盧文良,楊 雷,鄭 強

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044； 2.中國鐵路設(shè)計集團有限公司,天津 300308)

1 概述

近年來，中國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)發(fā)展迅速，橋梁工程的建造速度及環(huán)保性逐漸得到重視。以先“化整為零”后“集零為整”的方式建造橋梁的快速施工法在近幾年得到迅速的發(fā)展[1]。節(jié)段預(yù)制拼裝混凝土梁一般有3種接縫形式：干接縫、濕接縫和膠接縫。膠接縫的性能相對優(yōu)越，當前大多數(shù)節(jié)段預(yù)制混凝土橋梁采用膠接縫[2]。我國鐵路橋梁設(shè)計規(guī)范中并未明確規(guī)定環(huán)氧樹脂膠與混凝土的粘結(jié)抗拉強度，節(jié)段膠拼梁在設(shè)計時通常不考慮環(huán)氧樹脂膠的抗拉貢獻，僅作為抗裂性能的安全儲備[3]。

針對膠接縫力學(xué)性能，國內(nèi)外開展了相關(guān)研究。Mohsen A. Issa和Hiba A. Abdalla[4]針對單健齒節(jié)段環(huán)氧樹脂膠接縫的結(jié)構(gòu)性能展開了相關(guān)研究。王建超[5]進行了節(jié)段預(yù)制拼裝混凝土橋梁接縫抗剪性能試驗研究。姜海波[6]進行了體外預(yù)應(yīng)力節(jié)段預(yù)制試驗梁力學(xué)性能數(shù)值分析。袁愛民[7]進行了節(jié)段預(yù)制橋梁膠接縫剪切性能試驗研究。李學(xué)斌等[3]進行了節(jié)段梁環(huán)氧樹脂膠接縫抗拉強度的試驗研究。已有研究表明，環(huán)氧樹脂膠與混凝土粘結(jié)后，接縫具有一定的抗拉抗剪強度。節(jié)段膠拼梁設(shè)計時合理考慮膠接縫抗拉強度，將有效降低工程造價。節(jié)段預(yù)制膠拼橋梁的工程實例已有多座，上海滬閔高架道路二期工程[8]、廣州市軌道交通四號線[9]、孫口黃河公路大橋[10]、南京長江第四大橋跨江大橋引橋[11]、桃花峪黃河大橋V標[12]、黃韓侯鐵路芝水溝特大橋[13]、石首長江公路大橋北邊跨主梁[14]、鄭阜鐵路周淮特大橋[15]等橋梁工程建設(shè)均采用預(yù)制節(jié)段拼裝法，但與我國巨大的橋梁建造數(shù)量相比，仍然屬于極少數(shù)，尤其是北京地區(qū)的工程案例極少。膠接縫抗拉強度具有一定離散性，目前研究資料比較少。為研究膠接縫受拉破壞模式和抗拉強度，設(shè)計了4個軸心受拉膠拼構(gòu)件，進行靜力加載試驗，研究結(jié)果可為節(jié)段膠拼梁抗裂性設(shè)計提供參考。

2 構(gòu)件設(shè)計與制作

2.1 構(gòu)件設(shè)計

本試驗設(shè)計4個預(yù)制膠拼單鍵混凝土軸向拉伸構(gòu)件，編號為S1、S2、S3和S4。構(gòu)件由凹、凸兩節(jié)段膠拼而成，節(jié)段內(nèi)布置普通鋼筋網(wǎng)。在兩節(jié)段內(nèi)部預(yù)埋4根φ20 mm的傳力螺桿，以便后期進行軸向拉伸加載。剪力鍵的構(gòu)造尺寸參考實際工程，鍵槽與鍵塊上、下側(cè)面傾斜角為45°，鍵高、鍵寬50 mm，鍵根部高150 mm。構(gòu)件尺寸如圖1所示。

圖1 軸拉構(gòu)件尺寸(單位：mm)

2.2 構(gòu)件制作

為保證軸拉構(gòu)件尺寸精度，軸拉構(gòu)件模具為機加工鋼模板?；炷良袅︽I由鋼制機加工的折板成型，構(gòu)件澆筑時，鋼折板作為凹凸兩段的分隔板。構(gòu)件混凝土強度等級為C55，養(yǎng)護達到混凝土強度要求后，清理混凝土表面脫模劑，并對匹配面進行粗糙處理。在預(yù)制節(jié)段接觸面上雙面涂抹雙組份環(huán)氧樹脂膠，其中A組分是由改性環(huán)氧樹脂、觸變劑、助劑及填料調(diào)制而成的白色膏體，B組分是由固化劑、觸變劑、助劑及填料調(diào)制而成的黑色膏體，A、B組分質(zhì)量比為2∶1。利用自制擠膠設(shè)備，在構(gòu)件兩端施加擠壓力，使膠接面產(chǎn)生0.3 MPa左右的均勻正應(yīng)力。兩節(jié)段拼接一周后拆除擠膠設(shè)備，10 d后膠體完全固化，進行軸拉試驗。

