裝配式UHPC橋梁濕接縫模型試驗(yàn)及受彎性能研究

姚志立，晏班夫

(1.湖南省交通水利建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004; 2.湖南大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

0 引言

裝配式混凝土橋梁由于其施工便捷、環(huán)境干擾小、工程質(zhì)量較高等優(yōu)點(diǎn)在橋梁中得到了廣泛應(yīng)用，是橋梁建設(shè)行業(yè)的主要發(fā)展趨勢(shì)。但是由于車輛超載、材料老化、局部構(gòu)造等原因，預(yù)應(yīng)力混凝土T梁及空心板濕接縫在運(yùn)營(yíng)過程中出現(xiàn)的開裂、滲漏水、碎裂等病害在中小跨徑橋梁中普遍存在，影響結(jié)構(gòu)耐久性，降低行車的安全性及舒適性，采用常規(guī)的方法進(jìn)行維修加固很難徹底根治。而且目前傳統(tǒng)中小跨徑橋型結(jié)構(gòu)已經(jīng)趨于成熟，其發(fā)展依賴于新材料的應(yīng)用及新型結(jié)構(gòu)的開發(fā)。UHPC是一種內(nèi)部致密，沒有普通混凝土傳統(tǒng)意義上粗骨料的新型混凝土，具超高抗壓強(qiáng)度、極佳抗拉性能和良好的耐久性。利用UHPC的突出優(yōu)點(diǎn)，將UHPC濕接縫取代常規(guī)混凝土濕接縫可望解決這一難題。

現(xiàn)有的UHPC接縫多采取干接縫或濕接縫形式，研究主要集中在普通混凝土構(gòu)件UHPC濕接縫及鋼-UHPC組合橋面板濕接縫等方面，連接預(yù)制UHPC節(jié)段的UHPC濕接縫的研究相對(duì)較少。學(xué)者CARBONELL[1]等研究了UHPC-普通強(qiáng)度混凝土界面采用不同處理方式對(duì)接縫粘結(jié)強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，UHPC-普通強(qiáng)度混凝土界面的粘結(jié)強(qiáng)度與粗糙度關(guān)系不大，而與普通混凝土表面濕度關(guān)系較大，且表面作切槽處理可以提高粘結(jié)強(qiáng)度；LEE[2-4]等對(duì)不同接縫類型、預(yù)應(yīng)力、齒鍵深度等的UHPC接縫梁的抗剪性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明不同接縫類型的試件均發(fā)生受拉破壞，UHPC接縫的承載能力與變形能力與普通混凝土接縫相比均有顯著提高，而且加大齒鍵深度可明顯提高接縫的承載力；VOO[5]等研究了不同齒鍵數(shù)量及預(yù)應(yīng)力對(duì)UHPC接縫抗剪性能的影響，研究表明，試件在開裂前接縫的滑移較小，開裂后剛度下降較少，在荷載達(dá)到峰值后試件發(fā)生直剪破壞，UHPC接縫的摩擦系數(shù)隨著預(yù)應(yīng)力的增加而減小等。國(guó)內(nèi)，張陽[6]等對(duì)用鋼板和螺栓連接的有齒鍵UHPC梁的抗彎性能開展了研究，試驗(yàn)表明，采用該構(gòu)造可提高接縫梁的抗彎能力，不同的梁底配筋可導(dǎo)致接縫梁剛度突變處抗彎破壞或接縫齒鍵破壞兩種破壞模式，而且UHPC的徐變會(huì)使螺栓預(yù)緊力減??；杜任遠(yuǎn)[7]等對(duì)施加體外預(yù)應(yīng)力的RPC箱梁受彎性能進(jìn)行試驗(yàn)研宄，結(jié)果表明接縫梁的開裂彎矩、開裂應(yīng)變明顯大于普通混凝土接縫梁，體外預(yù)應(yīng)力也明顯提高了接縫梁的開裂彎矩、增加了構(gòu)件的延性。

本文主要對(duì)連接預(yù)制UHPC梁段的UHPC濕接縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，提出了如圖1所示的(a)直接縫、(b)菱形接縫、(c)上下條帶接縫、(d)上下條帶菱形接縫4種UHPC接縫構(gòu)造。對(duì)上述4種接縫構(gòu)造進(jìn)行抗彎試驗(yàn)研究，比較各接縫梁與完整梁的受彎性能，選出最優(yōu)構(gòu)造，并且給出了UHPC濕接縫梁的抗彎承載力建議公式。

