装配式UHPC桥梁湿接缝模型试验及受弯性能研究

姚志立，晏班夫

(1.湖南省交通水利建设集团有限公司，湖南 长沙 410004; 2.湖南大学，湖南 长沙 410082)

0 引言

装配式混凝土桥梁由于其施工便捷、环境干扰小、工程质量较高等优点在桥梁中得到了广泛应用，是桥梁建设行业的主要发展趋势。但是由于车辆超载、材料老化、局部构造等原因，预应力混凝土T梁及空心板湿接缝在运营过程中出现的开裂、渗漏水、碎裂等病害在中小跨径桥梁中普遍存在，影响结构耐久性，降低行车的安全性及舒适性，采用常规的方法进行维修加固很难彻底根治。而且目前传统中小跨径桥型结构已经趋于成熟，其发展依赖于新材料的应用及新型结构的开发。UHPC是一种内部致密，没有普通混凝土传统意义上粗骨料的新型混凝土，具超高抗压强度、极佳抗拉性能和良好的耐久性。利用UHPC的突出优点，将UHPC湿接缝取代常规混凝土湿接缝可望解决这一难题。

现有的UHPC接缝多采取干接缝或湿接缝形式，研究主要集中在普通混凝土构件UHPC湿接缝及钢-UHPC组合桥面板湿接缝等方面，连接预制UHPC节段的UHPC湿接缝的研究相对较少。学者CARBONELL[1]等研究了UHPC-普通强度混凝土界面采用不同处理方式对接缝粘结强度的影响，试验结果表明，UHPC-普通强度混凝土界面的粘结强度与粗糙度关系不大，而与普通混凝土表面湿度关系较大，且表面作切槽处理可以提高粘结强度；LEE[2-4]等对不同接缝类型、预应力、齿键深度等的UHPC接缝梁的抗剪性能进行试验研究，结果表明不同接缝类型的试件均发生受拉破坏，UHPC接缝的承载能力与变形能力与普通混凝土接缝相比均有显著提高，而且加大齿键深度可明显提高接缝的承载力；VOO[5]等研究了不同齿键数量及预应力对UHPC接缝抗剪性能的影响，研究表明，试件在开裂前接缝的滑移较小，开裂后刚度下降较少，在荷载达到峰值后试件发生直剪破坏，UHPC接缝的摩擦系数随着预应力的增加而减小等。国内，张阳[6]等对用钢板和螺栓连接的有齿键UHPC梁的抗弯性能开展了研究，试验表明，采用该构造可提高接缝梁的抗弯能力，不同的梁底配筋可导致接缝梁刚度突变处抗弯破坏或接缝齿键破坏两种破坏模式，而且UHPC的徐变会使螺栓预紧力减小；杜任远[7]等对施加体外预应力的RPC箱梁受弯性能进行试验研宄，结果表明接缝梁的开裂弯矩、开裂应变明显大于普通混凝土接缝梁，体外预应力也明显提高了接缝梁的开裂弯矩、增加了构件的延性。

本文主要对连接预制UHPC梁段的UHPC湿接缝结构进行优化设计研究，提出了如图1所示的(a)直接缝、(b)菱形接缝、(c)上下条带接缝、(d)上下条带菱形接缝4种UHPC接缝构造。对上述4种接缝构造进行抗弯试验研究，比较各接缝梁与完整梁的受弯性能，选出最优构造，并且给出了UHPC湿接缝梁的抗弯承载力建议公式。

图1 UHPC湿接缝构造

1 试验梁设计

1.1 模型设计

对提出的4种UHPC接缝构造进行模型试验，共设计6个试件，分别为无接缝完整梁、直接缝梁、菱形接缝梁、上下条带接缝梁、未焊接的上下条带菱形接缝梁、焊接的上下条带菱形接缝梁。每个试件总长3.2 m，计算跨径3 m，梁高0.3 m，梁宽0.15 m，梁两端0.2 m处加宽至0.35 m；直接缝梁和菱形接缝梁的接缝宽度为0.3 m，上下条带接缝梁和上下条带菱形接缝梁的接缝宽度为0.15 m，两侧条带长度分别为0.15 m[8]。

