季文玉，過民龍，李旺旺

(北京交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，北京　100044)

近年來，隨著高速鐵路的快速發(fā)展，對(duì)橋梁使用性能的要求也越來越高，尋求強(qiáng)度滿足跨越能力、耐久性符合環(huán)境要求、制作工藝適合生產(chǎn)條件、同時(shí)又經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)形式，一直是橋梁工程人員的努力方向。

活性粉末混凝土(RPC)是20世紀(jì)90年代由法國(guó)BOUYGUES公司研制的一種超高性能混凝土材料。因其具備超高的抗拉和抗壓力學(xué)性能、卓越的耐久性及易于工廠批量化生產(chǎn)的施工性能，引起了國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[1]。將這種活性粉末混凝土用在大跨度橋梁上部結(jié)構(gòu)，可以完全滿足結(jié)構(gòu)對(duì)承載力和使用性能的要求，但是，由于RPC在制作工藝上的局限性，導(dǎo)致其僅能在工廠內(nèi)加工為預(yù)制構(gòu)件，這對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)吊裝作業(yè)用起重機(jī)的吊裝性能提出了挑戰(zhàn)。

為利用RPC的超高性能，同時(shí)又能滿足施工要求并節(jié)約材料成本，作者提出采用RPC-普通混凝土(NC)組合梁的結(jié)構(gòu)形式，將梁的受拉部分以RPC為材料在工廠預(yù)制，梁的受壓部分于施工現(xiàn)場(chǎng)以預(yù)制RPC構(gòu)件為底?，F(xiàn)澆普通混凝土NC成型。相對(duì)于全截面RPC或NC梁，RPC-NC組合梁充分利用了RPC的抗拉強(qiáng)度及其耐久性和NC的抗壓強(qiáng)度，并且又節(jié)約了普通混凝土現(xiàn)澆模板的使用量，同時(shí)也具備組合結(jié)構(gòu)所特有的施工快速、布置靈活等優(yōu)點(diǎn)。

作為2種混凝土材料相結(jié)合而成型的組合梁，需要考慮制作時(shí)組合界面的人工處理問題，如鑿毛等。由于對(duì)具有強(qiáng)度高且摻有鋼纖維的預(yù)制RPC部件進(jìn)行界面處理較為困難，故工程實(shí)際中對(duì)RPC界面處理為不鑿毛，RPC-NC組合界面取自然養(yǎng)護(hù)面，如圖1所示。

圖1　RPC-NC組合梁示意圖

組合界面是RPC-NC組合梁受力的薄弱環(huán)節(jié)，能否保證兩者共同工作是需要解決的關(guān)鍵問題。本文進(jìn)行這種組合梁組合界面的受力性能研究。

1　試驗(yàn)概況

1.1　試件設(shè)計(jì)

對(duì)于混凝土界面抗剪性能的試驗(yàn)研究，國(guó)內(nèi)外尚無普遍公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)方法。以往研究者采用的新老混凝土界面抗剪試件的結(jié)構(gòu)形式可歸納為2類：①Z字形單面剪切試件[2-3]；②雙面剪切試件[4-5]。前者可減少偶然偏載造成的界面附加彎矩的影響，但由于僅存在1個(gè)剪切承載面，試件破壞后具有一定危險(xiǎn)性；后者雖然受到界面附加彎矩的影響，但2個(gè)剪切承載面的存在可確保試驗(yàn)過程的安全性，同時(shí)可通過重復(fù)試驗(yàn)減輕偏載的影響。

考慮到界面鋼筋的存在僅對(duì)界面殘余強(qiáng)度有較大的影響[6]，為了得到RPC-NC結(jié)合面的抗剪受力性能，本文采用無抗剪鋼筋的界面構(gòu)造形式。依據(jù)試件的形式應(yīng)與RPC-NC組合梁的界面剪力傳遞方式盡量接近的原則，剪切試件的界面采用與實(shí)際情況相同的自然粗糙界面處理方法。同時(shí)，綜合考慮界面剪力分布的均勻性、試驗(yàn)的可操作性，將本次試驗(yàn)的RPC-NC組合梁試件設(shè)計(jì)成雙面剪切試件，采用2個(gè)100 mm×100 mm×400 mm預(yù)制活性粉末混凝土棱柱作為試件的左右兩肢，試件中部為后澆相同尺寸的普通混凝土棱柱，并錯(cuò)開一定距離形成剪切薄弱面，如圖2所示。本次試驗(yàn)主要研究的參數(shù)有普通混凝土強(qiáng)度等級(jí)和界面正應(yīng)力。普通混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別取C40，C50和C60。界面正應(yīng)力分別取0(無側(cè)壓力)，0.5，1.0和1.5MPa。因此共設(shè)計(jì)了12組總共36個(gè)試件，試件編號(hào)形式采用“混凝土強(qiáng)度等級(jí)-界面正應(yīng)力”的格式。