圖1 UHPC濕接縫構(gòu)造

1 試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)

1.1 模型設(shè)計(jì)

對(duì)提出的4種UHPC接縫構(gòu)造進(jìn)行模型試驗(yàn)，共設(shè)計(jì)6個(gè)試件，分別為無接縫完整梁、直接縫梁、菱形接縫梁、上下條帶接縫梁、未焊接的上下條帶菱形接縫梁、焊接的上下條帶菱形接縫梁。每個(gè)試件總長(zhǎng)3.2 m，計(jì)算跨徑3 m，梁高0.3 m，梁寬0.15 m，梁兩端0.2 m處加寬至0.35 m；直接縫梁和菱形接縫梁的接縫寬度為0.3 m，上下條帶接縫梁和上下條帶菱形接縫梁的接縫寬度為0.15 m，兩側(cè)條帶長(zhǎng)度分別為0.15 m[8]。

試驗(yàn)梁采用UHPC150預(yù)拌料，其中鋼纖維采用圓直型鋼纖維，纖維長(zhǎng)13 mm，直徑為0.2 mm，體積摻量為2.0%。試驗(yàn)梁上下均配置3根直徑12 mm的HRB400鋼筋，鋼筋間距4.5 cm，凈保護(hù)層厚度2.4 cm，接縫處采用鋼筋綁扎或焊接的形式進(jìn)行兩邊預(yù)制構(gòu)件鋼筋的連接，鋼筋搭接長(zhǎng)度均大于10 d。試驗(yàn)梁細(xì)部尺寸及配筋見圖2[9-11]。試件分組編號(hào)見表1。

接縫試件分兩階段成型。試驗(yàn)梁預(yù)制部分與完整梁澆筑后靜停2 d，隨后90～100 ℃蒸養(yǎng)48 h，然后緩慢降至室溫，預(yù)制構(gòu)件在接縫結(jié)合處進(jìn)行簡(jiǎn)單鑿毛后進(jìn)行對(duì)接并搭接鋼筋，接著澆筑接縫處UHPC，養(yǎng)護(hù)方式與之前相同。

材性試驗(yàn)中[12-14]，抗壓、抗折和彈性模量試件分別按照標(biāo)準(zhǔn)尺寸制作試件，其養(yǎng)護(hù)方式與試驗(yàn)梁一致。試驗(yàn)得到的UHPC、鋼筋材料特性數(shù)據(jù)見表2、表3。

圖2 試驗(yàn)構(gòu)件尺寸(單位：cm)

表1 試驗(yàn)梁參數(shù)Table1 Parametersoftestbeams編號(hào)接縫形式箍筋間距/mm抗剪直筋搭接鋼筋O-1無接縫150無綁扎O-2直接縫150無綁扎O-3菱形接縫150無綁扎O-4上下條帶接縫150有綁扎O-5上下條帶菱形接縫150有綁扎O-6上下條帶菱形接縫150有焊接

表2 UHPC材料性能Table2 MechanicalperformanceofUHPC種類立方體抗壓強(qiáng)度/MPa換算抗拉強(qiáng)度/MPa彈性模量/MPaUHPC139.56.69179000

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)用4點(diǎn)加載，荷載由振弦式測(cè)力計(jì)測(cè)量，試驗(yàn)梁兩邊為簡(jiǎn)支支承。試驗(yàn)梁的純彎段均為1 m，剪跨比均大于3。為了了解試驗(yàn)梁純彎段的應(yīng)變變化，在純彎段內(nèi)設(shè)置3條測(cè)線，每條測(cè)線上設(shè)置5片應(yīng)變片。為了觀測(cè)試驗(yàn)梁撓度隨荷載的變化，在兩端支座處以及沿梁長(zhǎng)方向共設(shè)置5個(gè)位移計(jì)。試驗(yàn)過程中，應(yīng)變數(shù)據(jù)采用靜態(tài)應(yīng)變儀采集，精度為1個(gè)微應(yīng)變。采用精度為0.01 mm的裂縫觀測(cè)儀測(cè)試裂縫寬度。試驗(yàn)加載方案如圖3所示，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)如圖4所示。

表3 鋼筋材料性能Table3 Mechanicalperformanceofreinforcement種類屈服強(qiáng)度/MPa極限強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa鋼筋482.6586.3200