3 加載試驗

3.1 試驗方法

軸拉試驗的裝卡方式，可分為內(nèi)埋式、外夾式、粘接式等。內(nèi)埋式構(gòu)件試驗中受拉作用點不可修正，預(yù)埋拉桿應(yīng)確保位置精準，保證初始狀態(tài)的物理對中。外夾式構(gòu)造簡單，但對試驗設(shè)備要求較高，夾持部分易產(chǎn)生應(yīng)力集中。粘接式對膠粘劑強度要求較高，可能在夾頭和粘接鋼板處產(chǎn)生應(yīng)力集中，而且需要預(yù)先對粘接表面進行處理，效率較低。

本試驗采用外夾式方法，并對傳統(tǒng)軸拉試驗方法進行了改進，提高構(gòu)件軸心受拉加載的準確性。為了便于傳力，在凹、凸節(jié)段混凝土內(nèi)預(yù)埋4根φ20 mm的螺桿，預(yù)埋螺桿與普通鋼筋骨架采用焊接方式連接，螺桿外露部分與5cm厚鋼板栓接。構(gòu)件與試驗機之間的連接件為球鉸夾頭，如圖2所示。該夾頭與試驗機相連一端設(shè)絲扣，與構(gòu)件相連一端為機加工鋼球。鋼球與厚鋼板的曲面接觸，可以適當轉(zhuǎn)動，類似于鉸的功能，便于調(diào)整構(gòu)件與試驗機相對位置，保證了構(gòu)件只受拉力。把傳統(tǒng)拉環(huán)改成用傳力螺桿連接內(nèi)設(shè)曲面的厚鋼板，使構(gòu)件的軸向受力更均勻。

圖2 球鉸夾頭示意

3.2 加載機制

采用WAW-300微控電液伺服萬能試驗機進行加載。構(gòu)件就位后，首先在構(gòu)件彈性范圍內(nèi)進行兩次預(yù)加載，用來消除構(gòu)件與夾頭接觸部位的空隙，預(yù)拉荷載約取破壞荷載的15%。預(yù)加載結(jié)束后進行正式加載。試驗加載圖示如圖3所示。

圖3 軸拉試驗加載示意

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 試驗結(jié)果

4個膠拼構(gòu)件軸拉加載試驗現(xiàn)象基本相同。各構(gòu)件軸拉破壞荷載結(jié)果見表1。加載至破壞荷載的30%時，軸拉混凝土構(gòu)件中發(fā)出清晰的內(nèi)部損傷聲音。加載至破壞荷載的80%時，在膠接縫附近出現(xiàn)表觀細微裂縫。隨著荷載的繼續(xù)增加，裂縫擴展導(dǎo)致構(gòu)件有效面積減小，構(gòu)件破壞進程加快。軸向拉力達到破壞荷載時，構(gòu)件發(fā)出“嘣”的一聲巨響，受拉裂縫穿過鍵齒根部。破壞過程比較急促，無明顯征兆，斷裂破壞時聲音響亮，從出現(xiàn)裂縫到構(gòu)件破壞歷時較短，屬于典型的脆性破壞。斷裂面基本穿過鍵齒根部，在鍵齒周圍區(qū)域有分叉裂縫和少量碎片。斷裂位置基本位于接縫附近的混凝土處，斷口處幾乎無膠體，屬于混凝土內(nèi)聚破壞，破壞形態(tài)如圖4所示。

表1 膠接縫軸拉試驗結(jié)果

圖4 膠接縫軸拉構(gòu)件破壞形態(tài)

裂縫最先出現(xiàn)在距膠縫10 mm左右處的混凝土，主要原因是節(jié)段端面附近以水泥砂漿為主，混凝土骨料較少。因此，膠接縫的抗拉強度取決于接縫附近混凝土的抗拉強度。由于接縫處普通鋼筋不連續(xù)，裂縫一旦出現(xiàn)便迅速延伸貫通，構(gòu)件發(fā)生脆性破壞。

4個構(gòu)件的極限抗拉強度最大值與最小值比值為1.12，具有一定的離散性。實測抗拉強度均值與理論計算值比值為0.96，其中理論計算值根據(jù)TB10092—2017《鐵路橋涵混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》C55混凝土抗拉強度極限值和構(gòu)件橫截面積計算。抗拉強度平均值為3.17 MPa，接近鐵路規(guī)范C55混凝土的抗拉強度極限值3.3 MPa，說明膠縫處環(huán)氧樹脂膠與混凝土之間具有較好的粘結(jié)強度。

