节段拼装预应力UHPC-RC组合箱梁受弯性能试验

陈昭晖， 郭芳枝， 苏家战， 黄卿维， 陈宝春， 肖泽荣， 林志滔

(1. 福州大学土木工程学院， 福建 福州 350108； 2. 福州市规划勘测设计研究总院， 福建 福州 350108)

0 引言

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete， UHPC)具有高抗压、 抗拉强度, 高韧性及优异耐久性能[1-5]， 是装配式高性能桥梁结构的首选材料之一， 在国内外桥梁工程领域被广泛关注并开始应用[6]. 由于UHPC材料制备技术要求较高、 早期收缩较大[7]等特点， 在桥梁工程中的应用以预制为主[8-9]， 这也符合现代桥梁建筑工业化的趋势且和我国装配式结构的发展方向一致. 近年来， 国内外已建和在建的UHPC箱梁桥， 普遍取消横隔板， 采用工厂节段预制薄壁UHPC梁段， 现场通过预应力索将预制UHPC节段梁张拉成桥[10-13]. 为解决UHPC箱梁桥结构减薄后刚度降低的弱点以及保证经济性， 桥面板采用普通钢筋混凝土(reinforced concrete， RC)， 形成预应力UHPC-RC组合箱梁桥， 具有合理发挥材料受力性能、 运输施工方便、 经济性好等特点， 其应用前景良好.

本研究开展节段拼装预应力UHPC-RC组合箱梁受弯性能试验研究， 组合箱梁采用UHPC U型梁预制节段拼装及后现浇RC桥面板的施工工艺. 通过分析组合箱梁的破坏特征、 荷载-挠度曲线、 混凝土应变、 预应力筋应力、 裂缝分布发展和破坏模式， 探究节段拼装预应力UHPC-RC组合箱梁的受弯性能.

1 试验概况

1.1 试验构件

本试验制作的预应力UHPC-RC组合箱梁， 梁长4 m， 计算跨径为3.8 m， 梁高300 mm， 顶板宽550 mm， 厚50 mm， 腹板高200 mm， 厚75 mm， 底板宽350 mm， 厚50 mm. 梁下部为预制的UHPC U型梁， 顶板为后浇的C50钢筋混凝土(RC)板. 试验梁的UHPC U型梁采用节段预制拼装， 每个预制节段长度为1 m. 试验梁底部纵向布置4根s15.2 mm的预应力钢绞线， 张拉力为140 kN， 顶板纵向布置间距80 mm、 直径6 mm的HRB400普通钢筋， 横向布置间距100 mm、 直径8 mm的HRB400普通钢筋. 在预制UHPC U型梁和后浇RC顶板之间预埋间距100 mm、 直径10 mm的HRB400普通钢筋作为剪力连接件， 以加强接合面的粘结. 组合箱梁截面尺寸、 配筋及纵向布置如图1所示.

(a) 组合箱梁截面尺寸与配筋示意图

(b) 组合箱梁纵向布置图

1.2 试验梁制作

表1 UHPC配合比

试验梁所用UHPC材料配合比如表1所示. 其中， UHPC采用的钢纤维长13 mm、 直径0.2 mm. 试验梁制作过程： 1) 根据试验梁截面尺寸制作U型梁模板， 穿入预应力钢筋并进行严格定位； 2) 根据规范[14]制备UHPC， 待U型梁快浇筑完成时， 将预先制作好的钢筋剪力连接件设在预定位置并固定； 3) 土工布覆盖养护24 h后， 进行拆模并对梁体腹板顶部进行凿毛处理， 随后进行蒸汽养护72 h； 4) 待材料力学性能达标后， 逐根对称张拉预应力钢筋， 有效张拉力为138.8 ～155.3 kN； 5) 制作组合箱梁顶部模板并绑扎顶板钢筋， 浇筑C50混凝土后， 采取盖土工布的方式对试验梁进行保温， 保持15～20 ℃养护3 d后拆模. UHPC U型梁和RC顶板制作过程中， 分别采用同一批次搅拌的UHPC和C50混凝土浇筑标准试块， 并进行同条件养护， 以进行材料性能测试， 结果见表2. 钢筋的实测力学性能如表3所示.