圖3 實(shí)驗(yàn)加載及量測(cè)方案(單位：mm)

圖4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)加載裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試件裂縫發(fā)展及破壞形態(tài)

各試件破壞形態(tài)如圖5所示。試件由于接縫構(gòu)造不同，破壞形態(tài)有一定的差異，匯總表見表4。O-1說明UHPC材料的抗拉性能在結(jié)構(gòu)受力中發(fā)揮著重要作用；O-2和O-3說明直構(gòu)造和菱形構(gòu)造接縫處鋼纖維不連續(xù)，這導(dǎo)致接縫處UHPC不參與抗拉作用；O-4和O-5說明條帶接縫構(gòu)造使下緣條帶部分UHPC參與了承載，最后由試驗(yàn)梁底面多條橫向裂縫可知，由于條帶厚度較薄，凈保護(hù)層厚度較小，預(yù)留鋼筋與搭接鋼筋脫粘造成該處UHPC碎裂，起不到傳遞鋼筋受力的作用，連接鋼筋退出工作；O-6采用搭接鋼筋與預(yù)留鋼筋焊接，焊接部分的鋼筋承載力大大增強(qiáng)，未發(fā)生脫粘，最終接縫界面處伸出的單排鋼筋受拉屈服，界面處UHPC裂縫快速發(fā)展，成為主裂縫，盡管極限承載能力提高不大，但具有上下條帶菱形接縫構(gòu)造的延性有一定提高。

圖5 O-1～O-6梁最終破壞形態(tài)

2.2 試件荷載-位移曲線

各試件荷載位移曲線如圖6所示。

O-1試驗(yàn)梁的加載過程可分為線彈性段、裂縫擴(kuò)展段、屈服強(qiáng)化段、破壞段。第1個(gè)階段，曲線斜率不變；53 kN時(shí)出現(xiàn)初裂縫，進(jìn)入第2個(gè)階段，剛度發(fā)生變化，隨著荷載的增加，O-1梁發(fā)生密集開裂；隨后主裂縫發(fā)展較快，受拉鋼筋屈服，剛度變化較明顯但仍然較大，結(jié)構(gòu)進(jìn)入第3個(gè)階段；荷載提升到180 kN后，荷載突然降低，停止加載仍能聽到鋼釬維被拔出聲，且加載力不斷自動(dòng)減小，結(jié)構(gòu)破壞。

表4 試件破壞形態(tài)Table4 Thefinalfailuremodes試件初裂荷載/kN預(yù)制部分初裂荷載/kN破壞荷載Fi/kNFi/F1破壞形態(tài)O-1—531801 一條明顯的純彎段主裂縫和多條密集次裂縫;下部鋼筋屈服,上緣未被壓碎,主裂縫下緣大量鋼纖維拔出O-29.944.2870.48主裂縫即初始裂縫在接縫界面出現(xiàn),次裂縫少且細(xì)短;下部鋼筋屈服,上緣有輕微壓碎現(xiàn)象,主裂縫處拔出少量鋼纖維O-31056.31110.62O-3破壞形態(tài)與O-2類似O-410.156.11160.64主裂縫由接縫中部延伸至梁底,初始裂縫在條帶結(jié)合面,有一定數(shù)量的次裂縫;上緣無壓碎現(xiàn)象,主裂縫下部有大量被拔出鋼纖維,接縫中部拔出少量鋼纖維,底部搭接鋼筋與預(yù)留鋼筋脫粘失效O-510.346.21130.63O-5破壞形態(tài)與O-4類似O-612.246.3118.60.66主裂縫由條帶結(jié)合面向上延伸,最終與接縫界面處的裂縫連通,主裂縫即初始裂縫,有一定數(shù)量的次裂縫;上緣無壓碎現(xiàn)象,主裂縫下部只有少量鋼纖維被拔出,中部大量鋼纖維被拔出,底部搭接鋼筋與預(yù)留鋼筋無脫粘現(xiàn)象,條帶界面處的伸出鋼筋受彎屈服