试验梁采用UHPC150预拌料，其中钢纤维采用圆直型钢纤维，纤维长13 mm，直径为0.2 mm，体积掺量为2.0%。试验梁上下均配置3根直径12 mm的HRB400钢筋，钢筋间距4.5 cm，净保护层厚度2.4 cm，接缝处采用钢筋绑扎或焊接的形式进行两边预制构件钢筋的连接，钢筋搭接长度均大于10 d。试验梁细部尺寸及配筋见图2[9-11]。试件分组编号见表1。

接缝试件分两阶段成型。试验梁预制部分与完整梁浇筑后静停2 d，随后90～100 ℃蒸养48 h，然后缓慢降至室温，预制构件在接缝结合处进行简单凿毛后进行对接并搭接钢筋，接着浇筑接缝处UHPC，养护方式与之前相同。

材性试验中[12-14]，抗压、抗折和弹性模量试件分别按照标准尺寸制作试件，其养护方式与试验梁一致。试验得到的UHPC、钢筋材料特性数据见表2、表3。

图2 试验构件尺寸(单位：cm)

表1 试验梁参数Table1 Parametersoftestbeams编号接缝形式箍筋间距/mm抗剪直筋搭接钢筋O-1无接缝150无绑扎O-2直接缝150无绑扎O-3菱形接缝150无绑扎O-4上下条带接缝150有绑扎O-5上下条带菱形接缝150有绑扎O-6上下条带菱形接缝150有焊接

表2 UHPC材料性能Table2 MechanicalperformanceofUHPC种类立方体抗压强度/MPa换算抗拉强度/MPa弹性模量/MPaUHPC139.56.69179000

1.2 试验方案

本试验用4点加载，荷载由振弦式测力计测量，试验梁两边为简支支承。试验梁的纯弯段均为1 m，剪跨比均大于3。为了了解试验梁纯弯段的应变变化，在纯弯段内设置3条测线，每条测线上设置5片应变片。为了观测试验梁挠度随荷载的变化，在两端支座处以及沿梁长方向共设置5个位移计。试验过程中，应变数据采用静态应变仪采集，精度为1个微应变。采用精度为0.01 mm的裂缝观测仪测试裂缝宽度。试验加载方案如图3所示，现场实验如图4所示。

表3 钢筋材料性能Table3 Mechanicalperformanceofreinforcement种类屈服强度/MPa极限强度/MPa弹性模量/GPa钢筋482.6586.3200

图3 实验加载及量测方案(单位：mm)

图4 现场实验加载装置

2 试验结果及分析

2.1 试件裂缝发展及破坏形态

各试件破坏形态如图5所示。试件由于接缝构造不同，破坏形态有一定的差异，汇总表见表4。O-1说明UHPC材料的抗拉性能在结构受力中发挥着重要作用；O-2和O-3说明直构造和菱形构造接缝处钢纤维不连续，这导致接缝处UHPC不参与抗拉作用；O-4和O-5说明条带接缝构造使下缘条带部分UHPC参与了承载，最后由试验梁底面多条横向裂缝可知，由于条带厚度较薄，净保护层厚度较小，预留钢筋与搭接钢筋脱粘造成该处UHPC碎裂，起不到传递钢筋受力的作用，连接钢筋退出工作；O-6采用搭接钢筋与预留钢筋焊接，焊接部分的钢筋承载力大大增强，未发生脱粘，最终接缝界面处伸出的单排钢筋受拉屈服，界面处UHPC裂缝快速发展，成为主裂缝，尽管极限承载能力提高不大，但具有上下条带菱形接缝构造的延性有一定提高。

图5 O-1～O-6梁最终破坏形态

2.2 试件荷载-位移曲线

各试件荷载位移曲线如图6所示。

O-1试验梁的加载过程可分为线弹性段、裂缝扩展段、屈服强化段、破坏段。第1个阶段，曲线斜率不变；53 kN时出现初裂缝，进入第2个阶段，刚度发生变化，随着荷载的增加，O-1梁发生密集开裂；随后主裂缝发展较快，受拉钢筋屈服，刚度变化较明显但仍然较大，结构进入第3个阶段；荷载提升到180 kN后，荷载突然降低，停止加载仍能听到钢钎维被拔出声，且加载力不断自动减小，结构破坏。

