黃心儀 李立峰，2 王連華，2 王哲宇 蔣德松

1.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 長沙 410082； 2.風(fēng)工程與橋梁工程湖南省重點實驗室， 長沙 410082；3.湖南湖大土木建筑工程檢測有限公司， 長沙 410036

預(yù)制裝配式橋梁憑借現(xiàn)場作業(yè)時間短、對環(huán)境影響小、施工質(zhì)量好、施工安全水平高等優(yōu)勢，在橋梁建設(shè)中取得了快速發(fā)展。預(yù)制橋梁的連接形式和構(gòu)造是設(shè)計的核心環(huán)節(jié)［1］，連接處的力學(xué)性能決定了橋面板的工期和使用性能。UHPC 是一種新型纖維水泥基復(fù)合材料，具有超高抗拉抗壓及黏結(jié)力學(xué)性能［2］。將UHPC 運用到橋面板濕接縫中，可以減小接縫尺寸、簡化接縫構(gòu)造、提高接縫耐久性、減輕結(jié)構(gòu)自重。因此，UHPC在預(yù)制裝配式橋梁中具有廣泛的應(yīng)用前景。

近年來，國內(nèi)外一些學(xué)者對UHPC 濕接縫進(jìn)行了研究，包括接縫界面處理方式、縱向接縫形式和接縫內(nèi)鋼筋搭接形式。吳琛、霍書亞等［3-4］研究了UHPC 齡期、NC 強度、NC 表面處理方式、NC 基體濕潤度、不同濕接縫界面形式、配筋率、是否蒸養(yǎng)、界面黏結(jié)劑等因素對UHPC?NC 黏結(jié)性能的影響。Haber 等［5］研究了3 種不同鋼筋接頭（端頭放大型、直線型、U 形）和接縫材料對接縫力學(xué)性能的影響。胡夢涵等［6］基于UHPC和碳纖維增強聚合物優(yōu)越的力學(xué)性能，提出了基于高性能材料接縫的預(yù)制拼裝橋面板，并通過靜力、疲勞試驗探究其可行性。張菊輝等［7］針對預(yù)制小箱梁的縱向濕接縫提出了U筋交錯搭接方式，研究接縫區(qū)混凝土強度、U筋縱向間距、搭接長度、U筋直徑、板厚和接縫寬度對接縫受力性能的影響，并提出了相應(yīng)的設(shè)計建議。杜小節(jié)［8］以裝配式T 梁橫向連接為對象，提出在預(yù)制部分增設(shè)UHPC 過渡段的濕接縫方案，研究了過渡段UHPC 寬度、濕接縫段UHPC 寬度、接縫界面形式、鋼筋搭接形式、配筋率等構(gòu)造參數(shù)的影響。Deng［9］等提出了在UHPC 濕接縫中使用環(huán)形鋼筋搭接的雙環(huán)連接型縱筋構(gòu)造，通過抗彎試驗研究縱向鋼筋搭接形式、搭接長度、配筋率以及濕接縫的截面形式對濕接縫抗彎性能的影響。Culmo、Porter 等［10-12］提出一種焊接鋼板濕接縫構(gòu)造形式，通過試驗分析發(fā)現(xiàn)該構(gòu)造抗剪性能優(yōu)越、抗彎性能較差。劉游山［13］提出在濕接縫底部預(yù)埋一塊鋼板，通過試驗研究發(fā)現(xiàn)底部鋼板可以抑制裂縫發(fā)展，提高構(gòu)件的抗裂性能。

基于上述研究成果，本文提出一種以預(yù)埋波形鋼板（Corrugated Steel Web，CSW）作為底模的UHPC 免模板濕接縫構(gòu)造形式，并設(shè)計5 片試驗梁進(jìn)行加載測試，研究裂縫發(fā)展規(guī)律、破壞模式、變形特點，探討鋼纖維含量對開裂荷載以及裂縫發(fā)展規(guī)律的影響，并通過足尺模型試驗驗證該免模板濕接縫構(gòu)造的可行性。

1 模型設(shè)計

1.1 設(shè)計構(gòu)思

在預(yù)制裝配式橋梁中，將預(yù)制構(gòu)件運輸至現(xiàn)場吊裝就位后，需要在橋面板接縫底部立模、綁扎鋼筋、澆筑混凝土?，F(xiàn)場支模復(fù)雜、工作量較大。接縫處新舊混凝土黏結(jié)較弱，易出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)安全使用。為提高裝配式橋梁接縫的抗裂性能并簡化現(xiàn)場施工工藝，提出一種以預(yù)埋CSW 作為底模的UHPC 免模板濕接縫構(gòu)造形式，其構(gòu)造如圖1所示。