表2 混凝土材料性能

表3 钢筋材料性能

1.3 加载方式与测试内容

试验加载装置如图2所示， 采用液压千斤顶和荷载分配梁对试验梁进行两点对称加载， 纯弯段长1 m. 采用分级加载方案， 弹性变形阶段每级荷载间隔为10 kN， 加载至开裂荷载后每级荷载为5 kN， 每级加载完持荷5～10 min.

(1-千斤顶； 2-压力传感器； 3-分配梁； 4-加载垫块； 5-试验梁； 6-应变片； 7-位移计； 8-套筒传感器)图2 加载装置及测点布置(单位： mm)Fig.2 Loading setup and layout of measurement points (unit: mm)

图3 应变测点布置(单位： mm)Fig.3 Layout of strain measurement points(unit: mm)

加载过程中的测试内容包括： 1) 在跨中、 加载点、 靠近梁两端支座位置处布置5个位移计测量相应的挠度(见图1)； 2) 在4根预应力钢筋端部布置套筒传感器测量预应力钢筋的应力(见图1)； 3) 在跨中截面沿梁高度方向布置应变片测量沿梁高的应变(见图1)； 4) 沿UHPC和RC接合面两侧粘贴应变片(图2中的S1～6)来观测UHPC和RC接合面两侧表面应变差； 5) 在梁跨中截面的顶板表面布置纵向应变片(图3中的D1～5)观测顶板的应变分布； 6) 在顶板钢筋粘贴应变片(图3中的Z1～4)测量钢筋应变； 7) 加载间隔期在试验梁上标记裂缝分布位置， 并采用HC-F800型混凝土裂缝缺陷综合测试仪对典型裂缝宽度和长度进行测量.

2 试验结果与分析

2.1 试验过程及破坏模式

试验梁加载到170 kN时， 开裂始于跨中UHPC U型梁节段之间的接缝， 裂缝宽度为0.42 mm. 当加载至195 kN时， U型梁腹板裂缝仅沿跨中节段接缝开展且不断往上延伸(图4 (a))， 最大裂缝宽度为0.9 mm， 在梁腹板其他区域未出现新的裂缝； 同时， RC顶板和U型梁的接合面处出现沿梁长的纵向裂缝(图4(b))， 长度13 cm. 梁体另外一侧跨中RC顶板和U型梁的接合面处也出现沿梁长的纵向裂缝， 长度为7 cm.

(a) 跨中裂缝

(b) 纵向裂缝

图5 RC顶板翼缘底部开裂情况Fig.5 Cracks on the flange of RC slab

当加载至235 kN时， 跨中裂缝发展到RC顶板翼缘， 在RC顶板翼缘底部出现2条裂缝， 宽度不小于0.1 mm， 长度不小于12 cm. RC顶板和U型梁接合面的纵向裂缝继续向两侧发展， 长度达到29 cm， 跨中裂缝的最大宽度为4.21 mm. 当荷载增加到270 kN时， RC顶板翼缘底部裂缝数量不断增加， 均具有细且长的特征， 长度均大于10 cm， 如图5所示. 跨中竖向裂缝最大宽度为7.3 mm， 在梁两侧腹板其他区域未出现新的裂缝. 继续加载至315.2 kN时， 跨中竖向裂缝最大宽度为14.8 mm. 待荷载保持5 min后， RC顶板上形成横向贯通大裂缝， 翼缘处出现大量混凝土剥落， 如图6所示. 试验梁的最终破坏形式为RC顶板混凝土压溃破坏， 其裂缝总体分布如图7所示.

(a) 翼缘处混凝土剥落

(b) RC顶板混凝土压溃

2.2 荷载-跨中挠度曲线分析

表4 特征荷载和挠度值

图8 荷载-跨中挠度曲线Fig.8 Load-deflection curve

图9 竖向挠度变形Fig.9 Vertical deflections

2.3 预应力筋应力分析

表5 特征荷载下预应力筋平均应力增量值

图10给出了试验梁荷载-预应力筋应力增量曲线， 其发展趋势与图8中荷载-跨中挠度曲线类似. 图11给出了试验梁挠度-预应力筋应力增量曲线. 表5给出了对应不同特征荷载点的上、 下层预应力筋平均应力增量值.

试验梁开裂之前， 预应力筋处于弹性变形阶段， 应力增量较小， 与荷载呈近似线性关系. 开裂后， 开裂截面发生应力重分布， 试验梁主要靠预应力筋承受拉应力， 预应力筋应力增量与荷载水平、 挠度呈线性关系. 当加载至270 kN(B点)时， 下层预应力筋平均应力增量为弹性阶段的8.7倍， 曲线出现第二次折点. 随着荷载的继续增加， 预应力筋应力增幅有所加大， 试验梁顶板压碎破坏时， 预应力筋并未断裂， 应力增量可达到初始有效预应力的50%左右.

