賈依楠,曾田勝,胡美韻,晏班夫

(1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2.廣東高恩高速公路有限公司，廣東 開平 529000)

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)，在工程中得到了廣泛應(yīng)用。但由于車輛超載、材料老化、接縫構(gòu)造劣化等原因，現(xiàn)有中小跨徑裝配式混凝土橋梁中濕接縫運(yùn)營(yíng)過(guò)程中普遍存在開裂、滲漏水、碎裂等病害，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。傳統(tǒng)中小跨徑橋型構(gòu)造已趨于成熟，其發(fā)展依賴于應(yīng)用新材料的新型結(jié)構(gòu)的開發(fā)。UHPC(超高性能混凝土)是一種以石英砂、石英粉等為細(xì)骨料，摻入硅灰等礦物摻合料、高效減水劑和鋼纖維，按最大密實(shí)理論設(shè)計(jì)級(jí)配而成的新型復(fù)合材料，具有超高的抗拉壓強(qiáng)度和超強(qiáng)的耐久性。將UHPC濕接縫取代普通混凝土濕接縫可望解決上述難題。

常用的UHPC接縫有干接縫或濕接縫形式，現(xiàn)有的研究主要關(guān)注普通混凝土的UHPC濕接縫及鋼-UHPC橋面板的濕接縫等方面，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]等探討了不同的UHPC-普通混凝土界面處理方式對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響，試驗(yàn)結(jié)果顯示，粗糙度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響不大，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)具不同接縫類型、預(yù)應(yīng)力、齒鍵深度等的UHPC接縫試件的抗剪性能研究表明，試件均受拉破壞，UHPC接縫承載能力、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承載力； VOO[5]等研究了不同齒鍵數(shù)量及側(cè)向應(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，在峰值荷載下試件發(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。張陽(yáng)[6]等對(duì)用鋼板和螺栓連接的有齒鍵UHPC梁抗彎性能試驗(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2種破壞模式；杜任遠(yuǎn)[7]等進(jìn)行了體外預(yù)應(yīng)力RPC箱梁的受彎性能試驗(yàn)研究，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)力可明顯提高接縫梁的開裂彎矩、增加構(gòu)件延性。

本文主要對(duì)UHPC帶T形條帶菱形接縫梁進(jìn)行抗彎性能研究，分別對(duì)該結(jié)構(gòu)接縫有腰筋梁、無(wú)腰筋梁和完整梁進(jìn)行抗彎模型試驗(yàn)，分析比較其受彎性能，并且給出了完整梁、有腰筋、無(wú)腰筋UHPC帶T形條帶菱形接縫梁的抗彎承載力建議公式。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究帶T形條帶UHPC菱形接縫梁的受力性能，設(shè)計(jì)了2個(gè)接縫梁試件和1個(gè)完整梁試件；通過(guò)對(duì)其加載后的變形、應(yīng)變及裂縫發(fā)展分布情況的觀測(cè)和記錄，研究接縫梁的抗彎性能及破壞機(jī)理。

1.1 試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)制作

3片試驗(yàn)梁分別為有縱向腰筋UHPC帶T形條帶菱形接縫梁(B-1)、無(wú)縱向腰筋UHPC帶T形條帶菱形接縫梁(B-2)和無(wú)縱向腹筋完整梁(B-3)，試件設(shè)計(jì)如表1所示。試件總長(zhǎng)均為5.2 m，計(jì)算跨徑5.0 m，梁高0.5 m，梁寬0.15 m，梁兩端0.2 m處加寬至0.55 m，兩節(jié)段間縱向間距最小為15 cm；接縫設(shè)計(jì)參考文獻(xiàn)[8-9]，齒鍵高度為35 cm(不包括上下條帶厚度)，縱向深度設(shè)為10 cm，最深處垂直段高度為7 cm，接縫上下斜邊高度均為10 cm，上下垂直段高度為4 cm；T型UHPC條帶厚度為7.5 cm，縱向?qū)挾葹?.5 m，其中兩預(yù)制塊條帶部分均為17.5 cm，中間連接段間距為15 cm。

