钢筋交叉搭接桥面板湿接缝轴拉试验研究

李洞明

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市2000092]

1 概 述

目前随着预制拼装技术的发展和广泛应用，小箱梁、空心板梁、T 梁、组合梁等预制主梁的横向湿接缝常采用钢筋交叉搭接的桥面板湿接缝形式，但是这种连接方式的计算方法有待完善，正常使用性能尚无试验数据基础。为此，通过考虑多种湿接缝形式，以钢筋形状、接缝材料、接缝宽度、钢筋纵向间距布置、插销钢筋数量等构造参数为变量，制作足尺模型进行轴拉加载试验。通过试验探明不同浇筑材料中不同形状钢筋的锚固性能，揭示接缝破坏特征，为理论计算方法提供试验数据，为设计提供参考。

2 发展趋势和国内外研究存在的问题

随着桥梁预制拼装技术的完善与推广，预制主梁横向接缝的承载力、耐久性和构造优化成为研究重点之一[1]。钢筋交叉搭接的现浇混凝土接缝目前已广泛应用于国内外装配式小箱梁、空心板梁、T 梁、组合梁的桥面板连接中。尽管预制结构湿接缝已得到广泛应用，但仍须解决几个主要问题：

（1）目前U 型钢筋、直钢筋和弯钩搭接长度尚无合适的计算方法，国内外的研究多直接参照末端带弯钩的钢筋搭接长度确定。文献资料显示，国内外对几种形状钢筋接缝承载能力的相关研究较少，主要计算方法可归类为拉压杆模型[2]、塑性功模型[3-4]、经验回归方法[5-6]三种，但相互间计算结果的吻合程度有待验证。

（2）对于型钢筋、直钢筋和弯钩钢筋接缝正常使用性能尚无试验数据基础。由于界面材料不均匀且强度较弱，接缝界面通常控制构件的开裂特性。裂缝开展的影响因素较多，常规设计中相关设计缺乏理论验算和构造对比的依据。

3 试验主要研究内容

针对钢筋现浇接缝的性能特点和以往研究的不足进行系列模型试验，主要研究内容为现浇不同浇筑材料接缝中不同形状钢筋的锚固性能和接缝受力性能。

4 试件参数选择

关于钢筋搭接的混凝土湿接缝，为保证接缝承载力与延性，判定受拉状态下后浇混凝土破坏与接缝钢筋屈服的界限是研究与设计的关键。影响钢筋接缝受力性能的因素很多，试验主要考虑了以下5 个因素：

（1）接缝钢筋搭接长度（含带弯钩钢筋或U 型钢筋的曲线部分）。湿接缝宽度直接影响普通钢筋强度锚固长度，既而决定其强度发挥。接缝设计时应尽量减少现浇混凝土工作量，预留接缝内足够的工作空间。

（2）接缝横向钢筋纵向间距。预制构件钢筋初始间距、拼装后两侧钢筋纵向间距存在较大变异性，可能导致接缝受力机制和破坏模式发生变化。试验中采用几种钢筋纵向对拼间距予以模拟：同侧钢筋初始间距为20 cm，拼装后两侧钢筋纵向间距为10 cm+10 cm或5 cm+15 cm（钢筋贴近）。

（3）接缝混凝土类型。接缝混凝土材性决定接缝内应力（重）分布特性，影响接缝混凝土抗裂性和混凝土破坏模式。本试验采用C60 混凝土（以下简称“C60NC”）、高性能C80 混凝土（以下简称“C80HPC”）、高性能C80 钢纤维混凝土（以下简称“C80SFRC”）和超高性能混凝土（以下简称“UHPC”）4 种现浇混凝土类型。