圖6 荷載-跨中位移曲線

O-2試驗(yàn)梁可分為線彈性段、裂縫擴(kuò)展段、屈服強(qiáng)化段、破壞段。第1個(gè)階段，曲線斜率不變；9.9 kN時(shí)開始出現(xiàn)裂縫，進(jìn)入第2個(gè)階段，剛度稍有降低；到61 kN時(shí)，鋼筋受彎屈服，結(jié)構(gòu)進(jìn)入第3個(gè)階段，剛度大幅降低；當(dāng)荷載提升到87 kN后，荷載突然降低，結(jié)構(gòu)破壞。

O-3試驗(yàn)梁與O-2試驗(yàn)梁相似，可分為線彈性段、裂縫擴(kuò)展段、屈服強(qiáng)化段、破壞段。第1個(gè)階段，曲線斜率不變；10 kN時(shí)試驗(yàn)梁出現(xiàn)初始裂縫，進(jìn)入第2個(gè)階段，剛度稍有降低；86 kN時(shí)，鋼筋受彎屈服，結(jié)構(gòu)進(jìn)入第3個(gè)階段，剛度大幅降低；當(dāng)荷載提升到111 kN后，荷載突然降低，結(jié)構(gòu)破壞。

O-4試驗(yàn)梁可分為線彈性段、裂縫擴(kuò)展段、屈服強(qiáng)化段、破壞段。第1個(gè)階段，曲線斜率不變；10.1 kN時(shí)試驗(yàn)梁開始出現(xiàn)裂縫，進(jìn)入第2個(gè)階段，剛度稍有降低，到56.1 kN時(shí)，預(yù)制部分發(fā)現(xiàn)裂縫，試驗(yàn)梁剛度發(fā)生較大變化；到105 kN時(shí)，鋼筋受彎屈服，結(jié)構(gòu)進(jìn)入第3個(gè)階段，剛度大幅降低，繼續(xù)加載，可聽到鋼纖維拔出聲；當(dāng)荷載提升到116 kN后，聽到“砰”的一聲巨響，荷載突然降低，結(jié)構(gòu)破壞。

O-5試驗(yàn)梁可分為3個(gè)階段，彈性階段、裂縫發(fā)展階段、破壞階段。第1個(gè)階段，曲線斜率不變；10.3 kN時(shí)試驗(yàn)梁開始出現(xiàn)裂縫，進(jìn)入第2個(gè)階段，剛度稍有降低；當(dāng)荷載到113 kN后，聽到“砰”的一聲巨響，荷載突然降低，結(jié)構(gòu)破壞，此時(shí)由于純彎段下緣條帶UHPC斷裂破壞，條帶位置鋼筋錯(cuò)位拔出。

O-6試驗(yàn)梁可分為線彈性段、裂縫擴(kuò)展段、屈服強(qiáng)化段。第1個(gè)階段，曲線斜率不變；12.2 kN時(shí)試驗(yàn)梁開始出現(xiàn)裂縫，進(jìn)入第2個(gè)階段，剛度稍有降低；當(dāng)荷載到118.6 kN后，荷載無法繼續(xù)增加，稍有降低，撓度繼續(xù)增加，接縫界面處伸出的單排鋼筋受彎屈服，結(jié)構(gòu)進(jìn)入第3個(gè)階段，可觀察到底部搭接鋼筋與預(yù)留鋼筋無脫粘現(xiàn)象，繼續(xù)加載，結(jié)構(gòu)撓度過大，視為結(jié)構(gòu)破壞。

從圖6和表4可知：①剛度上，O-1完整梁剛度最好，其次是O-6接縫梁、O-5接縫梁、O-4接縫梁、O-3接縫梁、O-2接縫梁、O-1接縫梁。②承載力上，O-1完整梁最好，其次是O-6接縫梁、O-4接縫梁、O-5接縫梁、O-3接縫梁、O-2接縫梁、O-1接縫梁。由于有接縫存在，O-2～O-6接縫梁開裂荷載均在10 kN左右，遠(yuǎn)低于O-1完整梁53 kN的開裂荷載。

2.3 應(yīng)變

試驗(yàn)在截面高度0、300 mm位置處的應(yīng)變片為底、頂面應(yīng)變片，截面高度75、150、225 mm位置處應(yīng)變片為側(cè)面應(yīng)變片。給出試驗(yàn)梁跨中應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖7所示，對(duì)于部分測(cè)點(diǎn)，由于梁體開裂后或其他原因測(cè)點(diǎn)被破壞，所以只給出了部分結(jié)果。