節(jié)段預(yù)制膠拼構(gòu)件軸拉試驗的荷載-位移曲線如圖5所示。荷載和位移是根據(jù)萬能試驗機自帶傳感器測試數(shù)據(jù)繪制。由圖5可以看出，試驗初期夾頭與試驗機夾持裝置之間有輕微滑移現(xiàn)象，忽略加載初期的滑移，大部分加載過程中軸拉力與位移基本呈線性關(guān)系。

圖5 膠拼軸拉構(gòu)件荷載-位移關(guān)系曲線

4.2 接縫抗拉強度分析

節(jié)段預(yù)制混凝土橋梁一般按全預(yù)應(yīng)力構(gòu)件設(shè)計。由于未充分考慮膠接縫的抗拉強度，預(yù)應(yīng)力度比較高以保證接縫處有足夠的壓應(yīng)力儲備，在一定程度上增加了造橋成本。

目前國內(nèi)缺乏針對節(jié)段預(yù)制結(jié)構(gòu)拼接膠的相關(guān)規(guī)范，在工程實踐中一般參考相近的規(guī)范。GB 50367—2013《混凝土結(jié)構(gòu)加固設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，對于A級膠，其鋼對混凝土正拉粘結(jié)強度不小于2.5 MPa，且為混凝土內(nèi)聚破壞。GB50278—2011《工程結(jié)構(gòu)加固材料應(yīng)用安全性鑒定規(guī)范》規(guī)定，鋼對干態(tài)混凝土正拉粘結(jié)強度不小于2.5 MPa，鋼對濕態(tài)混凝土正拉粘結(jié)強度不小于1.5 MPa，且為混凝土內(nèi)聚破壞。本次軸拉構(gòu)件試驗結(jié)果表明，4個軸拉構(gòu)件的抗拉強度全部超過2.5 MPa，且全部為混凝土內(nèi)聚破壞。試驗說明膠拼軸拉構(gòu)件膠接縫具有良好的粘結(jié)性能。根據(jù)本試驗的研究成果，建議節(jié)段預(yù)制膠拼橋梁抗裂性設(shè)計中，可以適當考慮膠縫提供的抗拉強度。

4.3 粘結(jié)強度影響因素

(1)基底對粘結(jié)強度的影響

表面清潔程度以及表面的物理、化學(xué)和灰塵等污染將對粘接的質(zhì)量產(chǎn)生影響。對待粘接構(gòu)件表面進行適當清潔處理，可以提高接縫力學(xué)性能。

(2)環(huán)境溫度對粘結(jié)強度的影響

結(jié)構(gòu)膠的主要成分是熱固型樹脂，這類樹脂作為高分子材料，其性能受溫度的影響十分顯著。溫度對膠接縫的影響是多方面的。粘結(jié)施工時的溫度影響膠的固化時間及固化強度。運營階段溫度較高時會加速膠接縫的老化，降低接縫強度，還會引起破壞模式的轉(zhuǎn)變。

(3)環(huán)境濕度對粘結(jié)強度的影響

水滲入結(jié)構(gòu)膠內(nèi)部會改變分子間的作用力。這種變化通常導(dǎo)致結(jié)構(gòu)膠的強度下降，粘結(jié)強度隨之降低。另外，界面吸附機理也認為大量水分子通過親水性強的基底表面滲透到整個膠粘界面后，水分子會取代結(jié)構(gòu)膠分子在基底表面上已經(jīng)存在的物理吸附，從而引起粘結(jié)強度的下降。

除以上影響因素外，拼裝時的接縫壓應(yīng)力將導(dǎo)致膠體發(fā)生蠕變；動態(tài)荷載作用下可能導(dǎo)致膠接縫出現(xiàn)疲勞損傷；應(yīng)力對膠接縫的影響通常與濕熱環(huán)境耦合。這些因素會不同程度的引起粘結(jié)強度的降低。

5 結(jié)論

通過對節(jié)段預(yù)制膠拼構(gòu)件軸向拉伸試驗的研究，得到如下結(jié)論。

(1)膠接縫抗拉強度在2.94～3.24 MPa，平均值為3.17 MPa，膠接縫具有一定的抗拉性能。

(2)構(gòu)件軸拉破壞位置發(fā)生在膠接縫附近的混凝土處，斷裂穿過鍵齒根部混凝土，斷口無結(jié)構(gòu)膠外露，屬于混凝土內(nèi)聚破壞。

(3)預(yù)制節(jié)段膠拼橋梁的抗裂性設(shè)計中，在充分考慮膠接材料濕熱老化的基礎(chǔ)上，可以適當考慮膠接縫的抗拉強度，減少預(yù)應(yīng)力鋼筋用量，提高設(shè)計經(jīng)濟性。