李洞明

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市2000092]

1 概 述

目前隨著預(yù)制拼裝技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，小箱梁、空心板梁、T 梁、組合梁等預(yù)制主梁的橫向濕接縫常采用鋼筋交叉搭接的橋面板濕接縫形式，但是這種連接方式的計(jì)算方法有待完善，正常使用性能尚無試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。為此，通過考慮多種濕接縫形式，以鋼筋形狀、接縫材料、接縫寬度、鋼筋縱向間距布置、插銷鋼筋數(shù)量等構(gòu)造參數(shù)為變量，制作足尺模型進(jìn)行軸拉加載試驗(yàn)。通過試驗(yàn)探明不同澆筑材料中不同形狀鋼筋的錨固性能，揭示接縫破壞特征，為理論計(jì)算方法提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)提供參考。

2 發(fā)展趨勢(shì)和國內(nèi)外研究存在的問題

隨著橋梁預(yù)制拼裝技術(shù)的完善與推廣，預(yù)制主梁橫向接縫的承載力、耐久性和構(gòu)造優(yōu)化成為研究重點(diǎn)之一[1]。鋼筋交叉搭接的現(xiàn)澆混凝土接縫目前已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外裝配式小箱梁、空心板梁、T 梁、組合梁的橋面板連接中。盡管預(yù)制結(jié)構(gòu)濕接縫已得到廣泛應(yīng)用，但仍須解決幾個(gè)主要問題：

（1）目前U 型鋼筋、直鋼筋和彎鉤搭接長度尚無合適的計(jì)算方法，國內(nèi)外的研究多直接參照末端帶彎鉤的鋼筋搭接長度確定。文獻(xiàn)資料顯示，國內(nèi)外對(duì)幾種形狀鋼筋接縫承載能力的相關(guān)研究較少，主要計(jì)算方法可歸類為拉壓桿模型[2]、塑性功模型[3-4]、經(jīng)驗(yàn)回歸方法[5-6]三種，但相互間計(jì)算結(jié)果的吻合程度有待驗(yàn)證。

（2）對(duì)于型鋼筋、直鋼筋和彎鉤鋼筋接縫正常使用性能尚無試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。由于界面材料不均勻且強(qiáng)度較弱，接縫界面通?？刂茦?gòu)件的開裂特性。裂縫開展的影響因素較多，常規(guī)設(shè)計(jì)中相關(guān)設(shè)計(jì)缺乏理論驗(yàn)算和構(gòu)造對(duì)比的依據(jù)。

3 試驗(yàn)主要研究內(nèi)容

針對(duì)鋼筋現(xiàn)澆接縫的性能特點(diǎn)和以往研究的不足進(jìn)行系列模型試驗(yàn)，主要研究內(nèi)容為現(xiàn)澆不同澆筑材料接縫中不同形狀鋼筋的錨固性能和接縫受力性能。

4 試件參數(shù)選擇

關(guān)于鋼筋搭接的混凝土濕接縫，為保證接縫承載力與延性，判定受拉狀態(tài)下后澆混凝土破壞與接縫鋼筋屈服的界限是研究與設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。影響鋼筋接縫受力性能的因素很多，試驗(yàn)主要考慮了以下5 個(gè)因素：

（1）接縫鋼筋搭接長度（含帶彎鉤鋼筋或U 型鋼筋的曲線部分）。濕接縫寬度直接影響普通鋼筋強(qiáng)度錨固長度，既而決定其強(qiáng)度發(fā)揮。接縫設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減少現(xiàn)澆混凝土工作量，預(yù)留接縫內(nèi)足夠的工作空間。

（2）接縫橫向鋼筋縱向間距。預(yù)制構(gòu)件鋼筋初始間距、拼裝后兩側(cè)鋼筋縱向間距存在較大變異性，可能導(dǎo)致接縫受力機(jī)制和破壞模式發(fā)生變化。試驗(yàn)中采用幾種鋼筋縱向?qū)ζ撮g距予以模擬：同側(cè)鋼筋初始間距為20 cm，拼裝后兩側(cè)鋼筋縱向間距為10 cm+10 cm或5 cm+15 cm（鋼筋貼近）。

（3）接縫混凝土類型。接縫混凝土材性決定接縫內(nèi)應(yīng)力（重）分布特性，影響接縫混凝土抗裂性和混凝土破壞模式。本試驗(yàn)采用C60 混凝土（以下簡稱“C60NC”）、高性能C80 混凝土（以下簡稱“C80HPC”）、高性能C80 鋼纖維混凝土（以下簡稱“C80SFRC”）和超高性能混凝土（以下簡稱“UHPC”）4 種現(xiàn)澆混凝土類型。

（4）插銷鋼筋（即核心混凝土加強(qiáng)鋼筋）數(shù)量。鋼筋搭接區(qū)域內(nèi)核心混凝土柱的配筋率可能影響橫向鋼筋對(duì)混凝土的銷栓作用，改變接縫整體的受力性能。