圖2　剪切試件構(gòu)造示意圖

1.2　試件制作及材料性能

為了保證試驗(yàn)所得結(jié)果與實(shí)際RPC-NC組合梁的界面性能相一致，試件制作方法與組合梁相同，具體步驟為：①將活性粉末混凝土按照文獻(xiàn)[7]所述方法制備，并在充分振搗過程中對(duì)暴露的自由表面不進(jìn)行任何處理，經(jīng)過48 h蒸汽初養(yǎng)后靜置24 h；②將預(yù)制RPC棱柱的自然養(yǎng)護(hù)面相向放入特制鋼模中，將普通混凝土澆于鋼模中，隨即充分振搗與抹面，且防止漏漿；③將試件預(yù)制部分與新澆普通混凝土部分連同所用鋼模板置于室溫15～20 ℃條件下養(yǎng)護(hù)至普通混凝土3 d齡期，然后脫模于室溫自然養(yǎng)護(hù)至普通混凝土28 d齡期，以備加載試驗(yàn)。剪切試件的制作如圖3所示。所使用RPC的強(qiáng)度等級(jí)為已被應(yīng)用于實(shí)際工程的R130級(jí)，RPC的配合比見表1，普通混凝土的配合比見表2。

圖3　剪切試件制作過程示意圖

制作預(yù)制RPC棱柱時(shí)，保留100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊；后澆普通混凝土?xí)r，保留150 mm×150 mm×150 mm的立方體試塊，并置于與試件相同的條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。材料性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表1　RPC配合比　kg·m-3

表2　普通混凝土配合比

表3　材料性能試驗(yàn)結(jié)果

1.3　試驗(yàn)加載及測(cè)量?jī)?nèi)容

采用1 000 kN級(jí)油壓千斤頂在剪切試件頂部進(jìn)行單調(diào)加載，并利用500 kN量程的電阻式圓筒形壓力傳感器采集荷載值。試驗(yàn)開始前將各儀器對(duì)中，且進(jìn)行預(yù)壓以確認(rèn)儀器工作正常并消除儀器間隙。試驗(yàn)主要測(cè)量的數(shù)據(jù)有：①壓力傳感器讀數(shù)；②RPC-NC組合界面滑移量；③界面兩側(cè)材料的豎向應(yīng)變。所測(cè)數(shù)據(jù)通過DH3816數(shù)據(jù)采集儀由計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄。圖4和圖5分別給出了加載裝置和測(cè)點(diǎn)布置情況。

圖4　加載裝置

圖5　測(cè)點(diǎn)布置示意圖(單位：mm)

通過與試件側(cè)表面相接觸的2塊厚20 mm的鋼板施加界面正壓力，2塊鋼板間通過6枚螺栓相互連接。試件加載前使用扭力扳手依次擰緊螺栓，并實(shí)時(shí)監(jiān)控粘貼于螺栓上的應(yīng)變片讀數(shù)，反復(fù)調(diào)試直至其達(dá)到規(guī)定界面壓力換算而得的應(yīng)變值，試件靜載試驗(yàn)開始后，也實(shí)時(shí)監(jiān)控螺栓應(yīng)變讀數(shù)。加壓鋼板構(gòu)造如圖6所示。

圖6　加壓鋼板構(gòu)造圖

2　試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

2.1　試驗(yàn)主要現(xiàn)象

試件的破壞特征與側(cè)壓鋼板的約束有很大關(guān)系。無側(cè)壓鋼板時(shí)，試件主要破壞形態(tài)為RPC-NC組合界面的剪切開裂破壞，試件被剪開后所得各混凝土棱柱幾乎完好無損。有側(cè)壓鋼板約束時(shí)，試件的剪切面通長(zhǎng)開裂并經(jīng)承載力荷載突降后，部分試件的混凝土棱柱間并未完全剪開，有時(shí)甚至出現(xiàn)試件加載端凸塊壓潰、劈裂、橫向斷裂的現(xiàn)象。不論有無側(cè)壓鋼板，試件的剪切裂紋均從加載端沿界面向承載端逐漸擴(kuò)展，但有側(cè)壓鋼板時(shí)試件剪切裂縫的擴(kuò)展速率明顯比無側(cè)壓鋼板時(shí)慢。圖7給出了部分試件的破壞形態(tài)，圖7中(a)，(b)和(c)為剪切面破壞情況，(d)，(e)和(f)為加載端凸塊破壞情況。

圖7　剪切試件破壞形態(tài)

