基于鋼筋網(wǎng)聯(lián)結(jié)的鋼-ECC組合橋面結(jié)構(gòu)抗彎性能試驗(yàn)研究

張文武， 王怡凱， 榮 銳， 畢玉峰， 宋 杰， 孫仁娟

(1.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院， 濟(jì)南 250002； 2.山東大學(xué) 齊魯交通學(xué)院， 濟(jì)南 250002)

為了滿(mǎn)足交通路網(wǎng)建設(shè)需求，我國(guó)建成了許多大跨徑正交異性鋼-混凝土組合橋梁[1]。橋面鋪裝是鋼-混凝土組合橋梁的重要組成部分之一，除了滿(mǎn)足行車(chē)舒適性等與普通路面相似的路用性能外，還必須與鋼橋面板協(xié)同受力變形，滿(mǎn)足鋼橋面板抗疲勞的要求。在重載、高溫等作用下的鋼橋面柔性鋪裝橋面板易疲勞開(kāi)裂，鋪裝層易損壞，而傳統(tǒng)剛性鋪裝存在鋪裝厚度大、材料抗拉強(qiáng)度不足等缺點(diǎn)[2-6]。據(jù)此，王婷等[7]對(duì)鋼纖維混凝土在橋面鋪裝工程中的應(yīng)用技術(shù)開(kāi)展了相關(guān)研究，論證了鋼纖維混凝土材料在橋面鋪裝工程中應(yīng)用的可行性。張松濤[8]、邵旭東等[9]基于鋼纖維混凝土鋪裝層過(guò)薄而無(wú)法采用常規(guī)抗剪連接件形式的問(wèn)題，提出一種新型鋼筋網(wǎng)局部焊接抗剪連接件，與傳統(tǒng)作為連接件的栓釘相比，相同荷載比值下采用焊接聯(lián)結(jié)的界面相對(duì)滑移小，焊接抗剪件的抗剪剛度大于栓釘。

ECC(Engineered Cementitious Composite)是一種具有明顯應(yīng)變硬化特征的材料，且在改變鋼筋的數(shù)量后能夠進(jìn)一步增強(qiáng)ECC材料的受彎承載力和延性，同時(shí)可有效延緩裂縫的發(fā)展，從而提高了材料的抗拉性能[10-14]。卜良桃等[15]對(duì)聚乙烯醇纖維水泥(PVA-ECC)鋼筋網(wǎng)加固的鋼筋混凝土梁進(jìn)行受彎性能試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，PVA-ECC鋼筋網(wǎng)加固方法能有效提高鋼筋混凝土梁承載力和剛度，能較好地約束裂縫的發(fā)展，具有良好的加固效果。本文將超高韌性水泥基復(fù)合材料作為橋面鋪裝層，使用鋼筋網(wǎng)作為連接件來(lái)提高ECC與鋼板之間的粘結(jié)能力，形成一種新型組合結(jié)構(gòu)；通過(guò)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，對(duì)組合結(jié)構(gòu)的承載能力、抗滑移能力和裂縫性能進(jìn)行測(cè)試，并探尋合適的配筋率。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)配筋率的不同，設(shè)計(jì)了4塊組合橋面板。正交異性鋼板-ECC試件尺寸為1 200 mm×200 mm×69 mm。其中鋼板厚14 mm，ECC層厚55 mm。鋼板與ECC層使用鋼筋網(wǎng)作為連接構(gòu)件，鋼筋網(wǎng)分為縱向鋼筋和橫向鋼筋，鋼筋網(wǎng)的橫筋焊接到鋼板，縱筋與橫筋點(diǎn)焊。試件的尺寸和鋼筋布置如圖1所示。

(a) BM1鋼筋布置

(b) BM2鋼筋布置

(c) BM3鋼筋布置

(d) BM4鋼筋布置

試驗(yàn)ECC所用水泥為P·O 42.5，粉煤灰為臨沂產(chǎn)I級(jí)粉煤灰。ECC材料28 d抗壓強(qiáng)度為50.3 MPa，直拉強(qiáng)度為4.7 MPa，彎拉強(qiáng)度為15.2 MPa。試驗(yàn)鋼板采用Q345等級(jí)低合金鋼，鋼筋采用直徑Φ10的鋼筋，等級(jí)為HRB400。各組合橋面板的具體試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 組合橋面板試驗(yàn)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案采用四點(diǎn)彎曲加載方式，并逐級(jí)加載。試驗(yàn)初期先采用一定的荷載增量逐級(jí)加載，由于達(dá)到最大荷載后荷載開(kāi)始緩慢下降，因此后期以一定的位移值增量進(jìn)行逐級(jí)加載。試驗(yàn)采取負(fù)彎矩加載，加載時(shí)，ECC層主要受彎拉作用，鋼板受壓?，F(xiàn)場(chǎng)加載裝置如圖2所示。