（4）插销钢筋（即核心混凝土加强钢筋）数量。钢筋搭接区域内核心混凝土柱的配筋率可能影响横向钢筋对混凝土的销栓作用，改变接缝整体的受力性能。

（5）钢筋形状。钢筋形状直接影响钢筋在接缝材料内的受力性能。本试验采用的钢筋形状为90°弯钩钢筋、180°弯钩钢筋、直钢筋、螺帽直钢筋、U 型钢筋和焊接直钢筋。

5 试件设计

试验共分为5 个系列（46 只试件）：4 个参数化试件系列，1 个对比试件系列（见表1）。其中，参数化试件系列每个试件均有两个，以减小个体试件的偶然误差。系列一为C80SFRC 接缝，钢筋带180°弯钩（共8 只）；系列二为UHPC 接缝，钢筋带90°弯钩（共4 只）；系列三为UHPC 接缝，钢筋无弯钩（共12只）；系列四为C80HPC 接缝，钢筋带180°弯钩（共12 只）；系列五为对比试件系列（共10 只）。桥面板钢筋采用直径20 mm 的HRB400 钢筋，钢筋外露长度（锚固长度）为湿接缝宽度S1 减30 mm，钢筋搭接长度S2 为湿接缝宽度减60 mm，见图1。插销钢筋采用4 根直径16 mm 的HRB400 钢筋。UHPC 28 d 压强度不小于120 MPa，试验方法标准采用《活性粉末混凝土》（GB/T 31387—2015）。

图1 试件构造钢筋示意图（单位：mm）

表1 试件参数

6 试验加载装置

试验采用千斤顶分级顶升加载，加载系统见图2。试件下侧牛腿通过钢横梁和精轧螺纹钢锚固于地槽中。两相同规格的千斤顶通过同一个油泵输出油压，保证其力相等。

图2 加载系统

7 试验结果与分析

7.1 试验结果

为了尽可能全面地分析试验结果，选取了对研究接缝试件静力性能很重要的两个参数：接缝开裂时的开裂荷载和试件最后破坏时的破坏荷载。由于界面材料不均匀、强度较弱，开裂荷载反映了接缝界面的开裂特性。达到破坏荷载时，接缝的破坏特征反映了钢筋锚固性能和接缝受力性能。

试验结果，见表2。

表2 试验结果

7.2 结果分析

（1）所有试件接缝界面首先开裂并贯穿。C80SFRC接缝开裂荷载较大，试件开裂时截面平均应力与C60NC 抗拉标准强度之比约为32.8%。UHPC 接缝开裂荷载较小，试件开裂时截面平均应力与C60NC抗拉标准强度之比约为26.5%。C80HPC 接缝开裂荷载较大，试件开裂时截面平均应力与C60NC 抗拉标准强度之比约为49%。

（2）NC-J1 试件在破坏时钢筋拉断，验证了其承载力能够满足工程需求，但其接缝宽度500 mm，现浇体量较大，且钢筋需要焊接，工艺繁杂。

（3）工字型接缝能够明显提高接缝的抗裂性。

（4）对于采用C80HPC 材料的接缝，插销钢筋能够显著提升试件的承载力和延性。无插销钢筋时接缝最终破坏呈波浪形（两侧相邻U 型钢筋圆端头连线）拉开，有插销钢筋时接缝破坏为混凝土整体碎裂，无插销钢筋接缝的破环荷载为有插销钢筋接缝的55%左右。根据无插销钢筋接缝对比试件试验结果，建议不同钢筋形式的接缝均设置插销钢筋（即核心混凝土加强钢筋）。

（5）接缝使用C80SFRC 材料时，180°弯钩试件的承载力略大于U 型钢筋试件。这可能是由于两个180°弯钩形成的U 型环横向套箍作用更大，增大了核心混凝土的抗剪切能力。

（6）接缝采用C60NC 材料，即28 cm C60NC 接缝+U 型环钢筋（NC-J2）时，同样能够使钢筋屈服，但钢筋屈服后，强度增长相对于其他材料接缝略小些。与之相比，180°弯钩+C80HPC 的组合能够较大提高接缝的承载力。

