0 引言

预应力混凝土空心板桥使用量大面广，是我国路网建设的主力桥型。随着交通量的增加以及空心板梁使用年限的增长，部分早期建设的空心板梁在梁端支点附近出现由于抗剪承载力不足引起的腹板斜裂缝^[1-5]。混凝土构件的抗剪破坏属于脆性破坏，危害性较大，严重影响桥梁结构安全。针对梁端腹板出现斜裂缝的空心板梁，全部拆除重建是不现实的。当斜裂缝出现后需要对其进行评估，判断斜裂缝的性质。因此需要一套行之有效的评估方法，为病害处治决策提供依据。

目前国内针对桥梁裂缝的评定规范^[6]将各类裂缝病害统一进行考虑，缺乏针对性和适用性。而国内外针对混凝土梁的抗剪研究多以缩尺构件试验为主^[7-11]，尺寸效应会对试验结果产生明显影响。因此，本研究通过足尺空心板梁抗剪试验，开展预应力混凝土空心板梁剪切破坏机理及端部斜裂缝病害分级评估研究。

1 试验设计 1.1 试验梁基本情况

试验空心板梁跨径为16 m，横截面以及配筋情况如图 1所示。C50混凝土，实测立方体抗压强度为57.8 MPa。箍筋加密段长度为108 cm，间距为10 cm，非加密区箍筋间距为20 cm。空心板梁钢筋规格及力学参数如表 1所示。

将剪跨比m作为影响参数，按照规范^[12]计算空心板梁箍筋加密段和非加密段截面的临界剪跨比分别为1.84和2.71，分别应用于4-a及4-b试验工况，取二者的平均值2.27应用于3-a试验工况，具体的抗剪试验工况如表 2所示。

1.2 试验布置方案

根据已有抗剪试验研究和理论分析，破坏阶段的材料退化、结构破坏和各类裂缝均局限分布在剪压区以及加载点附近较小范围内，而结构其他部分始终处于弹性阶段，因此采用一侧单点加载形式对同一片梁两端分别进行试验，从而提升板梁使用效率，节约试验成本。

1.3 测量装置埋设布置

根据有限元计算得到的板梁端部应力应变分布规律并参考相关文献^[13-16]，确定应变片以及振弦式应变传感器布设位置。钢筋应变通过预埋的振弦式传感器进行测试，每处梁端设置6只传感器(腹板箍筋4只、底板纵筋2只)，以3-a(m=2.27)为例，传感器测点布置见图 2，编号G代表腹板箍筋，编号Z代表底板纵筋。

混凝土应变则通过表面应变片测试，主要分布于梁端剪压区腹板及顶底板位置(图 3)。

2 试验结果分析 2.1 基本结果

各试验组基本结果汇总统计如表 3所示。

不同剪跨比的试验结果表明:

(1) 抗剪开裂荷载同剪跨比的关系并不显著，而极限荷载的规律则较为明显，同剪跨比大小呈现负相关性。

(2) 剪跨比越大，构件在受剪开裂后剩余承载力越小，安全储备降低。

2.2 试验现象分析

以3-a试验工况为例，剪切破损特点如下。

(1) 在加载前期梁体处于弹性工作状态。

(2) 当加载至498 kN，在距离梁端170~220 cm范围内腹板下缘出现竖向短裂缝，底板出现横向裂缝。

(3) 当加载至557 kN，在距离梁端50~120 cm范围内迅速出现多条斜裂缝，斜裂缝下缘出现与之连通的底板横向裂缝，然后荷载突然降低至520 kN。

(4) 当荷载超过740 kN时，斜裂缝宽度和加载点位移迅速增加，但荷载难以增长，最终在加载垫板下方的顶板混凝土局部压溃后终止。

(5) 卸载阶段加载点位移和斜裂缝宽度随卸载量增加而逐渐减小。

3-a试验工况为典型剪压破坏模式。斜裂缝分布于剪压区，腹板斜裂缝起始于箍筋非加密段，形态上为典型的弯剪裂缝。底板横向裂缝与腹板斜裂缝先后出现，而且多数呈现U型的连通状态。

4-a和4-b工况的试验现象整体上和3-a工况类似，但是4-a工况中受剪作用更加显著，部分腹板斜裂缝刚出现时并非从腹板下缘开始，在后续加载过程中这些斜裂缝才延伸至腹板下缘，最终主要斜裂缝起始点相比其他工况更靠近支点。而4-b工况竖向裂缝数量则更多，长度和宽度明显高于其他工况，受弯特征较为明显(近似于斜拉破坏)。

各试验工况荷载-最大斜裂缝宽度曲线如图 4所示，可以看出在腹板斜裂缝出现后，裂缝宽度增长速度随荷载增加不断加快，直到构件整体进入屈服阶段。

2.3 荷载位移曲线

3组试验工况加载点位置的荷载-位移曲线如图 5所示，包括了加载到卸载的全过程，可分为4个典型阶段。

(1) 弹性阶段

在加载初期荷载小于开裂荷载时，试验梁处于弹性状态，位移较小，加载点位移和外加荷载呈线性关系。同时，剪跨比越大，该阶段曲线斜率越小，呈反比关系，体现了剪跨比对板梁加载区域刚度的影响，但这种影响差异十分有限。