表4 试件破坏形态Table4 Thefinalfailuremodes试件初裂荷载/kN预制部分初裂荷载/kN破坏荷载Fi/kNFi/F1破坏形态O-1—531801 一条明显的纯弯段主裂缝和多条密集次裂缝;下部钢筋屈服,上缘未被压碎,主裂缝下缘大量钢纤维拔出O-29.944.2870.48主裂缝即初始裂缝在接缝界面出现,次裂缝少且细短;下部钢筋屈服,上缘有轻微压碎现象,主裂缝处拔出少量钢纤维O-31056.31110.62O-3破坏形态与O-2类似O-410.156.11160.64主裂缝由接缝中部延伸至梁底,初始裂缝在条带结合面,有一定数量的次裂缝;上缘无压碎现象,主裂缝下部有大量被拔出钢纤维,接缝中部拔出少量钢纤维,底部搭接钢筋与预留钢筋脱粘失效O-510.346.21130.63O-5破坏形态与O-4类似O-612.246.3118.60.66主裂缝由条带结合面向上延伸,最终与接缝界面处的裂缝连通,主裂缝即初始裂缝,有一定数量的次裂缝;上缘无压碎现象,主裂缝下部只有少量钢纤维被拔出,中部大量钢纤维被拔出,底部搭接钢筋与预留钢筋无脱粘现象,条带界面处的伸出钢筋受弯屈服

图6 荷载-跨中位移曲线

O-2试验梁可分为线弹性段、裂缝扩展段、屈服强化段、破坏段。第1个阶段，曲线斜率不变；9.9 kN时开始出现裂缝，进入第2个阶段，刚度稍有降低；到61 kN时，钢筋受弯屈服，结构进入第3个阶段，刚度大幅降低；当荷载提升到87 kN后，荷载突然降低，结构破坏。

O-3试验梁与O-2试验梁相似，可分为线弹性段、裂缝扩展段、屈服强化段、破坏段。第1个阶段，曲线斜率不变；10 kN时试验梁出现初始裂缝，进入第2个阶段，刚度稍有降低；86 kN时，钢筋受弯屈服，结构进入第3个阶段，刚度大幅降低；当荷载提升到111 kN后，荷载突然降低，结构破坏。

O-4试验梁可分为线弹性段、裂缝扩展段、屈服强化段、破坏段。第1个阶段，曲线斜率不变；10.1 kN时试验梁开始出现裂缝，进入第2个阶段，刚度稍有降低，到56.1 kN时，预制部分发现裂缝，试验梁刚度发生较大变化；到105 kN时，钢筋受弯屈服，结构进入第3个阶段，刚度大幅降低，继续加载，可听到钢纤维拔出声；当荷载提升到116 kN后，听到“砰”的一声巨响，荷载突然降低，结构破坏。

O-5试验梁可分为3个阶段，弹性阶段、裂缝发展阶段、破坏阶段。第1个阶段，曲线斜率不变；10.3 kN时试验梁开始出现裂缝，进入第2个阶段，刚度稍有降低；当荷载到113 kN后，听到“砰”的一声巨响，荷载突然降低，结构破坏，此时由于纯弯段下缘条带UHPC断裂破坏，条带位置钢筋错位拔出。

O-6试验梁可分为线弹性段、裂缝扩展段、屈服强化段。第1个阶段，曲线斜率不变；12.2 kN时试验梁开始出现裂缝，进入第2个阶段，刚度稍有降低；当荷载到118.6 kN后，荷载无法继续增加，稍有降低，挠度继续增加，接缝界面处伸出的单排钢筋受弯屈服，结构进入第3个阶段，可观察到底部搭接钢筋与预留钢筋无脱粘现象，继续加载，结构挠度过大，视为结构破坏。