隨著荷載逐漸增加至臨近剪切裂紋出現(xiàn)時(shí)，試件周圍可聽見鋼纖維被拉扯的響聲，但界面滑移量增長(zhǎng)緩慢；荷載繼續(xù)增大，剪切面周圍表面的浮漿逐漸剝落，同時(shí)裂紋沿著界面不斷發(fā)展，直至其貫穿整個(gè)界面時(shí)試件發(fā)出一聲悶響；當(dāng)試件的2個(gè)界面都被剪切裂縫貫通后，無側(cè)壓鋼板約束試件的抗剪承載力下降很快，滑移量迅速增加，最終殘余抗剪承載力很小，表現(xiàn)出脆性；而有側(cè)壓鋼板約束試件的抗剪承載力僅有一定量的突然下降，隨后不同試件的抗剪承載力有不同程度的提高，直至抗剪承載力因兩個(gè)界面完全破壞而再次突降或試件承載端頭被壓潰。由于偏載的影響，試件的剪切面出現(xiàn)裂縫和最終破壞的時(shí)刻，2個(gè)界面并不一致，但這對(duì)最終破壞形態(tài)并無太大影響。

2.2　荷載—界面滑移量曲線

由于試件在受力過程中總體彈性變形很小(壓力傳感器滿500 kN量程時(shí)試件平均彈性變形計(jì)算值小于0.1 mm)，故取位移傳感器所采集數(shù)據(jù)的平均值作為界面平均滑移量。如前所述，雙面剪切試件在加載過程中易出現(xiàn)偏載現(xiàn)象，2個(gè)界面被剪切產(chǎn)生的裂縫并非同時(shí)貫通。對(duì)于無側(cè)壓鋼板的試件，2個(gè)界面裂縫貫通的時(shí)間間隔不大，或者同時(shí)貫通；而對(duì)于有側(cè)壓鋼板的試件，當(dāng)某個(gè)界面臨近破壞時(shí)，側(cè)壓鋼板螺栓的應(yīng)變開始緩慢上升，直至這個(gè)界面破壞(試件承載力荷載突降)，此后側(cè)壓鋼板螺栓的應(yīng)變迅速增加，約束壓力大幅提升，進(jìn)而使得試件承載力荷載可繼續(xù)增加，最終因試件雙側(cè)界面均剪壞或試件加載端凸塊被壓潰使試件承載力荷載再次下降。故試件極限抗剪承載力取為當(dāng)一側(cè)界面完全破壞時(shí)的荷載值，也即試件出現(xiàn)首次承載力荷載突降時(shí)的峰值荷載值。

試件界面的破壞均表現(xiàn)為脆性破壞，對(duì)于無側(cè)壓鋼板試件，破壞后的殘余抗剪承載力幾乎為零；而對(duì)于有側(cè)壓鋼板試件，破壞后的荷載—滑移曲線雖有上升但已超越所考慮的范圍，故荷載—滑移曲線僅取至極限抗剪承載力為止。圖8為所有試件的荷載—界面滑移曲線，同時(shí)表4列出了每組3個(gè)重復(fù)試件的平均抗剪承載力FPU和對(duì)應(yīng)的滑移量范圍。

從圖8可以看出，SPC-NC組合界面在最終破壞時(shí)的滑移量很小，2種材料基本上為共同工作的整體。無側(cè)壓力時(shí)試件表現(xiàn)為線彈性脆性斷裂的受力特征；而當(dāng)側(cè)壓力等級(jí)逐漸增大時(shí)，試件的抗剪承載力有明顯提高，同時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載—滑移曲線形狀也略顯延性。

表4　試件平均抗剪承載力和滑移量

圖8　試件的荷載—界面平均滑移曲線

2.3　組合界面豎向壓應(yīng)變分布情況

因篇幅限制，圖9—圖12分別給出了NC等級(jí)為C40而界面正應(yīng)力不同時(shí)試件界面的豎向應(yīng)變分布情況。因試件的幾何形狀對(duì)稱，故圖中所示應(yīng)變值為2個(gè)界面相同高度測(cè)點(diǎn)的平均應(yīng)變值。取組合界面豎向最低點(diǎn)為原點(diǎn)，將應(yīng)變片讀數(shù)作為其中心點(diǎn)處的材料應(yīng)變，則應(yīng)變采集點(diǎn)的縱坐標(biāo)分別為35，150和265 mm。從圖9—圖12可以看出，當(dāng)荷載等級(jí)較低時(shí)，界面處RPC與NC之間的豎向壓應(yīng)變差異不大；隨著荷載逐漸增加，界面處2種材料豎向應(yīng)變的差異逐漸擴(kuò)大，且表現(xiàn)為頂部NC壓應(yīng)變較大，底部RPC壓應(yīng)變較大的分布情況，然而界面中部的應(yīng)變差始終不大，試件呈現(xiàn)出壓拱受力狀態(tài)。隨著試件側(cè)壓力等級(jí)的不斷提高，接近破壞時(shí)RPC和NC的最大豎向壓應(yīng)變也逐漸增大，并且壓應(yīng)變分布的不均勻性也有所加大。

