袁嘉梁,賈依楠,晏班夫

(湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082)

UHPC(超高性能混凝土)是一種基于最大堆積密度理論的新型混凝土，其具有超高抗壓、極佳抗拉和良好耐久性能[1-2]。目前，UHPC多用于公路橋梁、海洋工程、結(jié)構(gòu)加固維修等。采用UHPC的結(jié)構(gòu)大多為預(yù)制結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場通過節(jié)點(diǎn)接縫進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件間的連接，但國內(nèi)外關(guān)于UHPC材料濕接縫的試驗(yàn)較少[3]，因此對UHPC濕接縫進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究十分必要。

本文主要對如圖1所示矩形UHPC濕接縫進(jìn)行抗彎試驗(yàn)研究，并與完整梁進(jìn)行比較，通過分析矩形接縫受力過程、破壞形態(tài)及試驗(yàn)結(jié)果，確定矩形UHPC濕接縫構(gòu)造的受力機(jī)理及受力性能，并建議了矩形UHPC接縫構(gòu)造的承載力計(jì)算公式。

圖1 矩形UHPC濕接縫構(gòu)造Figure 1 Vertical UHPC wet joint constructions

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)

對提出的矩形UHPC接縫構(gòu)造進(jìn)行模型試驗(yàn)，共2個(gè)試件，分別為無接縫完整梁、矩形接縫梁，每個(gè)試件總長3.2 m，凈跨徑3 m，梁高30 cm，梁寬15 cm，考慮到試件制作誤差和試驗(yàn)時(shí)的安全性，梁兩端20 cm處加寬至35 cm；預(yù)制構(gòu)件及完整梁UHPC上下均配置3根HRB400C12鋼筋，鋼筋間距4.5 cm，凈保護(hù)層厚度2.4 cm，接縫處采用鋼筋搭接(不焊接)的形式進(jìn)行兩邊預(yù)制構(gòu)件鋼筋的連接,參考文獻(xiàn)[4],本試驗(yàn)鋼筋搭接長度均大于10 d。試件具體尺寸及配筋圖如圖2、圖3。

(a) 無接縫完整梁

(a) 接縫鋼筋搭接處橫斷面 (b) 預(yù)制構(gòu)件及完整梁橫斷面

1.2 試驗(yàn)梁分組

本次試驗(yàn)共2個(gè)試件，一個(gè)為完整梁試件，一個(gè)為矩形接縫構(gòu)造梁梁試件。試件分組編號見表1。

表1 試驗(yàn)梁分組編號Table 1 Grouping numbers of specimens序號編號接縫形式備注1O-1無接縫完整梁2O-2矩形接縫搭接鋼筋C12

預(yù)制構(gòu)件與矩形接縫材料均為同種UHPC材料，接縫試件分階段成型。UHPC實(shí)測抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈性模量見表2。

表2 UHPC材料性能Table 2 UHPC performance混凝土種類立方體抗壓強(qiáng)度/MPa棱柱體抗折強(qiáng)度/MPa彈性模量Ec/ (×104 MPa)UHPC139.517.948.1

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用兩點(diǎn)加載方案，剪跨比大于3，模型均采用簡支支撐，為了保證模型水平方向自由移動(dòng)，在模型的一端和分配梁的一端使用滾軸支撐。梁的純彎段均為1 m，在梁的純彎段內(nèi)3個(gè)截面上分別布置測線，在支座位置布置有千分表，沿梁長方向布置有3個(gè)百分表以觀察梁的撓度變形。試驗(yàn)過程中，應(yīng)變數(shù)據(jù)采用江蘇東華測試技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的DH3816N靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采集。加載裝置為50 t油壓千斤頂，荷載由壓力傳感器測量。裂縫寬度采用智能裂縫寬度觀測儀量測，精度為0.01 mm。現(xiàn)場試驗(yàn)裝置如圖4所示，試驗(yàn)加載方案如圖5所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)加載裝置Figure 4 Set-up of test model and load

圖5 實(shí)驗(yàn)加載及量測方案(單位：cm)Figure 5 Loading scheme of test beams(Unit：cm)

1.4 試件制作

接縫梁預(yù)制構(gòu)件與完整梁澆筑后靜停2 d，拆模后進(jìn)行90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)48 h，接縫梁預(yù)制構(gòu)件在接縫接合面處進(jìn)行簡單鑿毛后進(jìn)行對拼并搭接鋼筋，隨后澆注接縫處UHPC，同預(yù)制構(gòu)件和完整梁UHPC養(yǎng)護(hù)一樣，接縫處UHPC澆筑后靜停2 d，隨后拆模并進(jìn)行90 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)48 h，自然降溫至常溫后進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試件荷載-位移曲線