各試件開裂前，截面應(yīng)變基本符合平截面假定。由于接縫構(gòu)造不同，各試件應(yīng)變變化規(guī)律有所不同。

O-1號(hào)梁在應(yīng)變片處開裂前，截面應(yīng)變基本符合平截面假定，在應(yīng)變片處開裂后，該截面應(yīng)變片應(yīng)變值發(fā)生突變。

O-2號(hào)梁在應(yīng)變片處開裂前，截面應(yīng)變基本符合平截面假定，接縫結(jié)合面開裂后，應(yīng)變即發(fā)生突變。

圖7 O-1～O-6號(hào)梁跨中荷載-應(yīng)變圖

續(xù)圖7 O-1～O-6號(hào)梁跨中荷載-應(yīng)變圖

O-3號(hào)梁，截面應(yīng)變變化規(guī)律與O-2號(hào)梁相近。

O-4號(hào)梁在截面條帶結(jié)合面處開裂后，截面仍然符合平截面假定，當(dāng)荷載增加至36 kN時(shí)，在接縫中間直構(gòu)造處出現(xiàn)裂縫，O-4部分截面應(yīng)變開始突變。

O-5號(hào)梁應(yīng)變變化規(guī)律與O-4號(hào)梁變化規(guī)律類似。

O-6號(hào)梁在開裂前，截面應(yīng)變基本符合平截面假定，但當(dāng)加載到104 kN后，跨中應(yīng)變數(shù)據(jù)變化較小，側(cè)邊應(yīng)變數(shù)據(jù)產(chǎn)生突變。

2.4 名義應(yīng)力-裂縫寬度曲線

試件名義應(yīng)力-裂縫寬度曲線如圖8所示。其中，名義應(yīng)力指按實(shí)際跨中彎矩值計(jì)算的名義應(yīng)力值，裂縫寬度指該荷載下梁體最大裂縫寬度。

圖8 試件名義應(yīng)力-裂縫寬度曲線

從圖8可見，O-1號(hào)完整梁在抗裂性能上遠(yuǎn)高于O-2～O-6號(hào)接縫梁，O-2和O-3號(hào)接縫梁開裂名義應(yīng)力在4 MPa左右，O-4～O-6號(hào)接縫梁開裂名義應(yīng)力在6.5 MPa左右，說明接縫構(gòu)造的不同會(huì)影響梁體的開裂性能，帶條帶的接縫開裂性能較好。在抗裂性能上，O-6號(hào)接縫梁抗裂性能最好，其次是O-5、O-4、O-3、O-2號(hào)梁。

3 結(jié)論

a.完整梁的極限抗彎承載力高于接縫梁。對(duì)于接縫梁，接縫結(jié)合處，新舊UHPC由于鋼纖維不連續(xù)，界面處UHPC混凝土幾乎沒有抗拉作用，但對(duì)于帶條帶梁，條帶上下界面的水平阻滯作用，使得接縫條帶部分UHPC參與了結(jié)構(gòu)承載，提高了接縫梁的剛度、抗裂及抗彎性能，其中又以接縫處鋼筋焊接的上下條帶菱形接縫梁結(jié)構(gòu)抗彎性能及延性最好，其次是鋼筋未焊接的上下條帶菱形接縫、上下條帶接縫、菱形接縫與直接縫梁。

b.完整梁的抗裂性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于接縫梁，帶條帶的接縫開裂性能較好，說明接縫構(gòu)造的不同會(huì)影響梁體的開裂性能。鋼筋焊接的上下條帶菱形接縫梁抗裂性能最好，其次是上下條帶接縫、未焊接的上下條帶菱形接縫、菱形接縫、直接縫梁。

c.接縫梁中，結(jié)合破壞形態(tài)來看，鋼筋焊接的上下條帶菱形接縫梁綜合抗彎性能最好。上下條帶菱形接縫梁也可適應(yīng)結(jié)構(gòu)抗剪的情形，實(shí)際工程中搭接鋼筋與預(yù)留鋼筋焊接，可提高上下條帶菱形構(gòu)造的延性。

得到抗彎、抗剪性能等同于現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的UHPC接縫是最終目標(biāo)。目前接縫梁與完整梁的抗彎性能仍有差距，本文也未對(duì)帶菱形接縫結(jié)構(gòu)的抗剪性能進(jìn)行研究，接縫在局部構(gòu)造上仍需進(jìn)行繼續(xù)改進(jìn)。