圖2 加載裝置示意

試驗(yàn)中組合結(jié)構(gòu)的跨中位移、分配梁加載位置的位移及支座位置的位移均使用百分表測(cè)量，ECC與鋼板的相對(duì)滑移則使用千分表測(cè)量。

ECC與鋼板的應(yīng)變使用DH3815N-1靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集，ECC與鋼板純彎段各均勻地布置9片應(yīng)變片，側(cè)面各布置3片應(yīng)變片，ECC層的頂面布置了引伸儀來(lái)補(bǔ)充應(yīng)變數(shù)據(jù)。應(yīng)變片及引伸儀布置如圖3所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

鋼板-ECC組合橋面板試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

2.2 承載能力分析

荷載-跨中撓度曲線(xiàn)從宏觀(guān)上顯示組合橋面板承載能力的大小。荷載-跨中撓度曲線(xiàn)如圖4所示。

(a) 鋼板底面應(yīng)變片布置

(b) ECC頂面應(yīng)變片布置

(c) ECC頂面引伸儀布置

(d) 組合板側(cè)面應(yīng)變片布置

表2 主要試驗(yàn)結(jié)果

圖4 荷載-跨中撓度曲線(xiàn)

由圖4可知，以鋼筋網(wǎng)聯(lián)結(jié)ECC和鋼板，能夠明顯看出縱筋數(shù)量對(duì)組合橋面板承載能力的影響。組合橋面板BM1未配置縱筋，只配置同等數(shù)量橫筋，其組合橋面板與其他組合橋面板相比，承載能力差很大，BM2僅配置了1根縱筋，但最大承載力與BM1比較提高了101%；而B(niǎo)M3與BM2比較，BM4與BM3比較，分別僅提升了18.5%和16.1%。由此可見(jiàn)增加縱向配筋的數(shù)量可提高組合橋面板承載能力，且存在一個(gè)最優(yōu)配筋率。

組合橋面板在出現(xiàn)裂縫后仍能夠在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持一定的承載力繼續(xù)變形，這顯示了ECC材料良好的延性。

本文的試件破壞過(guò)程都經(jīng)歷了彈性階段、裂縫開(kāi)展階段和破壞階段。荷載-應(yīng)變曲線(xiàn)如圖5所示。由圖5可知：

1) 彈性階段。施加荷載初期曲線(xiàn)保持線(xiàn)性關(guān)系，試件沒(méi)有出現(xiàn)可見(jiàn)裂縫。

2) 裂縫開(kāi)展階段。在這個(gè)階段曲線(xiàn)斜率突然變小，應(yīng)變?cè)黾拥乃俣燃涌?，ECC表面出現(xiàn)細(xì)密的裂縫，此時(shí)曲線(xiàn)仍然能夠保持一定的斜率(即試件剛度保持不變)，但ECC表面的裂縫數(shù)量增加。該階段不同配筋率的組合橋面板性能的差別逐漸體現(xiàn)出來(lái)，配筋率越高，承受相同荷載時(shí)的應(yīng)變值越小。對(duì)鋼筋網(wǎng)型組合板抗彎性能起決定性作用的是內(nèi)部縱向鋼筋配筋率的大小。

3) 破壞階段。當(dāng)荷載加到一定程度，各個(gè)組合橋面板的曲線(xiàn)逐個(gè)變得平緩，此時(shí)的應(yīng)變變化很快，組合橋面板即將達(dá)到極限承載力，裂縫的寬度急速增長(zhǎng)。由此發(fā)現(xiàn)，除了沒(méi)有配鋼筋的BM1外，其他組合橋面板在極限荷載時(shí)都能達(dá)到3%左右的應(yīng)變。

圖5 荷載-應(yīng)變曲線(xiàn)

