鐘 揚(yáng),吳 鋒,戴 磊

(1.中交第三航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心，上海 200032；2.中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032；3.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，港口經(jīng)濟(jì)也迎來(lái)了新的發(fā)展機(jī)遇。高樁梁板式碼頭結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用范圍日益拓展，但在其上部結(jié)構(gòu)建造過(guò)程中，仍存在著大量的現(xiàn)場(chǎng)鋼筋焊接、綁扎以及混凝土現(xiàn)澆工作，施工效率和裝配化程度有待進(jìn)一步提高[1-2]。

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)是一種高強(qiáng)度、高韌性的新型水泥基材料，與普通混凝土相比，它的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和耐久性更優(yōu)，國(guó)外已廣泛應(yīng)用于預(yù)制構(gòu)件的連接[3]?；谶@一材料特性，本文設(shè)計(jì)一種適用于高樁碼頭上部預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)連接方式，如圖1所示。將高樁碼頭的現(xiàn)澆梁、板構(gòu)件改成預(yù)制構(gòu)件的形式，在預(yù)制構(gòu)件的端部外伸出若干鋼筋頭，在連接節(jié)點(diǎn)處對(duì)鋼筋連接進(jìn)行優(yōu)化，僅進(jìn)行簡(jiǎn)單搭接，不需要焊接或者綁扎，并通過(guò)UHPC后澆接縫連接各預(yù)制構(gòu)件。由于碼頭的受力特點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)位置通常要承受較大的負(fù)彎矩荷載，為了保證節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)安全，有必要對(duì)UHPC濕接縫的抗彎性能進(jìn)行研究。

圖1 裝配式碼頭節(jié)點(diǎn)連接

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)UHPC濕接縫的受力有一定的研究。劉超等[4]對(duì)新老橋間UHPC拼接縫受力性能的研究表明，UHPC具有出色的裂縫控制能力，增加UHPC接縫自由長(zhǎng)度和減小接縫厚度可有效增強(qiáng)接縫彎曲性能。李昭等[5]通過(guò)ABAQUS數(shù)值模擬，分析縱向主筋配筋率、UHPC抗拉強(qiáng)度及現(xiàn)澆橋面板混凝土強(qiáng)度等級(jí)對(duì)UHPC-NC(超高性能混凝土-普通混凝土)組合結(jié)構(gòu)抗彎性能的影響。陳貝等[6]研究不同的 UHPC 濕接縫構(gòu)造形式對(duì)預(yù)制拼裝混凝土結(jié)構(gòu)抗彎性能的影響,結(jié)果表明不同接縫構(gòu)造形式的接縫板抗彎拉性能都優(yōu)于完整NC板，且鑿孔、密配筋接縫形式能較大地提高接縫板的抗彎拉性能。張永濤等[7]對(duì)預(yù)制橋面板UHPC-U形鋼筋濕接縫的受力性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明UHPC能顯著提高濕接縫的抗裂性能，驗(yàn)證了采用UHPC減小濕接縫混凝土現(xiàn)澆量、簡(jiǎn)化連接工藝的可行性。但上述研究主要是針對(duì)UHPC橋梁行業(yè)的應(yīng)用，在港口碼頭中應(yīng)用研究較少。

本文設(shè)計(jì)制作7根UHPC濕接縫梁和1根現(xiàn)澆普通混凝土梁，通過(guò)靜力試驗(yàn)研究各梁的抗裂特性、裂縫開展及極限承載力，驗(yàn)證UHPC濕接縫連接預(yù)制混凝土構(gòu)件、簡(jiǎn)化節(jié)點(diǎn)處鋼筋連接方式的可行性。

1 試驗(yàn)概況

1.1 構(gòu)件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了8根試驗(yàn)梁，包括7根UHPC濕接縫梁和1根現(xiàn)澆普通混凝土梁，其中A組為現(xiàn)澆普通混凝土梁，B組為UHPC濕接縫梁。各梁的截面尺寸均為300 mm/400 mm(寬×高)，長(zhǎng)度均為2.5 m。梁體采用普通混凝土和UHPC材料，UHPC基體中摻有定量鋼纖維。UHPC接縫長(zhǎng)度為0.3 m，縱筋和箍筋均采用HRB400級(jí)鋼筋。試件編號(hào)、鋼筋布置、配筋率等參數(shù)和尺寸見(jiàn)表1，典型試件A1和B1梁的配筋見(jiàn)圖2。

表1 試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)及配筋

根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》[8]和《活性粉末混凝土》[9]，分別對(duì)普通混凝土和UHPC進(jìn)行材料特性試驗(yàn)。其中，普通混凝土、UHPC抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)分別采用150 mm×150 mm×150 mm、100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，實(shí)測(cè)的普通混凝土、UHPC 28 d抗壓強(qiáng)度分別為34.6和118.0 MPa。

UHPC濕接縫梁的加工過(guò)程：首先預(yù)制兩端混凝土構(gòu)件，交錯(cuò)連接預(yù)制梁下部鋼筋并搭設(shè)模板，最后在節(jié)點(diǎn)處澆筑UHPC灌漿材料，養(yǎng)護(hù)(圖3)。