（5）鋼筋形狀。鋼筋形狀直接影響鋼筋在接縫材料內(nèi)的受力性能。本試驗(yàn)采用的鋼筋形狀為90°彎鉤鋼筋、180°彎鉤鋼筋、直鋼筋、螺帽直鋼筋、U 型鋼筋和焊接直鋼筋。

5 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共分為5 個(gè)系列（46 只試件）：4 個(gè)參數(shù)化試件系列，1 個(gè)對(duì)比試件系列（見表1）。其中，參數(shù)化試件系列每個(gè)試件均有兩個(gè)，以減小個(gè)體試件的偶然誤差。系列一為C80SFRC 接縫，鋼筋帶180°彎鉤（共8 只）；系列二為UHPC 接縫，鋼筋帶90°彎鉤（共4 只）；系列三為UHPC 接縫，鋼筋無彎鉤（共12只）；系列四為C80HPC 接縫，鋼筋帶180°彎鉤（共12 只）；系列五為對(duì)比試件系列（共10 只）。橋面板鋼筋采用直徑20 mm 的HRB400 鋼筋，鋼筋外露長度（錨固長度）為濕接縫寬度S1 減30 mm，鋼筋搭接長度S2 為濕接縫寬度減60 mm，見圖1。插銷鋼筋采用4 根直徑16 mm 的HRB400 鋼筋。UHPC 28 d 壓強(qiáng)度不小于120 MPa，試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)采用《活性粉末混凝土》（GB/T 31387—2015）。

圖1 試件構(gòu)造鋼筋示意圖（單位：mm）

表1 試件參數(shù)

6 試驗(yàn)加載裝置

試驗(yàn)采用千斤頂分級(jí)頂升加載，加載系統(tǒng)見圖2。試件下側(cè)牛腿通過鋼橫梁和精軋螺紋鋼錨固于地槽中。兩相同規(guī)格的千斤頂通過同一個(gè)油泵輸出油壓，保證其力相等。

圖2 加載系統(tǒng)

7 試驗(yàn)結(jié)果與分析

7.1 試驗(yàn)結(jié)果

為了盡可能全面地分析試驗(yàn)結(jié)果，選取了對(duì)研究接縫試件靜力性能很重要的兩個(gè)參數(shù)：接縫開裂時(shí)的開裂荷載和試件最后破壞時(shí)的破壞荷載。由于界面材料不均勻、強(qiáng)度較弱，開裂荷載反映了接縫界面的開裂特性。達(dá)到破壞荷載時(shí)，接縫的破壞特征反映了鋼筋錨固性能和接縫受力性能。

試驗(yàn)結(jié)果，見表2。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

7.2 結(jié)果分析

（1）所有試件接縫界面首先開裂并貫穿。C80SFRC接縫開裂荷載較大，試件開裂時(shí)截面平均應(yīng)力與C60NC 抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度之比約為32.8%。UHPC 接縫開裂荷載較小，試件開裂時(shí)截面平均應(yīng)力與C60NC抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度之比約為26.5%。C80HPC 接縫開裂荷載較大，試件開裂時(shí)截面平均應(yīng)力與C60NC 抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度之比約為49%。

（2）NC-J1 試件在破壞時(shí)鋼筋拉斷，驗(yàn)證了其承載力能夠滿足工程需求，但其接縫寬度500 mm，現(xiàn)澆體量較大，且鋼筋需要焊接，工藝繁雜。

（3）工字型接縫能夠明顯提高接縫的抗裂性。

（4）對(duì)于采用C80HPC 材料的接縫，插銷鋼筋能夠顯著提升試件的承載力和延性。無插銷鋼筋時(shí)接縫最終破壞呈波浪形（兩側(cè)相鄰U 型鋼筋圓端頭連線）拉開，有插銷鋼筋時(shí)接縫破壞為混凝土整體碎裂，無插銷鋼筋接縫的破環(huán)荷載為有插銷鋼筋接縫的55%左右。根據(jù)無插銷鋼筋接縫對(duì)比試件試驗(yàn)結(jié)果，建議不同鋼筋形式的接縫均設(shè)置插銷鋼筋（即核心混凝土加強(qiáng)鋼筋）。

（5）接縫使用C80SFRC 材料時(shí)，180°彎鉤試件的承載力略大于U 型鋼筋試件。這可能是由于兩個(gè)180°彎鉤形成的U 型環(huán)橫向套箍作用更大，增大了核心混凝土的抗剪切能力。

（6）接縫采用C60NC 材料，即28 cm C60NC 接縫+U 型環(huán)鋼筋（NC-J2）時(shí)，同樣能夠使鋼筋屈服，但鋼筋屈服后，強(qiáng)度增長相對(duì)于其他材料接縫略小些。與之相比，180°彎鉤+C80HPC 的組合能夠較大提高接縫的承載力。

（7）使用UHPC 接縫材料的情況下，直鋼筋構(gòu)造的承載力＜90°彎鉤構(gòu)造的承載力＜螺帽直鋼筋構(gòu)造的承載力＜U 型鋼筋構(gòu)造的承載力。