（7）使用UHPC 接缝材料的情况下，直钢筋构造的承载力＜90°弯钩构造的承载力＜螺帽直钢筋构造的承载力＜U 型钢筋构造的承载力。

（8）采用C80SFRC 材料的情况下，螺帽直钢筋构造的承载力小于180°弯钩钢筋构造的承载力。

（9）在C80HPC 中加入钢纤维的SFRC 能够提高此类接缝构造的承载力。

（10）在使用UHPC 材料的情况下，相比直钢筋构造，采用90°弯钩钢筋能够提升试件的承载力。

（11）钢筋纵向布置对接缝承载力的影响。系列一C80SFRC 接缝，钢筋正位布置（10 cm+10 cm）试件的承载力比偏位布置（15 cm+5 cm）更大，平均大13%。系列三UHPC 接缝，钢筋正位布置试件的承载力比偏位布置略大，平均大5%。系列四C80HPC 接缝，钢筋正位布置与偏位布置的承载力没有显现出明显相关趋势。根据试验结果，实际工程中，钢筋纵向按正位布置。

8 湿接缝系列化设计参数建议

根据试验结果，并考虑施工因素，对桥面板钢筋（HRB400）直径d=20 mm 的湿接缝设计参数建议如下:

（1）对于系列一钢筋带180°弯钩的C80SFRC 试件，接缝的承载力与钢筋搭接长度呈正相关，同时正位布置试件的承载力比偏位布置更大，建议此类型构造接缝宽度不小于300 mm（12.5d+50 mm），钢筋搭接长度不小于250 mm（12.5d）。根据系列五对比试件5 的结果，采用C80SFRC 材料的U 型钢筋接缝构造的接缝宽度同样建议不小于300 mm（12.5d+50 mm），钢筋搭接长度不小于250 mm（12.5d）；对比试件9，即采用C80SFRC 材料的钢筋+螺帽接缝构造，接缝宽度也建议不小于300 mm（12.5d+50 mm），钢筋搭接长度不小于250 mm（12.5d）。

（2）对于系列二钢筋带90°弯钩的UHPC 试件，接缝的承载力与钢筋搭接长度也呈正相关，同时正位布置试件的承载力也比偏位布置略大。建议此类型构造的接缝宽度不小于250 mm（10d+50 mm）、钢筋搭接长度不小于200 mm（10d）。

（3）对于系列三钢筋无弯钩的UHPC 试件，接缝承载力与钢筋搭接长度同样也呈正相关，同时正位布置的试件承载力同样比偏位布置略大。建议此类型构造的接缝宽度不小于250 mm（10d+50 mm），钢筋搭接长度不小于200 mm（10d）。根据系列五对比试件8 结果，采用UHPC 材料的U 型钢筋接缝构造的接缝宽度建议不小于200 mm（7.5d+50 mm），钢筋搭接长度不小于150 mm（7.5d）；对比试件10，即采用UHPC 材料的钢筋+ 螺帽接缝构造，接缝宽度也建议不小于200 mm（7.5d+50 mm），钢筋搭接长度不小于150 mm（7.5d）。

（4）对于系列四钢筋带180°弯钩的C80HPC 试件，接缝的承载力与钢筋搭接长度一样呈正相关，接缝的承载力与钢筋纵向布置无明显相关性。建议此类型构造接缝宽度不小于300 mm（12.5d+50 mm），钢筋搭接长度不小于250 mm（12.5d）。根据系列五对比试件6 结果，采用C80HPC 材料的U 型钢筋接缝构造的接缝宽度建议不小于300 mm（12.5d+50 mm），钢筋搭接长度不小于250 mm（12.5d）。

（5）根据系列五对比试件7 结果，采用C60NC、U 型钢筋构造的接缝也能够满足屈服条件，相比其他材料混凝土，建议接缝宽度大于300 mm（12.5d+50 mm）、钢筋搭接长度大于250 mm（12.5d）。

9 结 语

通过湿接缝轴拉试验研究了不同缝宽、钢筋.式、接缝材料组合下桥面板湿接缝的性能，探明了不同浇筑材料中不同形状钢筋的锚固性能，揭示了接缝破坏特征，为理论计算方法提供了试验数据，并提出了系列化设计参数，为设计提供参考，保证了湿接缝的安全性和耐久性，促进了桥梁预制拼装技术的发展。