2.3 開(kāi)裂分析

試件的開(kāi)裂過(guò)程如圖6所示。各階段開(kāi)裂分析如下：

(2)供電方案的設(shè)計(jì)主要包括電氣主接線(xiàn)、環(huán)網(wǎng)柜、箱式變電站的設(shè)計(jì)與選擇，要在滿(mǎn)足安全可靠性的基礎(chǔ)上，盡量簡(jiǎn)化線(xiàn)路布置，以便于維護(hù)和檢修。

1) 彈性階段。試驗(yàn)開(kāi)始至出現(xiàn)第1條裂縫期間，隨著荷載的增加，可以發(fā)現(xiàn)荷載與跨中撓度存在良好的線(xiàn)性關(guān)系。

2) 裂縫開(kāi)展階段。支座下邊緣附近的ECC底面出現(xiàn)第1條微小的可見(jiàn)裂縫，裂縫出現(xiàn)后便開(kāi)始快速沿ECC邊緣向內(nèi)延伸，裂縫的寬度擴(kuò)展到很小的寬度便不再增大，如圖6(a)所示。隨著荷載的增加，ECC底面不斷出現(xiàn)新裂縫，并在裂縫發(fā)展到與第1條裂縫相似的寬度上便開(kāi)始穩(wěn)定不再擴(kuò)展，如圖6(b)所示。隨后，組合橋面板的側(cè)面也出現(xiàn)多條細(xì)密裂縫，這時(shí)的荷載與跨中撓度曲線(xiàn)已經(jīng)偏離線(xiàn)彈性階段。隨著裂縫數(shù)量的繼續(xù)增加，每條裂縫的間距大體相等，裂縫與裂縫間相互平行，且與組合橋面板的軸向垂直。此時(shí)，所有的應(yīng)變片都超出量程。隨著荷載的繼續(xù)增加，組合橋面板上將不會(huì)出現(xiàn)新的裂縫，取而代之的是原有裂縫的擴(kuò)展，所有裂縫大致以相同速度擴(kuò)展，直至應(yīng)力達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度，組合橋面板上的某條裂縫(稱(chēng)之為主裂縫)開(kāi)始局部化擴(kuò)展，在跨中ECC底面出現(xiàn)1條較寬的主裂縫，隨著荷載增大逐漸加寬，如圖6(c)所示。

3) 破壞階段。主裂縫貫穿ECC面，且荷載無(wú)法繼續(xù)增加，組合橋面板破壞，如圖6(d)所示。

加載時(shí)，ECC受拉，底面支座附近最先出現(xiàn)可視裂縫，裂縫寬度約為0.05 mm，此時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載定義為開(kāi)裂荷載，通過(guò)開(kāi)裂荷載可求得開(kāi)裂強(qiáng)度。各組合橋面板開(kāi)裂強(qiáng)度如表3所示。

(a) 出現(xiàn)裂縫

(b) 裂縫開(kāi)展

(c) 主裂縫出現(xiàn)

(d) 組合橋面板破壞

表3 各組合橋面板開(kāi)裂強(qiáng)度

由表3可知，試驗(yàn)中組合橋面板ECC的抗彎拉開(kāi)裂強(qiáng)度大于4.33 MPa，滿(mǎn)足大跨度橋梁車(chē)輛荷載作用下橋面結(jié)構(gòu)橫向抗拉應(yīng)力的要求[16]。比較4種組合橋面板，隨著縱筋數(shù)量的增加，可提高組合板的開(kāi)裂強(qiáng)度。BM1沒(méi)有配置縱筋；BM2配置了1根縱筋，開(kāi)裂強(qiáng)度提高了34.4%；BM3配置了3根鋼筋，開(kāi)裂強(qiáng)度提高了7.4%；BM4配置了5根鋼筋，開(kāi)裂強(qiáng)度提高了6.7%。由此可見(jiàn)增加縱向配筋的數(shù)量可提高組合橋面板開(kāi)裂強(qiáng)度，且存在一個(gè)最優(yōu)配筋率。