在UHPC濕接縫梁的制作過(guò)程中，為增加新老混凝土界面的黏結(jié)力，預(yù)制普通混凝土段拆模后用高壓水槍對(duì)界面處進(jìn)行沖洗至粗集料裸露。養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再澆筑UHPC灌漿材料。UHPC濕接縫處鋼筋連接方式如圖4所示。

圖3 UHPC濕接縫制作加工

圖4 UHPC濕接縫梁鋼筋簡(jiǎn)單搭接

1.2 試驗(yàn)方案及測(cè)試內(nèi)容

試驗(yàn)采用1 000 kN液壓千斤頂通過(guò)分配梁進(jìn)行加載，加載點(diǎn)間距為0.6 m，UHPC段完全處于梁純彎段中，豎向加載時(shí)在加載點(diǎn)處設(shè)置鋼墊板，防止局部混凝土壓壞。試驗(yàn)加載系統(tǒng)如圖5所示。試驗(yàn)采用單調(diào)加載，首先按預(yù)估開裂荷載的10%分級(jí)加載，加載至構(gòu)件開裂，構(gòu)件出現(xiàn)裂縫后按預(yù)估極限荷載的10%繼續(xù)加載，直到試件達(dá)到極限承載力，此時(shí)記錄試件的裂縫開展情況。然后放慢加載速度，直至梁破壞。

試驗(yàn)時(shí)梁跨中放置百分表以測(cè)量跨中豎向位移，同時(shí)梁兩端頂支座處放置百分表以測(cè)量支座位移，從而消除支座沉降誤差。并在試驗(yàn)過(guò)程中觀察梁的裂縫開展情況，重點(diǎn)關(guān)注UHPC連接段及梁彎剪段的混凝土開裂情況。試驗(yàn)加載系統(tǒng)見(jiàn)圖5。

圖5 試驗(yàn)加載系統(tǒng)(單位：mm)

2 試驗(yàn)現(xiàn)象及破壞過(guò)程

A1梁為現(xiàn)澆普通混凝土梁，表現(xiàn)為典型的彎曲破壞，跨中梁底受拉鋼筋屈服且梁頂受壓區(qū)混凝土被完全壓碎，其破壞特征符合普通混凝土梁破壞理論。

各組UHPC濕接縫梁也表現(xiàn)為彎曲破壞，但破壞特征與現(xiàn)澆梁略有不同。加載初期梁底UHPC接縫處首先出現(xiàn)裂縫，并沿結(jié)合面集中向上發(fā)展。同時(shí)在UHPC接縫兩側(cè)有若干斜裂縫產(chǎn)生，從底部向加載點(diǎn)處延伸，而UHPC連接段表現(xiàn)出超強(qiáng)的抗拉性能，無(wú)裂縫產(chǎn)生。破壞過(guò)程中，B1梁在接縫處斷開，受拉鋼筋被拉斷，鋼筋截面呈錐狀斷口，呈現(xiàn)少筋破壞形式；B2～B7梁的上部混凝土被完全壓碎，受拉區(qū)鋼筋完全屈服，呈現(xiàn)適筋破壞形式，且破壞的區(qū)域出現(xiàn)在普通混凝土段。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，UHPC的連接段始終未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，試驗(yàn)梁的典型破壞特征如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)破壞特征

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 荷載-跨中撓度曲線

試驗(yàn)梁的荷載-撓度曲線如圖7所示。UHPC 濕接縫梁荷載-撓度曲線發(fā)展趨勢(shì)與現(xiàn)澆梁相似，基本可分為3個(gè)階段：彈性階段、裂縫發(fā)展階段、持荷至破壞階段。在彈性階段，荷載-跨中撓度曲線斜率最大，變化趨勢(shì)近似呈線性關(guān)系，此時(shí)混凝土和鋼筋共同承擔(dān)受彎拉荷載，試驗(yàn)梁的抗彎剛度最大；隨著荷載的增加，荷載-撓度曲線進(jìn)入裂縫發(fā)展階段，曲線斜率逐漸減小，此時(shí)受拉區(qū)混凝土開裂，原來(lái)由該部分承受的拉力逐漸轉(zhuǎn)移至受拉鋼筋，試驗(yàn)梁的抗彎剛度比彈性階段有所下降。試驗(yàn)梁進(jìn)入持荷至破壞階段，此時(shí)的荷載-跨中撓度曲線逐漸趨于平緩，在荷載基本不變的情況下，跨中撓度急劇增加，彎剪段的斜截面出現(xiàn)較大裂縫，試驗(yàn)梁破壞。