表1 試驗(yàn)梁設(shè)計(jì)Table 1 Specimens numbers編號(hào)接縫形式B-1有縱向腰筋UHPC帶T形條帶菱形接縫B-2無(wú)縱向腰筋UHPC帶T形條帶菱形接縫B-3無(wú)縱向腹筋、無(wú)接縫完整梁

試驗(yàn)梁采用UHPC 150預(yù)混料，其中鋼纖維采用圓直型鋼纖維，長(zhǎng)度為13 mm，直徑為0.2 mm，體積摻量為2.0%。梁底配有4根HRB400鋼筋，直徑16 mm，鋼筋中心間距3.5 cm，凈保護(hù)層厚度2.2 cm，接縫處采用焊接的形式進(jìn)行搭接鋼筋與兩邊預(yù)留鋼筋的連接，鋼筋搭接長(zhǎng)度均大于10 d。試驗(yàn)梁細(xì)部尺寸及配筋如圖1所示。

(a) B-1梁

完整梁一次澆筑成型，接縫梁則分為兩階段成型。接縫梁預(yù)制部分與完整梁澆筑后靜停2 d，隨后90 ℃～100 ℃蒸汽養(yǎng)護(hù)48 h以上，之后則緩慢降至室溫；預(yù)制構(gòu)件在接縫結(jié)合面處進(jìn)行簡(jiǎn)單鑿毛濕潤(rùn)后進(jìn)行對(duì)接并搭接鋼筋，接著澆筑接縫處UHPC，養(yǎng)護(hù)方式與前相同。

分別按照相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的尺寸及數(shù)量制作UHPC試件，試件養(yǎng)護(hù)方式與試驗(yàn)梁完全一致。之后進(jìn)行抗壓、抗折和彈性模量等材性試驗(yàn)，UHPC的材性試驗(yàn)結(jié)果如下：材料種類為UHPC150，立方體抗壓強(qiáng)度152.6 MPa,換算抗拉強(qiáng)度8.1 MPa,彈性模量Ec為45.8 GPa，鋼筋的材性試驗(yàn)結(jié)果如下：種類為HRB400，屈服強(qiáng)度為432.6 MPa,彈性模量為200 GPa,延伸率為23.5%。

1.2 加載方案

試驗(yàn)梁模型兩端為簡(jiǎn)支支承。試驗(yàn)梁的純彎段均為1.5 m，剪跨比均大于3。試驗(yàn)加載及量測(cè)方案如圖2所示，采用4點(diǎn)加載方式，千斤頂加載力大小通過(guò)振弦式壓力傳感器進(jìn)行測(cè)試，為了測(cè)試試驗(yàn)梁純彎段的應(yīng)變變化，在純彎段內(nèi)設(shè)置5條測(cè)線，每條測(cè)線上設(shè)置5片應(yīng)變片。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)測(cè)量試驗(yàn)梁撓度隨荷載的變化。應(yīng)變數(shù)據(jù)由靜態(tài)應(yīng)變儀采集，測(cè)試精度為1個(gè)微應(yīng)變?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)置如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)加載及量測(cè)方案(單位：cm)Figure 2 Loading scheme of the test beam(Unit:cm)

圖3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)加載裝置Figure 3 Set-up of the test beam

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試件破壞形態(tài)

試件的裂縫分布圖如圖4所示?？梢钥闯?，B-1梁主裂縫位于跨中，此外還有沿著接縫界面發(fā)展的界面裂縫和純彎段密集的次裂縫，之后跨中受拉鋼筋屈服，UHPC上緣被壓碎。B-2梁裂縫首先發(fā)端于接縫界面與T型條帶相接處，之后接縫界面裂縫向下發(fā)展至跨中成為主裂縫，且沿接縫斜面向上發(fā)展，純彎段有多條短細(xì)的次裂縫，之后受拉鋼筋屈服，UHPC上緣被壓碎，主裂縫處僅有少量鋼纖維被拔出。B-3梁為無(wú)縱向腹筋完整梁，主裂縫也位于跨中，純彎段有多條短細(xì)的次裂縫，破壞模式表現(xiàn)為跨中受拉鋼筋屈服，UHPC上緣起皮壓碎。

