冲击作用下节段拼装箱梁键齿胶接缝的剪切破坏特征研究

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装配化施工是桥梁工业化发展的主流方向之一,节段预制拼装是预应力简支梁桥和连续梁桥的主要装配化技术,其中键齿胶接缝是块段连接构造的主要形式。由于节段间接缝为素混凝土,钢筋不连续,接缝成为抗剪薄弱点,节段拼装梁的抗剪能力成为研究的重点和热点。滚石、行车落物、车辆侧翻等冲击荷载对桥梁结构的作用不容忽视,往往导致剪切破坏为主的破坏形式,但目前研究尚局限于整体式梁,对节段拼装梁特别是接缝处冲击作用下动力响应、破坏形态和机理研究还很少。
  为此,本文通过单调递增静载试验、落锤冲击试验和有限元分析等研究手段,开展节段拼装梁的键齿胶接缝构造的抗冲击性能研究。主要研究内容与结论如下:
  (1)单个胶接缝的静载剪切破坏试验和数值研究。通过两组共7个静力直剪试验以及14个数值模型计算,分析单键齿胶接缝和平胶接缝的剪切破坏特征。结果表明,单键齿胶接缝和平胶接缝在直剪作用下均为脆性破坏,裂缝出现后快速达到破坏,承载力丧失,但破坏时齿根处出现短而细的斜裂缝;而正应力水平与正则化剪应力呈正线性相关。数值结果表明:正应力水平对胶接缝的初始刚度(荷载-相对滑移曲线的斜率)无影响,但可以有效延缓胶接缝的剪切断裂发展。
  (2)单个胶接缝剪切破坏特征的落锤试验研究。通过两组共7个落锤冲击试验,分析了单个键齿胶接缝和平胶缝在冲击作用下的剪切破坏特征。结果表明,冲击作用下单个键齿胶接缝试件完全剪切破坏过程可归纳为如下三个阶段:首先在键齿上角出现向齿底延伸的斜裂缝,然后下角出现斜裂缝,最后键齿上角附近的混凝土破碎,且破碎区向下延伸发展到下角的混凝土破碎区贯通,形成直剪裂缝;而当冲击能量完全传递后,上下角点的斜裂缝逐渐向竖向裂缝发展,甚至下角还未出现斜裂缝,便直接由上角裂缝形成的破碎区向下发展形成直剪裂缝。
  (3)基于数值分析的冲击作用下单键齿胶接缝剪切破坏特征的影响因素和承力分布研究。通过16个单键齿胶接缝数值模型和2个双键齿胶接缝模型的数值计算,分析混凝土强度、落锤冲击形式、落锤冲击速度以及正应力水平对单键齿胶接缝剪切破坏特征的影响规律,并归纳了键齿内的承力分布的一般规律。结果表明,混凝土强度对单键齿胶接缝抗冲击能力的提高有限,有且仅在小能量冲击时;落物的初始动量来判断受冲击的键齿构造更合理,落物动量越大造成破坏越严重;侧向正应力对键齿损伤后的强度和刚度均有一定的提高;单个键齿内下齿缝面承力占比最大,双键齿内上键齿承力占比稍大于下键齿,且优先发生剪切破坏。
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