圖1 UHPC免模板濕接縫

UHPC 免模板濕接縫施工流程如下：①將已焊接連接件的CSW 置于接縫處，并與其他橋面部分一起澆筑形成NC 預(yù)制橋面板；②將NC 預(yù)制橋面板運輸、吊裝至現(xiàn)場，就位后綁扎接縫位置的橋面鋼筋，澆筑接縫UHPC、形成整體，隨后進(jìn)行自然養(yǎng)護(hù)。

與傳統(tǒng)濕接縫相比，UHPC 免模板濕接縫具有以下優(yōu)點：

1）簡化現(xiàn)場施工工藝，現(xiàn)場無需支模也無需焊接鋼筋，大大提高了施工效率。通過在結(jié)構(gòu)底部增設(shè)CSW（配置連接件），并將其作為底模直接澆筑混凝土，減少了現(xiàn)場吊裝底模的工序；接縫中部采用環(huán)形鋼筋搭接無需焊接。

2）提高接縫構(gòu)造的抗裂性能。通過在接縫底部增設(shè)CSW，在橋面板橫向接縫處采用UHPC 代替NC，并對NC 預(yù)制板界面進(jìn)行鑿毛處理，提高了UHPC?NC界面黏結(jié)強度，從而提高構(gòu)件抗裂性能。

3）造價經(jīng)濟(jì)。波形鋼板具有自加勁作用，厚約2 mm 薄的鋼板采用波形布置后，具有很好的面外剛度，可以承受接縫現(xiàn)澆混凝土的重量，且不易發(fā)生大變形。另外，由于UHPC與鋼筋的黏結(jié)錨固性能好，將其作為濕接縫材料，可以減少鋼筋的搭接長度，縮短濕接縫寬度，從而提高經(jīng)濟(jì)性。

1.2 模型設(shè)計

本文共設(shè)計5片梁，試驗梁尺寸為1800 mm（長） ×500 mm（寬）× 270 mm（高），計算跨徑為1700 mm，UHPC 接縫段長度為300 mm，每側(cè)鋼筋的搭接長度為135 mm。試驗梁預(yù)制段采用C50 混凝土，接縫段采用強度等級R100 的UHPC。為探究不同鋼纖維含量對UHPC?NC 黏結(jié)強度的影響，設(shè)計0.5%、1.0%兩種鋼纖維含量。鋼纖維規(guī)格為直徑0.2 mm、長13 mm的鍍銅光面圓直型。

頂板、底板分別布置3C12、3C20 縱向鋼筋，腹板內(nèi)布置C10 箍筋，接縫處布置3C20 環(huán)形搭接鋼筋和4C12 橫向鋼筋，鋼筋規(guī)格均為HRB400。波形鋼板一面焊接連接件使其與試驗梁底板連接，另一面與底板外表面齊平，波形鋼板厚2.5 mm，材料為Q235。試驗梁參數(shù)見表1。各試驗梁的截面尺寸和配筋見圖2。

表1 試驗梁參數(shù)

圖2 試驗梁整體布置（單位：mm）

1.3 材料性能

參考GB/ T 31387—2015《活性粉末混凝土》［14］與GB/ T 50081—2002《普通混凝土物理力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》［15］分批澆筑并養(yǎng)護(hù)C50 和UHPC 材性試塊。材料性能試驗結(jié)果見表2。

表2 材料性能試驗結(jié)果

1.4 加載方案與測試內(nèi)容

試驗采用100 t 液壓千斤頂通過分配梁來實現(xiàn)兩點對稱加載，加載間距600 mm。正式加載前需進(jìn)行2 ～ 3次預(yù)加載，確定儀器以及試驗梁放置良好。正式加載時，每級加載值為5 kN，待梁體開裂后按15 kN 逐級加載，加載完畢待各項測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)采集和裂縫寬度測量。當(dāng)跨中位移隨荷載變化呈非線性且增值較大時，按1 mm 逐級加載，直至試驗梁破壞。