（8）采用C80SFRC 材料的情況下，螺帽直鋼筋構(gòu)造的承載力小于180°彎鉤鋼筋構(gòu)造的承載力。

（9）在C80HPC 中加入鋼纖維的SFRC 能夠提高此類接縫構(gòu)造的承載力。

（10）在使用UHPC 材料的情況下，相比直鋼筋構(gòu)造，采用90°彎鉤鋼筋能夠提升試件的承載力。

（11）鋼筋縱向布置對(duì)接縫承載力的影響。系列一C80SFRC 接縫，鋼筋正位布置（10 cm+10 cm）試件的承載力比偏位布置（15 cm+5 cm）更大，平均大13%。系列三UHPC 接縫，鋼筋正位布置試件的承載力比偏位布置略大，平均大5%。系列四C80HPC 接縫，鋼筋正位布置與偏位布置的承載力沒有顯現(xiàn)出明顯相關(guān)趨勢(shì)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際工程中，鋼筋縱向按正位布置。

8 濕接縫系列化設(shè)計(jì)參數(shù)建議

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，并考慮施工因素，對(duì)橋面板鋼筋（HRB400）直徑d=20 mm 的濕接縫設(shè)計(jì)參數(shù)建議如下:

（1）對(duì)于系列一鋼筋帶180°彎鉤的C80SFRC 試件，接縫的承載力與鋼筋搭接長度呈正相關(guān)，同時(shí)正位布置試件的承載力比偏位布置更大，建議此類型構(gòu)造接縫寬度不小于300 mm（12.5d+50 mm），鋼筋搭接長度不小于250 mm（12.5d）。根據(jù)系列五對(duì)比試件5 的結(jié)果，采用C80SFRC 材料的U 型鋼筋接縫構(gòu)造的接縫寬度同樣建議不小于300 mm（12.5d+50 mm），鋼筋搭接長度不小于250 mm（12.5d）；對(duì)比試件9，即采用C80SFRC 材料的鋼筋+螺帽接縫構(gòu)造，接縫寬度也建議不小于300 mm（12.5d+50 mm），鋼筋搭接長度不小于250 mm（12.5d）。

（2）對(duì)于系列二鋼筋帶90°彎鉤的UHPC 試件，接縫的承載力與鋼筋搭接長度也呈正相關(guān)，同時(shí)正位布置試件的承載力也比偏位布置略大。建議此類型構(gòu)造的接縫寬度不小于250 mm（10d+50 mm）、鋼筋搭接長度不小于200 mm（10d）。

（3）對(duì)于系列三鋼筋無彎鉤的UHPC 試件，接縫承載力與鋼筋搭接長度同樣也呈正相關(guān)，同時(shí)正位布置的試件承載力同樣比偏位布置略大。建議此類型構(gòu)造的接縫寬度不小于250 mm（10d+50 mm），鋼筋搭接長度不小于200 mm（10d）。根據(jù)系列五對(duì)比試件8 結(jié)果，采用UHPC 材料的U 型鋼筋接縫構(gòu)造的接縫寬度建議不小于200 mm（7.5d+50 mm），鋼筋搭接長度不小于150 mm（7.5d）；對(duì)比試件10，即采用UHPC 材料的鋼筋+ 螺帽接縫構(gòu)造，接縫寬度也建議不小于200 mm（7.5d+50 mm），鋼筋搭接長度不小于150 mm（7.5d）。

（4）對(duì)于系列四鋼筋帶180°彎鉤的C80HPC 試件，接縫的承載力與鋼筋搭接長度一樣呈正相關(guān)，接縫的承載力與鋼筋縱向布置無明顯相關(guān)性。建議此類型構(gòu)造接縫寬度不小于300 mm（12.5d+50 mm），鋼筋搭接長度不小于250 mm（12.5d）。根據(jù)系列五對(duì)比試件6 結(jié)果，采用C80HPC 材料的U 型鋼筋接縫構(gòu)造的接縫寬度建議不小于300 mm（12.5d+50 mm），鋼筋搭接長度不小于250 mm（12.5d）。

（5）根據(jù)系列五對(duì)比試件7 結(jié)果，采用C60NC、U 型鋼筋構(gòu)造的接縫也能夠滿足屈服條件，相比其他材料混凝土，建議接縫寬度大于300 mm（12.5d+50 mm）、鋼筋搭接長度大于250 mm（12.5d）。

9 結(jié) 語

通過濕接縫軸拉試驗(yàn)研究了不同縫寬、鋼筋.式、接縫材料組合下橋面板濕接縫的性能，探明了不同澆筑材料中不同形狀鋼筋的錨固性能，揭示了接縫破壞特征，為理論計(jì)算方法提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并提出了系列化設(shè)計(jì)參數(shù)，為設(shè)計(jì)提供參考，保證了濕接縫的安全性和耐久性，促進(jìn)了橋梁預(yù)制拼裝技術(shù)的發(fā)展。