圖7 試驗(yàn)梁荷載-撓度曲線

3.2 裂縫開展及分布

為了研究各組試驗(yàn)梁加載過(guò)程中的裂縫開展情況，試驗(yàn)時(shí)的裂縫分布如圖8所示。A1梁純彎區(qū)段兩側(cè)面產(chǎn)生的主裂縫數(shù)量為12條;B1梁純彎區(qū)段兩側(cè)面產(chǎn)生的主裂縫數(shù)量為7條;B2～B4梁分別為7、9、9條;B5～B7梁分別為8、9、9條;比較配筋率相同的B5～B7梁和A1梁的裂縫數(shù)量，可以發(fā)現(xiàn)B5～B7梁裂縫數(shù)量比A1梁少，表明UHPC后澆連接可以減少構(gòu)件主裂縫的產(chǎn)生。同時(shí)比較UHPC濕接縫梁和現(xiàn)澆梁的裂縫分布情況，現(xiàn)澆梁初裂位置發(fā)生在跨中底部，而UHPC濕接縫梁裂縫首先出現(xiàn)在新舊混凝土的結(jié)合界面，表明UHPC濕接縫梁的UHPC與普通混凝土界面處黏結(jié)力較差，更容易開裂。進(jìn)入裂縫開展階段，UHPC濕接縫梁的裂縫發(fā)展情況基本相似，裂縫均勻分布在UHPC后澆接縫的外側(cè)，縫寬均勻，但UHPC段整個(gè)過(guò)程中均無(wú)裂縫產(chǎn)生，表明UHPC材料的抗裂性能較好。達(dá)到極限承載力時(shí)，不同配筋率的UHPC濕接縫梁最大裂縫位置也有所不同，隨著配筋率的增加，最大縫寬位置從UHPC界面處移動(dòng)到普通混凝土段，表明在一定程度上配筋率的增加能抑制接縫處裂縫的發(fā)展速度。

圖8 試驗(yàn)梁的裂縫分布

為了進(jìn)一步研究試驗(yàn)梁裂縫變化規(guī)律，繪制了各組UHPC濕接縫梁在達(dá)到極限承載力之前的界面處裂縫寬度隨荷載的變化曲線，如圖9所示。

由圖9可知，在裂縫發(fā)展初始階段，各組UHPC濕接縫梁界面處裂縫寬度隨著荷載變化不大，之后由于梁受拉區(qū)普通混凝土完全退出工作，裂縫寬度隨著荷載的增加開始迅速增加，表現(xiàn)為曲線斜率的增大。當(dāng)各組試驗(yàn)梁達(dá)到極限承載力時(shí)，B1～B4梁界面處的裂縫寬度均超過(guò)1.5 mm，而B5～B7梁的裂縫寬度只有0.6 mm左右。說(shuō)明B5～B7梁接縫處的裂縫發(fā)展速度較慢，表明在提高受拉區(qū)配筋率的情況下，界面處的裂縫發(fā)展可以得到很好的控制。

圖9 UHPC梁接縫處的裂縫寬度變化

3.3 極限承載力

由于抗彎承載力是碼頭梁、板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的重要控制荷載，因此有必要對(duì)UHPC濕接縫梁的抗彎承載力影響因素進(jìn)行分析。試驗(yàn)中梁的極限承載力通過(guò)受拉主筋處裂縫寬度達(dá)到1.5 mm確定，統(tǒng)計(jì)出抗彎承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比情況見(jiàn)表2。

表2 抗彎承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比

由表2可知，各組UHPC濕接縫梁抗彎承載力試驗(yàn)值較理論計(jì)算值均有一定程度的提升，最大提升幅度達(dá)到了26%。這表明在整體結(jié)構(gòu)的受力方面，UHPC濕接縫梁的抗彎承載力要優(yōu)于現(xiàn)澆混凝土梁，UHPC后澆連接的結(jié)構(gòu)抗彎承載力滿足工程要求。比較各組UHPC濕接縫梁的抗彎承載力試驗(yàn)值，在相同加載情況下，UHPC濕接縫處的配筋率越高，梁抗彎承載力越大。

4 結(jié)論

1)UHPC濕接縫梁和現(xiàn)澆梁都表現(xiàn)為彎曲破壞，受彎破壞模式接近。各試驗(yàn)梁的荷載-撓度曲線分為彈性、裂縫發(fā)展和持荷至破壞3個(gè)階段，當(dāng)配筋構(gòu)造相同時(shí)，UHPC濕接縫梁抗彎剛度和現(xiàn)澆梁基本一致。

2)在配筋率足夠大的情況下，UHPC濕接縫梁界面處的裂縫發(fā)展可以得到很好的控制。

3)本次試驗(yàn)接縫界面只進(jìn)行了簡(jiǎn)單鑿毛處理，接縫處新老混凝土的黏結(jié)性能表現(xiàn)不佳，后續(xù)試驗(yàn)建議在接縫處布置短鋼筋以增加該位置的抗裂性能，避免集中裂縫。

4)從整體結(jié)構(gòu)的受力看，UHPC濕接縫梁的抗彎能力不弱于通長(zhǎng)鋼筋的現(xiàn)澆混凝土梁，表明節(jié)點(diǎn)連接處鋼筋簡(jiǎn)單搭接的方案是可行的。同時(shí)，UHPC濕接縫處配筋率的增加能提高梁的抗彎承載能力。