試驗內(nèi)容包括：①力的測試。在千斤頂與分配梁間放置100 t壓力傳感器測量試驗荷載。②撓度測試。沿梁縱向布置多個豎向千分表。③混凝土應(yīng)變。在接縫部位的頂部（測點編號為T1—T6）、底部（測點編號為B1—B5）和側(cè)面UHPC 表面（測點編號為S1?1—S5?3）沿縱向布置應(yīng)變片。④鋼筋應(yīng)變。在加載點、接縫面（測點編號為FB1?1—FB3?4）和跨中接縫處（測點編號為AB1—AB3）的底板鋼筋表面布置應(yīng)變片。⑤裂縫測試。采用裂縫觀測儀測量每個荷載步下較寬的典型裂縫和界面裂縫，并用馬克筆標(biāo)記裂縫發(fā)展情況。測點布置見圖3，P為千斤頂施加荷載。

圖3 測點布置

2 試驗結(jié)果

2.1 試驗全過程與荷載-位移曲線

5 片梁的試驗結(jié)果見表3?？芍篣HPC 整體梁的抗裂性能遠(yuǎn)大于其余4 片梁；對于預(yù)埋CSW 免模板接縫梁，增加接縫段UHPC 鋼纖維含量可以有效提升接縫梁抗裂性能；J?CSW?UHPC?1.0%梁的抗裂性能高于Z?NC梁。

表3 試驗結(jié)果

試驗梁的荷載-位移曲線見圖4?？芍?，各荷載-位移曲線存在兩個較為明顯的特征點，即開裂點、鋼筋屈服點，可將整個試驗大致劃分為3個階段：彈性階段、裂縫發(fā)展階段、屈服階段。①彈性階段。在試驗加載初期，試件表面未出現(xiàn)裂縫，各測點應(yīng)變與荷載基本呈線性關(guān)系，曲線斜率基本不變，梁體處于線彈性階段。②裂縫發(fā)展階段。當(dāng)荷載增加到一定值后混凝土出現(xiàn)裂縫，接縫梁初裂縫均位于UHPC?NC 界面，隨著荷載的繼續(xù)增加，界面處的裂縫寬度持續(xù)增長，并在預(yù)制NC 段、UHPC 接縫段相繼出現(xiàn)新的裂縫，試驗梁內(nèi)部不斷出現(xiàn)鋼纖維“咝咝”的開裂聲。這一階段裂縫數(shù)量增加較快，但寬度發(fā)展較慢。試驗梁剛度略有下降，曲線斜率逐漸減小。③屈服階段。各試驗梁裂縫數(shù)量趨于穩(wěn)定，主裂縫寬度發(fā)展迅速，并逐漸貫穿腹板，隨之受拉鋼筋屈服，荷載基本不增加，試驗梁達(dá)到極限受力狀態(tài)，跨中位移顯著增大，梁體剛度明顯減小，曲線逐漸趨于平緩。

圖4 試驗梁的荷載-位移曲線

對于2 片整體梁（Z?UHPC、Z?NC），當(dāng)荷載分別達(dá)到140.6、38.3 kN（對應(yīng)峰值荷載的22%、9%）時，試驗梁首先在純彎段開裂。隨著荷載的繼續(xù)增加，裂縫不斷發(fā)展，彎曲裂縫作為主裂縫，其寬度隨荷載的增量最明顯。達(dá)到極限荷載時，主裂縫迅速擴展變寬，梁體頂板混凝土壓潰。千斤頂繼續(xù)施壓，但試驗荷載無法增加，試驗梁發(fā)生彎曲破壞，Z?UHPC、Z?NC 梁最大變形分別為44.49、36.93 mm。其中，Z?NC 梁裂縫分叉，呈放射狀，破壞時有多條主裂縫，而Z?UHPC 梁裂縫密而細(xì)，破壞時只有1條主裂縫。

對于普通接縫梁（J?UHPC），當(dāng)荷載達(dá)到38.6 kN（對應(yīng)峰值荷載的9%）時，試驗梁首先在UHPC?NC 界面處出現(xiàn)彎曲裂縫，荷載繼續(xù)增加時，另一個界面產(chǎn)生裂縫，試驗梁其余部位均未開裂。當(dāng)荷載達(dá)到126.3 kN（對應(yīng)峰值荷載的30%）時，非界面（NC）部位初裂。隨著荷載的增加，預(yù)制NC 段裂縫數(shù)量和寬度不斷增加，并向上延伸。當(dāng)荷載達(dá)到202.6 kN（對應(yīng)峰值荷載的47.9%）時，非界面（UHPC）部位初裂。加載過程中，界面裂縫寬度始終小于非界面裂縫，最終右側(cè)加載點附近某一裂縫迅速向上攀升、貫穿梁體腹板，發(fā)展成為主裂縫。該截面鋼筋屈服、頂板壓潰，此時最大變形為30.27 mm。