圖9　C40-0試件界面的豎向壓應(yīng)變分布

3　抗剪承載力計(jì)算

圖10　C40-0.5試件界面的豎向壓應(yīng)變分布

圖11　C40-1.0試件界面的豎向壓應(yīng)變分布

圖12　C40-1.5試件界面的豎向壓應(yīng)變分布

從試驗(yàn)結(jié)果可知，試件開始受力至剪切破壞過程中，界面的滑移量相對(duì)于界面尺寸很小，故可忽略試件的形變，利用其初始幾何結(jié)構(gòu)建立受力平衡模型。取試件的部分隔離體進(jìn)行平衡分析，如圖13所示。圖中：FP為外荷載；PQ為側(cè)壓鋼板提供的側(cè)壓力；FH和FV分別為水平和豎向反力；τ為界面平均剪應(yīng)力；σn為界面平均正應(yīng)力；h1和h2分別為棱柱體高度和界面應(yīng)力作用高度；b為棱柱體寬度。

圖13　試件隔離體受力狀態(tài)

假設(shè)側(cè)壓鋼板對(duì)試件的法向作用力和界面所受法向應(yīng)力都均布于對(duì)應(yīng)作用面，界面剪應(yīng)力也為均勻分布，外荷載及反力均為均布于其對(duì)應(yīng)作用面上，控制界面破壞的臨界應(yīng)力狀態(tài)符合Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，即有

τ=cft+μσn

(1)

式中：ft為界面材料抗拉強(qiáng)度，取NC抗拉強(qiáng)度；c和μ分別為內(nèi)聚力系數(shù)和摩擦系數(shù)。

根據(jù)試件整體和隔離體的受力平衡可確定圖13中各個(gè)力之間的關(guān)系。

根據(jù)隔離體水平和豎向力的平衡可得

PQbh2+FH-σnbh2=0

(2)

FP+τbh2-FV=0

(3)

根據(jù)隔離體力矩平衡關(guān)系可得

0.5FPb+FH(h1-0.5h2)-1.5FVb=0

(4)

根據(jù)試件整體豎向力的平衡可得

FP=2FV

(5)

聯(lián)立上式可解得試件極限抗剪承載力的表達(dá)式為

(6)

按歐洲規(guī)范[8]分別取c=0.35和μ=0.6并代入式(6)可知，無側(cè)壓力時(shí)試件的理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，理論計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果的比值為0.91～1.01；而有側(cè)壓鋼板約束存在時(shí)，其比值為0.40～0.62，這說明在RPC-NC組合界面自然粗糙的情況下，歐洲規(guī)范中摩擦系數(shù)的取值偏低，故需要依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果重新進(jìn)行參數(shù)擬合。

利用最小二乘法擬合得到的參數(shù)為c=0.41，μ=2.51，R2=0.865 5，對(duì)應(yīng)的抗剪承載力計(jì)算值及其與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比情況見表5。

表5　試件抗剪承載力對(duì)比

4　結(jié)　論

(1)RPC-NC組合界面在自然粗糙狀態(tài)下受剪破壞時(shí)的相對(duì)滑移量在1 mm以下，故在界面剪切破壞前可以將其視為共同受力的整體；而界面剪切破壞后，滑移量迅速增大，界面兩側(cè)的構(gòu)件幾乎為剛體滑動(dòng)，失去共同受力能力。

(2)RPC-NC組合界面的剪切破壞為脆性破壞。當(dāng)界面不存在法向壓力時(shí)，破壞前界面的抗剪承載力與相對(duì)滑移的關(guān)系為線彈性，而界面剪壞后抗剪承載力迅速降低至零；當(dāng)界面存在法向壓力時(shí)，加載初期界面的抗剪承載力與相對(duì)滑移的關(guān)系仍可視作線彈性，至接近極限荷載時(shí)曲線的斜率逐漸變緩，但界面破壞仍表現(xiàn)為承載力荷載突降。

(3)RPC-NC組合界面在自然粗糙條件下的極限剪應(yīng)力與混凝土抗拉強(qiáng)度及界面壓力之間的關(guān)系可使用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則描述。經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析，上述關(guān)系的表達(dá)式為τ=0.41ft+2.51σn?？梢姡琑PC-NC組合界面的抗剪承載力隨NC強(qiáng)度的增加而增加，且隨界面壓應(yīng)力的增加而大幅增加。

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