各試件荷載位移曲線如圖6所示，各試件試驗(yàn)值見表3。從圖6中可看出各試驗(yàn)梁的加載過程，O-1完整梁與O-2矩形接縫梁有明顯區(qū)別。

圖6 荷載-跨中位移曲線Figure 6 Load-mid-span deflection curves

對于O-1完整梁，其加載過程可分為4個(gè)階段，即彈性階段、裂縫發(fā)展階段、屈服強(qiáng)化階段、破壞階段。在彈性階段荷載位移曲線呈現(xiàn)直線段，接著進(jìn)入彈塑性狀態(tài)，試驗(yàn)梁出現(xiàn)裂縫，剛度發(fā)生變化，隨著荷載的增加，梁體發(fā)生密集開裂，裂縫寬度和長度不斷擴(kuò)展，直至鋼筋屈服，結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服強(qiáng)化階段，荷載稍有提升，此時(shí)梁的剛度有所減少，可聽到鋼纖維拔出的“咔咔”聲，接著迅速進(jìn)入破壞階段，此時(shí)荷載突然降低，不斷發(fā)出鋼纖維拔出的“咔咔”聲，停止加載后任能聽到“咔咔”聲，且荷載自動(dòng)降低，繼續(xù)加載，荷載仍然降低，此時(shí)視為結(jié)構(gòu)破壞。

對于O-2矩形接縫梁，其加載過程也可分為彈性階段、裂縫發(fā)展階段、屈服強(qiáng)化階段、破壞階段4個(gè)階段。在彈性階段荷載位移曲線呈現(xiàn)直線段，接著進(jìn)入裂縫發(fā)展階段，此時(shí)試驗(yàn)梁接縫接合面處出現(xiàn)裂縫，剛度稍有改變，隨著荷載的增加，裂縫寬度和長度不斷擴(kuò)展，直至鋼筋屈服，結(jié)構(gòu)進(jìn)入屈服強(qiáng)化階段，此時(shí)梁的剛度已經(jīng)大幅折減，可觀察到截面受壓區(qū)不斷提升，當(dāng)荷載提升到一定程度后，荷載突然降低，試件上緣可見輕微壓碎，下搭接鋼筋部分有橫向裂縫，繼續(xù)加載，上緣壓碎面積增大，荷載仍然降低，此時(shí)視為結(jié)構(gòu)破壞。

表3 試件試驗(yàn)值Table 3 Result of performance test試件編號破壞荷載/kN初裂荷載/kN屈服荷載/kNF0-iF0-1O-118053174.91O-2879.9610.48

2.2 試件名義應(yīng)力-裂縫寬度曲線

試件名義應(yīng)力-裂縫寬度曲線見圖7。

圖7中名義應(yīng)力代表實(shí)際跨中彎矩值與試件截面計(jì)算的名義應(yīng)力值，裂縫寬度指梁體最大裂縫寬度。

圖7 試件名義應(yīng)力-裂縫寬度曲線Figure 7 Nominal stress-crack width curves

從圖7中可見，O-1與O-2試件名義應(yīng)力-裂縫寬度曲線均大致呈線性關(guān)系。O-1完整梁開裂荷載與各裂縫寬度對應(yīng)名義應(yīng)力遠(yuǎn)高于O-2矩形接縫梁。

2.3 試件破壞形態(tài)

O-1號試驗(yàn)構(gòu)件最終破壞形態(tài)如圖8(a)所示，可以看到O-1試件破壞時(shí)有一條明顯的主裂縫和多條密集次裂縫，初裂縫與主裂縫為不同裂縫，構(gòu)件上緣未被壓碎，但下部鋼筋已經(jīng)屈服，且繼續(xù)加載，荷載不增反降，可觀察到構(gòu)件主裂縫下緣鋼纖維被拔出。

O-2號試件最終破壞形態(tài)如圖8(b)所示，其破壞形態(tài)類似普通混凝土破壞，可以看到初始裂縫在接縫接合面處，破壞時(shí)初始裂縫由下往上沿矩形接合面發(fā)展為主裂縫，構(gòu)件次裂縫少且細(xì)短。破壞時(shí)，構(gòu)件上緣有輕微壓碎現(xiàn)象，下部鋼筋屈服，主裂縫在下部鋼筋搭接位置發(fā)展有橫向裂縫。

(a) O-1梁最終破壞形態(tài)

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，可做出以下分析。

a.從試驗(yàn)綜合結(jié)果看，O-1號完整梁在承載力、抗裂性、剛度等受彎性能遠(yuǎn)優(yōu)于O-2矩形接縫梁。

b.O-1完整梁與O-2矩形接縫梁破壞形態(tài)及裂縫發(fā)展說明,對于UHPC結(jié)構(gòu)的受力，對于完整結(jié)構(gòu)，UHPC本身的抗拉強(qiáng)度作用不能忽略，但UHPC接縫由于鋼纖維的不連續(xù)，使接縫接合面處的UHPC抗拉強(qiáng)度極低，可忽略不計(jì)。