从图6和表4可知：①刚度上，O-1完整梁刚度最好，其次是O-6接缝梁、O-5接缝梁、O-4接缝梁、O-3接缝梁、O-2接缝梁、O-1接缝梁。②承载力上，O-1完整梁最好，其次是O-6接缝梁、O-4接缝梁、O-5接缝梁、O-3接缝梁、O-2接缝梁、O-1接缝梁。由于有接缝存在，O-2～O-6接缝梁开裂荷载均在10 kN左右，远低于O-1完整梁53 kN的开裂荷载。

2.3 应变

试验在截面高度0、300 mm位置处的应变片为底、顶面应变片，截面高度75、150、225 mm位置处应变片为侧面应变片。给出试验梁跨中应变数据如图7所示，对于部分测点，由于梁体开裂后或其他原因测点被破坏，所以只给出了部分结果。

各试件开裂前，截面应变基本符合平截面假定。由于接缝构造不同，各试件应变变化规律有所不同。

O-1号梁在应变片处开裂前，截面应变基本符合平截面假定，在应变片处开裂后，该截面应变片应变值发生突变。

O-2号梁在应变片处开裂前，截面应变基本符合平截面假定，接缝结合面开裂后，应变即发生突变。

图7 O-1～O-6号梁跨中荷载-应变图

续图7 O-1～O-6号梁跨中荷载-应变图

O-3号梁，截面应变变化规律与O-2号梁相近。

O-4号梁在截面条带结合面处开裂后，截面仍然符合平截面假定，当荷载增加至36 kN时，在接缝中间直构造处出现裂缝，O-4部分截面应变开始突变。

O-5号梁应变变化规律与O-4号梁变化规律类似。

O-6号梁在开裂前，截面应变基本符合平截面假定，但当加载到104 kN后，跨中应变数据变化较小，侧边应变数据产生突变。

2.4 名义应力-裂缝宽度曲线

试件名义应力-裂缝宽度曲线如图8所示。其中，名义应力指按实际跨中弯矩值计算的名义应力值，裂缝宽度指该荷载下梁体最大裂缝宽度。

图8 试件名义应力-裂缝宽度曲线

从图8可见，O-1号完整梁在抗裂性能上远高于O-2～O-6号接缝梁，O-2和O-3号接缝梁开裂名义应力在4 MPa左右，O-4～O-6号接缝梁开裂名义应力在6.5 MPa左右，说明接缝构造的不同会影响梁体的开裂性能，带条带的接缝开裂性能较好。在抗裂性能上，O-6号接缝梁抗裂性能最好，其次是O-5、O-4、O-3、O-2号梁。

3 结论

a.完整梁的极限抗弯承载力高于接缝梁。对于接缝梁，接缝结合处，新旧UHPC由于钢纤维不连续，界面处UHPC混凝土几乎没有抗拉作用，但对于带条带梁，条带上下界面的水平阻滞作用，使得接缝条带部分UHPC参与了结构承载，提高了接缝梁的刚度、抗裂及抗弯性能，其中又以接缝处钢筋焊接的上下条带菱形接缝梁结构抗弯性能及延性最好，其次是钢筋未焊接的上下条带菱形接缝、上下条带接缝、菱形接缝与直接缝梁。

b.完整梁的抗裂性能远远高于接缝梁，带条带的接缝开裂性能较好，说明接缝构造的不同会影响梁体的开裂性能。钢筋焊接的上下条带菱形接缝梁抗裂性能最好，其次是上下条带接缝、未焊接的上下条带菱形接缝、菱形接缝、直接缝梁。

c.接缝梁中，结合破坏形态来看，钢筋焊接的上下条带菱形接缝梁综合抗弯性能最好。上下条带菱形接缝梁也可适应结构抗剪的情形，实际工程中搭接钢筋与预留钢筋焊接，可提高上下条带菱形构造的延性。

得到抗弯、抗剪性能等同于现浇结构的UHPC接缝是最终目标。目前接缝梁与完整梁的抗弯性能仍有差距，本文也未对带菱形接缝结构的抗剪性能进行研究，接缝在局部构造上仍需进行继续改进。