(a) B-1梁破壞狀態(tài)裂縫分布圖

2.2 試件荷載-位移曲線

各試驗(yàn)梁的荷載-位移曲線如圖5所示。試驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?所示，可以看出，B-1的開裂荷載和極限荷載略小于B-3，但由于B-1設(shè)置了縱向腹筋，其延性好于B-3。

圖5 試驗(yàn)梁的荷載-撓度曲線Figure 5 Load-displacement curves of test beams

表2 試驗(yàn)梁結(jié)果匯總Table 2 Results of test beams編號(hào)破壞荷載/kN初裂荷載/kN破壞荷載之比破壞撓度/mmB-1256.247.90.9052.121B-2197.448.40.6914.272B-3286.187.6123.884

試件的荷載-位移曲線可分為4個(gè)階段：① 彈性階段。試驗(yàn)梁尚未出現(xiàn)裂縫，曲線線性增加。② 裂縫發(fā)展階段。當(dāng)加載至極限荷載的0.19～0.30倍時(shí)，試件產(chǎn)生初裂縫，曲線斜率開始減小，即隨著裂縫的發(fā)展，試件抗彎剛度逐漸降低。接縫梁由于接縫的存在，首先在接縫條帶界面處出現(xiàn)第一條裂縫，初裂荷載較小。完整梁的剛度較接縫梁大，兩接縫梁的剛度相近。③ 屈服階段。當(dāng)接縫梁B-1加載至227.0 kN時(shí)，跨中受拉縱筋開始屈服，主裂縫迅速向上延伸，寬度快速增加；當(dāng)接縫梁B-2加載到接近197.4 kN時(shí)，底部受拉縱筋屈服，由于沒(méi)有縱向腰筋，主裂縫寬度快速增加，屈服階段很短；當(dāng)完整梁B-3加載到280.5 kN時(shí)，跨中底部縱筋開始屈服。④ 破壞階段。繼續(xù)加載，各試驗(yàn)梁荷載無(wú)法增加，撓度變化很快，伴隨鋼纖維不斷被拔出的“咔咔”聲，受壓區(qū)突然被壓碎，并向外崩出碎片，試件破壞。B-1的破壞荷載為256.2 kN，B-2的破壞荷載為197.4 kN，B-3的破壞荷載為286.1 kN，B-1和B-3屬于典型受彎梁彎曲破壞，B-2屬于受彎梁接縫界面發(fā)生錯(cuò)位拉裂破壞。

B-1～B-3梁出現(xiàn)0.05 mm裂縫時(shí)的名義應(yīng)力分別為14.0、13.1、20.8 MPa，可以看出完整梁名義應(yīng)力明顯高于接縫梁，主要原因是接縫梁界面鋼纖維不連續(xù)，界面粘結(jié)剛度小，層間開裂錯(cuò)位導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的名義應(yīng)力比完整梁小至少30%，但由于初裂主要發(fā)生在T型條帶下緣，有無(wú)縱向腰筋對(duì)接縫梁初裂裂縫的開展影響較小，對(duì)應(yīng)名義應(yīng)力接近。

2.3 試件荷載-應(yīng)變關(guān)系

本文選擇各試件的跨中測(cè)線應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，荷載-跨中應(yīng)變關(guān)系如圖6所示。由于部分應(yīng)變片穿過(guò)開裂裂縫被破壞，所以部分?jǐn)?shù)據(jù)缺失。由圖6可知，在初裂之前，試驗(yàn)梁的截面應(yīng)變基本為直線，上部受壓區(qū)為壓應(yīng)變，下部受拉區(qū)為拉應(yīng)變，基本符合平截面假定，但初裂后，應(yīng)變值發(fā)生突變。

(a) B-1梁

3 試驗(yàn)梁的抗彎承載力計(jì)算

3.1 承載力計(jì)算思路

對(duì)于UHPC結(jié)構(gòu)的抗彎承載力計(jì)算，國(guó)內(nèi)外均有研究[11-12]，UHPC承載力計(jì)算與普通混凝土承載力計(jì)算最大的區(qū)別在于UHPC結(jié)構(gòu)一般不能忽略受拉區(qū)UHPC對(duì)抗拉強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。故完整梁的抗彎承載力為：

(1)

