少量的报告数据，而现有的数据有时是相互矛盾的，一些研究人员认为有很好的抗疲劳能力。Scribner和Wilhelm[1]研究了在静循环非弹性挠曲过程中，钢筋混凝土T梁的受力特性。研究的三种箍筋分别为封闭的箍圈和两种U型箍筋，其锚固细节不同。作者指出了与在本篇论文中所调查的T梁相似的带U形箍筋与90度挂钩的T梁的承载能力降低的可能性。
Giaccio et al.[2]的研究表明，T梁的翼缘除了支撑腹板外，还对抗剪能力有重要贡献。这种贡献通常被设计规范忽略。这可以通过以下事实来解释:为了发生完全的对角剪切破坏，腹板上的对角裂纹必须通过翼缘传播。腹板和翼缘之间的水平接头代表了另一种失效路径，它可以控制翼缘是否足够承载，以及腹板或翼缘是否削弱。这在接头处使用施工缝时尤其适用。
Taplin和Al-Mahaidi[3]对澳大利亚一座现有的T梁桥进行了分析研究，在该桥被加载并被拆除前后。他们报告说，如果腹板和翼缘之间存在冷连接，在循环荷载作用下，剪切承载力可降低25%。这一发现支持了I-40桥的水平连接故障的发生的原因，尽管规范剪切方程预测水平剪切能力比垂直剪切能力高。
图片3. 典型的双跨五片梁T梁桥。已安装木支架
图片1. 施工缝内的加固钢筋断裂
图片2. T梁腹板处的剪切裂缝
混凝土-混凝土接头的抗剪承载力受反向循环和重复疲劳类型的影响为负。在本研究中，冷接缝经历了大量由卡车运输引起的多次剪切循环。此外，当车轮荷载穿过跨中跨度时，梁中部附近的剪应力也经历了剪力反向。Kono et al.[4]进行了26次直接剪切试验，研究了冷节点的地震剪切传递能力。他们观察到，铆钉应力主要受弯矩作用影响，接头处的钢不屈服于张力，这与经典的剪切摩擦理论相反。他们报告说，在峰值应力为0.2至2.0 mm的节点处发生滑移，由于循环加载，剪切摩擦能力降低了高达50%。Pruijssers等人的研究表明，仅经过107次循环，重复荷载作用下的剪切摩擦能力降低了50%。虽然两种效应结合在一起会导致更大程度的减少，但研究疲劳反向加载效应的研究在文献中没有发现。
Rao[6]的一篇论文介绍了几种设计用于组合剪切和弯矩的腹板翼缘接投的方法。这种情况在T梁和箱梁结构中经常出现，它会导致接缝上的弯曲和剪切组合，可能超过基于纯剪切设计的接缝的抗剪能力。这些方法适用于箱梁和T梁桥，特别是在腹板与翼缘之间有冷接缝的桥梁正如本文所研究的。
2.背景
这项调查是多方面的，包括实地视察，收集有关桥梁和遇险结构物的资料，进行破坏性调查和抽样，审查桥梁的设计和检查文件，以及对桥梁的分析研究。
2.1.桥梁的一般简介和损坏
出现故障的桥梁都是在20世纪70年代建造的，通常是两跨或三跨、五片梁桥或六片梁的桥。跨度从38英尺到55英尺(12000到17000mm)不等。所讨论的施工接头位于从桥面索到主梁杆的圆角之下，假定施工接头提供了主梁和桥面板装配的复合作用。在对故障进行深入调查之前。第一次发现故障的桥梁就已经被拆除了。桥梁位于美国西南部的I-40高速公路上。
图3展示了一个典型的双跨桥梁，在损坏最初被运输机构检查人员发现后，桥梁被加固。穿过施工节点的钢筋为5号(直径15.9mm)“U”形箍筋，最大间距为18英寸(457mm)，靠近主梁的中跨。桥面的厚度6.5英寸(165mm)，梁间净宽为7英尺5英寸(2260mm)。
图4显示了一个代表性桥梁的两跨之间的一个平面图，图5是一个细节，显示了典型梁的截面和施工连接处的位置。桥梁的破坏包括在每个桥上的一些主梁的中跨不同长度的施工缝上的开裂和滑移，造成机械分离，并减少桥面板和主梁之间的复合作用。这种施工缝通常称为冷缝，表明在不同的时间节点的两侧都浇筑混凝土。图6和图7分别显示了施工节点的箍筋折断和开裂的照片。当滑移发生时，跨过施工缝的箍筋发生了断裂。在受损最严重的桥梁中，箍筋的断裂几乎延长了整个梁的长度，这对于一根梁来说，导致了梁腹板的几乎完全的剪切破坏。
调查的主要重点是12座五梁T型梁桥，由六对桥梁组成。 每一对都有一个“左”和“右”桥。“左”桥承载西行车辆，而“右”桥承载东行车辆。还研究了另外13座桥梁，其中包括六梁T梁桥和箱梁桥，以协助绘制与调查相关的比较。表1中提供了所研究桥梁的一些一般特征。
五梁桥的图纸表明它们是采用1969年AASHTO公路桥梁标准规范设计的[7]。 设计活载被指定为HS20-44。
表格 1
研究桥的几何性质
|
单元 |
五片梁桥尺寸 |
S.I. units |
六片梁桥尺寸 |
S.I. units |
箱梁桥尺寸 |
S.I. units |
|
桥宽 |
42 ft |
12800 mm |
42 ft |
12 800 mm |
42 ft |
12800 mm |
|
主梁高度 |
3 ft |
910 mm |
2 ft 6 in |
760 mm |
4 ft |
1220 mm |
|
主梁腹板厚度 |
13 in |
330 mm |
11 in |
279 mm |
8 in |
203 mm |
|
梁中心距 |
8 ft 6 in |
2590 mm |
6 ft 10 in |
2080 mm |
8 ft 6 in |
2590 mm |
|
桥面板厚度 |
6 1/2 in |
165 mm |
6 1/8 in |
156 mm |
6 3/4 in |
171 mm |
|
桥面板圆角厚度 |
4 in |
102 mm |
4 in |
102 mm |
4 in |
102 mm |
|
最大跨径 |
55 ft |
16 800 mm |
43 ft |
13 100 mm |
70 ft 3 in |
21 400 mm |
|
五个箍筋的最大间距 |
18 in |
457 mm |
18 in |
457 mm |
15 in, 24 in |
381 mm, 610 mm |
图4. 箍筋间距平面图
图5.梁在施工缝处的圆角接头破坏细节
图6.施工缝处的箍筋
图7.沿圆角和主梁底部的施工缝发生开裂和剥落
这些桥梁通常是由两至三跨的五片梁的T梁桥加固而成的。两跨桥梁跨度约为50英尺（15200mm）。三跨桥的跨度从38英尺到55英尺（11600mm到16800mm）。桥台台是与翼壁的墙壁基台。内部桥墩是墙墩或由柱支撑的弯曲盖梁。 桥梁中没有明确的伸缩缝。
桥主梁（腹板）和桥面板（翼缘）分别浇铸，正如在这种结构中一样。典型的T型梁详图（见图6）显示了施工接头的位置 - 位于桥面板圆角底部和主梁顶部。没有任何迹象表明施工缝在养护方面受到了特别关注，尽管这可能会增强混凝土在接缝两侧的粘结，或者有意弱化、减少了接头处粘接不良的潜在可能性。
2.2.桥梁的典型部分
标准计划规定＃5箍筋加强，允许的拉应力为2
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