2.4 最大裂縫寬度

裂縫寬度是結(jié)構(gòu)耐久性的重要影響因素。與普通混凝土相比，ECC由石英砂、粉煤灰、水泥等細(xì)骨料組成，最大骨料粒徑不超過(guò)1 mm，內(nèi)部密實(shí)，纖維在裂縫處的連接使混凝土開(kāi)裂后仍能保持一定的抗拉能力，裂縫處ECC的殘余抗拉強(qiáng)度可減小所需的傳遞長(zhǎng)度而縮短了裂縫間距，進(jìn)而有效限制了裂縫的開(kāi)裂和發(fā)展[2]。現(xiàn)通過(guò)研究組合結(jié)構(gòu)的最大裂縫寬度來(lái)探究ECC材料控制裂縫的能力。荷載-最大裂縫寬度曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 荷載-最大裂縫寬度曲線(xiàn)

由圖7可知：

2) 裂縫開(kāi)展階段。ECC組合橋面板在在裂縫較小時(shí)，隨著荷載的增長(zhǎng)，最大裂縫寬度增長(zhǎng)的速度比較緩慢，試件純彎段裂縫的數(shù)量不斷增多。BM1是沒(méi)有配置縱向鋼筋的組合橋面板，在剛剛出現(xiàn)裂縫時(shí)，裂縫寬度的增加很快，但是開(kāi)裂后仍然能夠在較小的裂縫下維持荷載。這說(shuō)明ECC具有良好的控制裂縫能力。

3) 破壞階段。最大裂縫寬度隨著荷載的施加極速增長(zhǎng)，此時(shí)記錄最大裂縫寬度已經(jīng)沒(méi)有意義。

綜上所述，隨著縱向鋼筋數(shù)量的增加，組合橋面板在同一荷載時(shí)，其最大裂縫寬度越?。唤M合橋面板BM4配置5根縱向鋼筋，組合橋面板在達(dá)到極限承載力之前，最大裂縫寬度能夠保持在0.2 mm以?xún)?nèi)，這時(shí)的裂縫寬度不會(huì)影響組合橋面板的使用性能。因此，縱筋數(shù)量的增加有利于減緩最大裂縫寬度的擴(kuò)展。

2.5 鋼板與ECC的粘結(jié)情況

將鋼筋網(wǎng)焊接到鋼板上，有利于促進(jìn)鋼板與ECC之間的連接能力，增加鋼筋后，能夠繼續(xù)增加組合橋面板的極限承載力。荷載-相對(duì)滑移曲線(xiàn)如圖8所示。

由圖8可知，使用鋼筋網(wǎng)聯(lián)結(jié)的組合結(jié)構(gòu)，不同配筋率組合橋面板荷載-相對(duì)滑移曲線(xiàn)基本重合；當(dāng)組合橋面板破壞時(shí)，各組合橋面板仍未發(fā)生較大的相對(duì)滑移，這說(shuō)明鋼筋網(wǎng)連接件能夠?qū)摪迮cECC緊密的粘結(jié)在一起，直到組合橋面板將近破壞時(shí)仍能夠保證較大的抗剪強(qiáng)度。

圖8 荷載-相對(duì)滑移曲線(xiàn)

3 結(jié)論

本文在現(xiàn)有的橋面板結(jié)構(gòu)及受力特點(diǎn)基礎(chǔ)上提出一種基于鋼筋網(wǎng)聯(lián)結(jié)的正交異性鋼板-ECC組合橋面結(jié)構(gòu)體系，通過(guò)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)分析，得到如下結(jié)論：

1) ECC組合橋面板在出現(xiàn)裂縫后仍能夠在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持一定的承載力繼續(xù)變形，說(shuō)明組合板具有良好的延性。

2) 組合橋面板抗彎承載力與ECC層開(kāi)裂強(qiáng)度隨著縱筋配筋數(shù)量的增大而提高，隨著配筋數(shù)量的增大二者的上升幅度減小。由此可見(jiàn)增加縱向配筋率能夠提高組合橋面板的承載力和抗裂能力，且存在一個(gè)最優(yōu)值。

3) 試驗(yàn)中組合橋面ECC層裂縫寬度的發(fā)展與縱向鋼筋截面配筋率有關(guān)，縱向鋼筋對(duì)ECC表層裂縫的發(fā)展起到約束作用，配筋率越高，達(dá)到相同裂縫寬度時(shí)的組合橋面能夠承擔(dān)的荷載值越大。

4) 組合結(jié)構(gòu)利用鋼筋網(wǎng)聯(lián)結(jié)ECC與鋼板，ECC和鋼板之間界面的滑移值很小，表明組合板界面抗剪能力強(qiáng)。