其中，x代表等效受壓區(qū)高度；as代表受拉鋼筋中心至下邊緣距離；h代表試件高度；b代表試件寬度；h0代表試件有效高度；As代表受拉鋼筋面積；ft代表UHPC抗拉強(qiáng)度；fc代表UHPC抗壓強(qiáng)度；fs代表鋼筋屈服強(qiáng)度。

對(duì)于UHPC接縫結(jié)構(gòu)，由于接縫界面處的鋼纖維不連續(xù)，不能充分利用UHPC的抗拉能力，本文旨在根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出兩種破壞模式，以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)UHPC帶T形條帶菱形接縫梁的極限抗彎承載力。無(wú)腰筋UHPC帶T形條帶菱形接縫梁的主裂縫沿接縫界面發(fā)展至跨中底部，故只考慮UHPC條帶處的抗拉貢獻(xiàn)。有腰筋UHPC帶T形條帶菱形接縫梁的接縫界面由于設(shè)置了縱向腰筋，連接性能較好，UHPC間層間錯(cuò)位及裂縫開展被抑制，且主裂縫發(fā)生在非接縫處，破壞時(shí)，底部縱筋屈服，且受拉區(qū)UHPC達(dá)到其抗拉強(qiáng)度。

3.2 基本假定

a.UHPC接縫界面處的應(yīng)變符合平截面假定。

b.忽略剪力作用對(duì)構(gòu)件的軸向和彎曲變形的影響。

c.不考慮鋼筋和混凝土之間的相對(duì)滑移對(duì)截面極限承載力的影響。

3.3 承載力計(jì)算公式

(a) 無(wú)腰筋UHPC帶T形條帶菱形接縫梁

根據(jù)圖7所示計(jì)算示意圖，由平衡條件可得到UHPC帶T形條帶菱形接縫梁的承載力計(jì)算公式。

無(wú)腰筋UHPC帶T形條帶菱形接縫梁的抗彎承載力如下：

(2)

有腰筋UHPC帶T形條帶菱形接縫梁的抗彎承載力如下：

(3)

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，將UHPC的壓應(yīng)力圖等效替換為矩形，取等效系數(shù)α=0.92。

3.4 對(duì)比分析

用上述公式計(jì)算試驗(yàn)梁的承載力，公式中各參數(shù)取試驗(yàn)實(shí)測(cè)值，fc取實(shí)測(cè)值152.6 MPa，ft取實(shí)測(cè)值8.1 MPa，fS取實(shí)測(cè)值432.6 MPa；計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 抗彎承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值對(duì)比Table 3 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)值完整梁213.8286.10.75無(wú)腰筋帶T形條帶菱形接縫155.4197.40.79有腰筋帶T形條帶菱形接縫252.5256.20.99

由表3可知，可選用文獻(xiàn)[12]的方法預(yù)測(cè)完整梁的抗彎承載力，本文提出的計(jì)算公式可分別預(yù)測(cè)有、無(wú)腰筋UHPC帶T形條帶菱形接縫梁的抗彎承載力。

4 結(jié)論

本文根據(jù)模型試驗(yàn)及理論計(jì)算分析結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

a.從破壞形態(tài)可看出，B-1、B-3的主裂縫均位于跨中，破壞模式為跨中底部受拉鋼筋屈服、UHPC上緣被壓碎的典型彎曲破壞，主裂縫處均有大量鋼纖維被拔出；B-2的主裂縫由接縫界面裂縫向下發(fā)展至跨中T型條帶，主裂縫處僅有少量鋼纖維被拔出，破壞模式表現(xiàn)為受彎梁接縫界面的錯(cuò)位拉裂及T型條帶的鋼筋屈服與UHPC拉裂破壞。

b.B-1、B-2接縫梁與B-3完整梁相比，B-3梁的抗彎承載力和開裂荷載均較大，B-2的延性最小，B-1梁由于設(shè)置了縱向腰筋，其延性甚至要大于B-3完整梁。

c.完整梁的抗彎承載力可采用文獻(xiàn)[12]的建議方法進(jìn)行預(yù)測(cè)，UHPC帶T形條帶菱形接縫梁的抗彎承載力可以采用本文建議的有、無(wú)腰筋抗彎承載力計(jì)算公式進(jìn)行預(yù)測(cè)。