對于2 片以預(yù)埋CSW 作為底模的免模板接縫梁（J?CSW?UHPC?0.5%、J?CSW?UHPC?1.0%），當(dāng)荷載分別達(dá)到33.5、57.9 kN（對應(yīng)峰值荷載的8.3%、14.3%）時，首先在UHPC?NC 界面處出現(xiàn)彎曲裂縫。荷載繼續(xù)增加，荷載分別為76.7、100.8 kN（對應(yīng)峰值荷載的19.0%、25.0%）時，在CSW?NC 界面（CSW 與NC 連接邊緣）觀測到NC 初裂縫。隨著荷載的增加，CSW 與NC 連接處裂縫數(shù)量緩慢增多。當(dāng)荷載分別達(dá)到163.7、181.0 kN（對應(yīng)峰值荷載的40.7%、44.8%）時，UHPC 部位初裂。隨后，CSW?NC 界面的初裂縫迅速發(fā)展成為主裂縫，不斷向加載點延伸發(fā)展，逐漸貫穿腹板。達(dá)到極限荷載時，千斤頂繼續(xù)施壓，但試驗荷載無法增加，試驗梁發(fā)生彎曲破壞。此時J?CSW?UHPC?0.5%、J?CSW?UHPC?1.0%梁最大變形分別為44.72、38.13 mm。

5片試驗梁的破壞細(xì)節(jié)如圖5所示。

圖5 破壞細(xì)節(jié)

2.2 裂縫分布與荷載-裂縫寬度關(guān)系

極限荷載作用下的裂縫分布見圖6。可見：①整體梁裂縫主要分布在純彎段，彎剪段出現(xiàn)少量斜裂縫，裂縫沿底板向加載點區(qū)域發(fā)展。②接縫梁的主裂縫均位于預(yù)制NC 段，免模板接縫梁主裂縫均位于CSW?NC 界面，UHPC 接縫段的裂縫短而窄，裂縫數(shù)量少、分布稀疏，預(yù)制NC 段的裂縫長而寬，且呈分叉、放射狀。

圖6 試驗梁裂縫分布

試驗梁荷載-主裂縫寬度曲線見圖7?？梢姡孩賃HPC 整體梁的主裂縫寬度發(fā)展速率遠(yuǎn)低于其余4 片梁。②NC 整體梁的主裂縫寬度發(fā)展速率與接縫梁相當(dāng)，當(dāng)荷載低于200 kN 時，接縫梁裂縫發(fā)展更慢，說明試驗初期，接縫梁的抗裂性能更優(yōu)。

圖7 試驗梁荷載-主裂縫寬度曲線

2.3 典型荷載-應(yīng)變響應(yīng)

2.3.1 頂板、底板應(yīng)變

各試驗梁混凝土荷載-頂?shù)装鍛?yīng)變曲線見圖8，其中，頂板選取破壞截面應(yīng)變片數(shù)據(jù)，底板選取初裂截面應(yīng)變片數(shù)據(jù)?？芍孩賹τ陧敯?，試驗初期應(yīng)變隨荷載的增大呈線性增長，隨著裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，荷載-應(yīng)變曲線斜率逐漸減小，直至試件屈服，其中Z?NC梁、Z?UHPC 梁應(yīng)變達(dá)到3×10-3以上。②對于底板，彈性階段時荷載-應(yīng)變曲線均呈線性變化，試驗梁開裂后截面發(fā)生應(yīng)力重分布，應(yīng)力陡增，曲線產(chǎn)生突變。由于接縫梁初裂位置在UHPC?NC 界面，鋼纖維參與抗拉作用，故接縫梁底板應(yīng)變發(fā)展速率慢于Z?NC 梁。而J?CSW?UHPC?0.5%、J?CSW?UHPC?1.0% 梁由于底部CSW 參與抗拉作用，底板應(yīng)變發(fā)展速率慢于J?UHPC梁。