(2) 弹塑性阶段

随着荷载逐渐增大，腹板开裂，以开裂荷载为特征点，曲线进入开裂后弹塑性阶段。荷载-位移曲线斜率逐渐减小，加载点位移增长变快，说明试验梁加载区域刚度在不断下降。

(3) 塑性屈服阶段

荷载达到试验梁极限承载力之后，继续加载时结构的加载点位移快速增加，但是荷载水平无法上升，结构进入塑性屈服阶段，曲线也趋于水平。

(4) 卸载阶段

分级将荷载逐渐卸载为0，卸载过程中结构加载点位移缓慢恢复，位移变化和荷载仍然呈线性关系，但是斜率要小于加载过程中的弹性阶段。不同剪跨比卸载后的位移恢复量有所差异。

2.4 钢筋应变分析

各工况钢筋测点位置荷载-应变曲线如图 6所示，其中箍筋屈服应变约为1 800 με，纵筋屈服应变约为2 300 με。

在弹性阶段，箍筋应变水平很低，此时剪力主要由混凝土承担；在达到开裂荷载后箍筋应变突然增加，此时混凝土开裂退出工作，大部分剪力突然转移至箍筋承担。当裂缝跨越箍筋时，对应箍筋的应力迅速突变，甚至直接屈服。

纵筋应变变化相对缓和，在弹性阶段其应变和荷载基本呈线性，达到开裂荷载后，加载点截面测点应变曲线出现拐点，应变增长速度加快。

2.5 混凝土表面应变分析

在斜裂缝出现之后，被裂缝穿过的应变片失效，残留应变片数据准确度也会受到影响，因此重点关注弹性阶段混凝土表面应变。各工况弹性阶段主拉应变-荷载曲线如图 7所示。

在弹性阶段主拉应变基本维持在300 με以下，同荷载呈线性关系。在达到开裂荷载之后，部分测点位置主拉应变在某个荷载等级下突然增大，斜率明显增长。在空间分布上，测点主拉应变大小在弹性阶段有着清晰的规律，总体来说，在高度方向上越靠近梁体下缘，在纵向上越靠近加载点截面其主拉应变越大。

3 腹板斜裂缝病害评估

腹板斜裂缝是空心板梁抗剪承载力削弱的外在体现，其出现说明结构当前所承担的荷载下存在抗剪破坏风险。

多项研究表明，裂缝宽度和桥梁抗剪承载力具有紧密联系，是反映在役桥梁工作状态的直观特征^[17-18]。利用裂缝宽度进行斜裂缝病害评估具有较强的可操作性。

3.1 底板和腹板裂缝特征关联性分析

运营阶段的空心板梁桥，除边梁外，所有的中梁腹板斜裂缝均无法直接观测，但是所有的梁端底板横向裂缝更易观测，因此需要建立梁端底板横向裂缝和腹板斜裂缝之间的特征关系。

各工况下腹板上主要斜裂缝与其连通的底板横向裂缝宽度统计如图 8所示。

由试验数据可知，梁端底板横向裂缝宽度与其连通的腹板斜裂缝宽度基本相当，前者略高于后者。在靠近加载点位置，二者宽度的差值较大，这是因为在加载点位置附近受弯作用更明显。在实际桥梁评估中可以偏保守地采用梁端底板横向裂缝宽度等同于腹板斜裂缝宽度。

在实际桥梁中，底板横缝^[1-5]的产生原因较多，包括受剪裂缝在底板的扩展、受弯导致的底板开裂、预应力筋端部锚固段牵拉作用导致的底板开裂等。因此需要将抗剪不足导致的底板横向裂缝和其他横向裂缝区分开。结合实桥腹板斜裂缝特征和试验成果，提出以下几点规律用于区分底板缝类型。

(1) 裂缝位置: 抗剪不足导致的底板横缝一般出现在空心板梁端部四分跨内；抗弯不足导致的底板横向裂缝基本上集中在跨中区域。

(2) 裂缝分布特征: 由抗弯不足导致的底板横向裂缝，跨中密集，梁端稀疏，甚至没有；预应力筋端部锚固段牵拉作用导致的底板裂缝并非是横向的，可能是斜向或者网状分布，而且开裂位置与预应力失效点关联，在失效点裂缝最宽；抗剪不足导致的底板缝为横向缝，在梁端底面密集分布。

当实桥评估通过底板横缝难以判定腹板是否存在斜裂缝时，也可在底板钻孔，借助内窥镜检测。

3.2 基于斜裂缝宽度的病害评估分级

根据3个标准空心板梁工况试验结果，分析构件最大腹板裂缝宽度和承载率之间的关系，绘制数据点包络曲线如图 9所示，图中承载率指某一荷载等级对应荷载和本工况极限荷载之间的比值。

基于该包络曲线，综合考虑实际桥梁腹板斜裂缝特征，分别以开裂点、承载率为85%，90%点为特征分界点将空心板梁体状态分为4个评估等级，如表 4所示。在实际预应力空心板梁评估时，根据实测裂缝宽度便可以依据表中对应关系判断空心板梁状况并采取相应的措施。

4 结论

(1) 先张法预应力混凝土空心板梁受剪破坏具有一定的脆性特征，斜裂缝的出现和发展较为突然，开裂位置箍筋应变随之骤增，应力重分布现象明显。

(2) 剪跨比对试验空心板梁受剪破坏模式和抗剪承载力有着显著的影响，试验工况虽然都为剪压破坏，但是裂缝分布和形态有一定差异，剪跨比最大和最小的梁体分别具有一定的斜拉和斜压特征，在承载力方面，剪跨比越大的试验梁极限抗剪承载力和开裂承载力越小。

(3) 根据极限抗剪破坏试验中腹板斜裂缝宽度与承载率关系，提出了预应力混凝土空心板梁基于斜裂缝宽度的评估分级方法。