图10 荷载-预应力筋应力增量曲线Fig.10 Load-stress increment of prestressing tendons

图11 挠度-预应力筋应力增量曲线Fig.11 Deflection-stress increment of prestressing tendons

2.4 裂缝分析

图12 最大裂缝宽度开展情况 Fig.12 Development of maximum crack width

试验梁跨中最大裂缝宽度随荷载变化的开展情况如图12所示. 可见， 在加载前期， 试验梁处于弹性变形阶段， 裂缝随着跨中节段拼接缝的张开而缓慢发展. 当荷载增至195 kN后， 裂缝开展速率增大， 裂缝宽度随着荷载的增大呈线性增长. 当加载至270 kN后， 梁截面刚度进一步降低， 下挠变形增大， 最大裂缝宽度迅速增加， 直至梁破坏.

2.5 应变分析2.5.1 顶板混凝土和钢筋应变

加载过程中测得试验梁跨中截面顶板混凝土纵向应变(图3测点D1～5)的横向分布如图13所示. 可见试验梁顶板存在一定的剪力滞效应， 随着荷载的增加， 剪力滞效应越明显.

RC顶板内纵向钢筋各测点Z1～4(见图3)的荷载-应变曲线如图14所示. 可见， 试验梁开裂前， 纵向钢筋处于弹性变形阶段， 其应变与荷载呈线性关系. 开裂后， 钢筋应变随着荷载的增加而增大； 试验梁破坏时， 其顶板纵向钢筋最大压应变值为991.67 ×10-6.

图13 跨中截面顶板应变横向分布Fig.13 Transverse distribution of strains of top slab at mid-span section

图14 顶板纵向钢筋荷载-应变曲线Fig.14 Load-strain curves of longitudinal reinforcement in top slab

2.5.2跨中截面竖向混凝土应变

图15给出了试验梁开裂前跨中位置沿梁体高度的应变分布. 由图可知， 试验梁在开裂前的应变沿梁高呈线性分布， 基本满足平截面假定， 中性轴位置保持不变.

2.5.3UHPC-RC接合面两侧应变

图16显示沿RC顶板和UHPC梁接合面两侧纵向布置的各测点S1～6测得的荷载-应变曲线. 可见，S1点处两侧应变在加载至195 kN后出现较大差异， 这是由于此时RC顶板和UHPC梁接合面出现纵向裂缝并发展到S1点处导致的. 其他测点S2～6处的UHPC-RC接合面两侧应变值和变化趋势基本一致， 表明现浇RC顶板和预制UHPC-U型梁之间的良好协同工作性能.

图15 跨中截面不同高度混凝土应变分布Fig.15 Strain distribution of concrete at different heights of mid-span section

图16 UHPC-RC接合面两侧应变比较Fig.16 Comparison of strains along UHPC-RC joint surface

3 结论

1) 本研究进行了节段拼装预应力UHPC-RC组合箱梁的静载受弯性能试验， 结果说明组合箱梁经历了弹性阶段、 裂缝开展阶段和破坏阶段三个不同受力阶段. 由于组合箱梁跨中截面存在节段接缝， 在荷载作用下的变形主要由节段接缝逐步张开产生， 组合箱梁底板和腹板均没有出现明显的裂缝； 随着荷载增加， 裂缝发展至顶板翼缘， 组合箱梁的最终破坏模式为RC顶板混凝土压溃破坏.

2) 组合箱梁开裂后， 受拉区应力主要由预应力筋承担， 预应力筋应力增量随荷载变化趋势与荷载-跨中挠度曲线相似， 组合箱梁破坏时预应力筋未断裂， 预应力筋应力增量可达其初始有效预应力的50%左右； 组合箱梁跨中最大裂缝宽度随荷载增加分阶段线性增长.

3) 组合箱梁跨中截面沿梁体截面高度的混凝土应变基本符合平截面假定， 且预制UHPC U型梁和现浇RC顶板的协同工作性能良好， 因此在分析UHPC-RC组合箱梁截面抗弯性能时使用平截面假定是合适的. 此外， 组合箱梁存在一定的剪力滞效应.