3 矩形接縫承載力

3.1 承載力計(jì)算思路

試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果表明，矩形接縫接合面處由于鋼纖維的不連續(xù)，使接縫接合面處UHPC抗拉強(qiáng)度極低，忽略不計(jì)，且矩形接縫初始裂縫發(fā)生在接合面下部，并沿接合面發(fā)展成主裂縫，因此，計(jì)算承載力時(shí)，應(yīng)選取接縫最弱截面(即初始裂縫處截面)，并忽略該截面處接合面部分的UHPC抗拉強(qiáng)度進(jìn)行接縫的承載力計(jì)算，即矩形接縫計(jì)算承載力時(shí)不考慮UHPC抗拉作用。

由于UHPC材料有超高的抗壓強(qiáng)度，因此計(jì)算時(shí)偏安全忽略截面上緣鋼筋。

3.2 基本假定

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采用了如下的基本假定。

a.UHPC接縫截面的平均應(yīng)變?nèi)詽M足平截面假定。

b.剪力作用對構(gòu)件的軸向和彎曲變形很小，可忽略不計(jì)。

c.忽略鋼筋和混凝土之間的相對滑移對截面的承載力影響。

3.3 材料特性

a.UHPC軸壓應(yīng)力-應(yīng)變近似關(guān)系：

σc=Ecmεc,0<εc<εc 0

(1)

σc=fc,εc 0<εc<εcu

(2)

其中,εc與σc為UHPC壓應(yīng)變及對應(yīng)的壓應(yīng)變；fc與εc 0為UHPC抗壓強(qiáng)度及對應(yīng)的壓應(yīng)變；εcu為UHPC極限壓應(yīng)變；Ecm代表UHPC彈性模量。

b.UHPC軸拉應(yīng)力-應(yīng)變近似關(guān)系：

σt=Ecmεt，0<εt<εt0

(3)

σt=ft，εt 0<εt<εtu

(4)

其中,εt與σt為UHPC拉應(yīng)變及對應(yīng)的拉應(yīng)變；ft與εt 0為UHPC抗拉強(qiáng)度及對應(yīng)的拉應(yīng)變；εtu為UHPC極限拉應(yīng)變。

c.鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變近似關(guān)系：

σs=Es≤fy

(5)

其中,σs代表鋼筋應(yīng)力；Es代表鋼筋彈性模量；fy代表鋼筋屈服應(yīng)力。

3.4 變形條件

UHPC矩形及菱形構(gòu)造接縫截面應(yīng)變及應(yīng)力分布見圖9。

圖9 截面應(yīng)變及應(yīng)力計(jì)算示意圖Figure 9 Sketch map of strain and stress calculation

為了簡化計(jì)算，將梁截面上的壓應(yīng)力曲線和拉應(yīng)力曲線均替換為等效的矩形應(yīng)力圖。

圖9中，xn代表受壓區(qū)高度;x代表等效受壓區(qū)高度；α代表壓應(yīng)力等效矩形系數(shù)；as代表下緣鋼筋中心到截面下緣距離；h代表截面高度；b代表截面寬度；h0代表截面有效高度；As代表下緣鋼筋面積。

3.5 承載力計(jì)算公式

本文承載力計(jì)算中簡化計(jì)算將梁截面上的壓應(yīng)力曲線替換為等效的矩形應(yīng)力圖，參考文獻(xiàn)[5-7],推導(dǎo)等效矩形應(yīng)力系數(shù)，得到壓應(yīng)力等效矩形應(yīng)力系數(shù)α=0.964～0.912。對于本文，等效矩形系數(shù)α=0.92。

3.5.1矩形接縫承載力計(jì)算公式

根據(jù)圖9(a)的應(yīng)力-應(yīng)變示意圖，由平衡條件可得到矩形接縫承載力計(jì)算公式:

3.6 試驗(yàn)結(jié)果與公式計(jì)算值對比

采用上述公式計(jì)算試驗(yàn)矩形接縫梁與菱形接縫梁承載力，公式各參數(shù)取試驗(yàn)實(shí)測值，fc取實(shí)測值139.5 MPa，ft取實(shí)測值7 MPa，fy取實(shí)測值480 MPa；計(jì)算值與試驗(yàn)值對比見表4。

表4 試驗(yàn)值與計(jì)算值對比Table 4 Comparison of test and calculation接縫形態(tài)計(jì)算值/(kN·m)試驗(yàn)值/(kN·m)計(jì)算值試驗(yàn)值矩形86.5870.99

表4可見，本文承載力計(jì)算公式計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。

4 結(jié)論

通過對矩形接縫構(gòu)造進(jìn)行試驗(yàn)研究，并與完整梁進(jìn)行對比，分析得出以下結(jié)論：

a.矩形接縫構(gòu)造綜合受彎性能遠(yuǎn)低于完整梁；

b.矩形接縫接合面由于鋼纖維的不連續(xù)，其抗拉強(qiáng)度極低，可忽略不計(jì)；

c.建議采用式(6)、式(7)聯(lián)立計(jì)算得到矩形接縫承載力。