圖8 荷載-頂?shù)装鍛?yīng)變曲線

2.3.2 主筋應(yīng)變

荷載-縱筋應(yīng)變曲線見圖9?？芍孩偌虞d點處荷載-縱筋應(yīng)變曲線呈三線性特征。在混凝土開裂前，應(yīng)變隨荷載線性增加，且變化較?。辉囼灹洪_裂后，受拉區(qū)部分混凝土失效，鋼筋應(yīng)變迅速增大；受拉鋼筋屈服后，荷載基本保持不變，應(yīng)變急劇增加。②加載過程中由于裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，鋼筋應(yīng)變不斷發(fā)生變化，主要表現(xiàn)為大部分鋼筋應(yīng)變增加速率變大，但當(dāng)測點附近出現(xiàn)新裂縫時，少部分測點出現(xiàn)應(yīng)變回縮現(xiàn)象。接縫梁破壞時，UHPC?NC 界面鋼筋應(yīng)變均達(dá)到2 × 10-3以上，但屈服強化階段不明顯；接縫中部環(huán)形鋼筋處應(yīng)變均未達(dá)到極限拉應(yīng)變，這是由于接縫梁在接縫處有環(huán)形搭接鋼筋，接縫內(nèi)的配筋率為預(yù)制NC 段的2倍。

圖9 荷載-縱筋應(yīng)變曲線

3 抗裂性能與抗彎承載力分析

3.1 抗裂性能

C50混凝土一旦開裂，裂縫寬度就會達(dá)到0.05 mm左右［16］，工程上通常將0.05 mm 作為UHPC 結(jié)構(gòu)抗裂設(shè)計的界限。試驗接縫梁初始裂縫均在UHPC?NC 界面。為評估UHPC 免模板濕接縫構(gòu)造的抗裂性能，本文以0.05 mm 裂縫寬度作為開裂狀態(tài)的對比基準(zhǔn)。各試驗梁初始裂縫寬度為0.05 mm時對應(yīng)的開裂彎矩及名義開裂應(yīng)力見表4?？芍?，J?CSW?UHPC?0.5%梁、J?CSW?UHPC?1.0%梁的名義開裂應(yīng)力比普通混凝土整體梁（Z?NC）分別提高36.4%、69.8%，說明接縫底部的預(yù)埋CSW 能有效減緩UHPC?NC 界面裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，提高結(jié)構(gòu)的抗裂性和耐久性。J?CSW?UHPC?1.0%梁的名義開裂應(yīng)力比J?CSW?UHPC?0.5%梁提高了24.4%，說明鋼纖維含量的增加可以有效提升結(jié)構(gòu)的抗裂性能。

表4 試驗梁開裂彎矩與開裂名義應(yīng)力

3.2 抗彎承載力

試驗梁的峰值荷載參見表3?？芍孩賃HPC整體梁的峰值荷載遠(yuǎn)高于其余4片梁，接縫梁和NC整體梁的峰值荷載基本一致。②J?CSW?UHPC?0.5%梁的抗彎承載力比Z?NC 梁低4.1%，比J?UHPC 梁高0.07%；J?CSW?UHPC?1.0%梁的抗彎承載力比Z?NC 梁低4.0%、比J?UHPC梁高0.28%，表明本文提出的以預(yù)埋CSW 為底模的UHPC 免模板濕接縫削弱了橋面板的抗彎承載力。由于預(yù)埋CSW 免模板接縫梁均在預(yù)制NC 段破壞，鋼纖維含量的變化對其抗彎承載力影響不大。

4 結(jié)論

1）各試驗梁表現(xiàn)了良好的抗裂、抗彎性能，破壞模式均為彎曲破壞，首先在UHPC?NC 界面出現(xiàn)初始裂縫，極限狀態(tài)時預(yù)制NC 段出現(xiàn)主裂縫，鋼筋隨之受拉屈服、頂板全寬壓潰。

2）與NC 整體梁相比，以預(yù)埋CSW 為底模的免模板接縫梁名義開裂應(yīng)力提升36% ～ 70%，承載能力略有降低。鋼纖維含量的提高可以增強UHPC?NC 界面黏結(jié)，提升接縫的抗裂性能，使其名義開裂應(yīng)力提高20% ～ 30%，但對極限承載力的影響不大。

3）鋼纖維含量為1.0%的免模板接縫梁的破壞發(fā)生在預(yù)制NC段，故UHPC鋼纖維含量采用2% ～ 3%時意義不大，且經(jīng)濟(jì)性能差。UHPC 鋼纖維含量建議取1.0%。

本文只研究了新型UHPC接縫構(gòu)造在受彎狀態(tài)下的力學(xué)性能和鋼纖維含量對其抗裂性能的影響，后續(xù)可以考慮剪拉作用的影響，并對界面處理情況（表面粗糙度、連接鍵設(shè)置、含水量、黏結(jié)材料、清潔程度等）、UHPC 澆筑方位、養(yǎng)護(hù)方式、養(yǎng)護(hù)齡期等因素進(jìn)行參數(shù)化分析，以更加真實地反映實際情況。