拼裝混凝土橋面板型式對(duì)濕接縫抗彎性能的影響

苗旭東

(中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司，河北 涿州 072750)

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，交通量急劇性增長(zhǎng)，受到設(shè)計(jì)施工缺陷、環(huán)境侵蝕及車輛荷載增加等因素的影響，原先等級(jí)較低的部分橋梁承載力退化，需進(jìn)行維護(hù)[1]。預(yù)制拼裝普通混凝土構(gòu)件以其經(jīng)濟(jì)性好、施工快捷、技術(shù)成熟等優(yōu)勢(shì)，已成為我國(guó)應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)型式。然而，現(xiàn)有的預(yù)制拼裝普通混凝土(NSC)構(gòu)件中濕接縫處開裂破壞、漏水等病害已成為通病，嚴(yán)重威脅工程的安全使用。傳統(tǒng)預(yù)制拼裝普通混凝土接縫處理方法加固周期長(zhǎng)、加固效率不高且經(jīng)濟(jì)代價(jià)較高[2]。超高性能混凝土(UHPC)具有超強(qiáng)耐久性、超高韌性和超高抗拉、抗壓強(qiáng)度等特性，能夠有效彌補(bǔ)預(yù)制拼裝普通混凝土構(gòu)件維修改造的缺陷，必將在橋梁改造中發(fā)揮重大作用[3]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果證明了在預(yù)制拼裝普通混凝土結(jié)構(gòu)上現(xiàn)澆超高性能混凝土接縫的可行性。朱儉鋒[4]研究發(fā)現(xiàn)，與加固混凝土抗拉強(qiáng)度相比，超高性能混凝土-預(yù)制拼裝普通混凝土界面黏結(jié)強(qiáng)度可達(dá)69%～117%，界面黏結(jié)處具有卓越的力學(xué)性能；何啟軍等[5]研究了不同界面粗糙程度下預(yù)制拼裝普通混凝土的摩擦力和附著力，并探討了側(cè)向壓力對(duì)結(jié)合面抗剪強(qiáng)度的影響。為研究接縫截面型式對(duì)超高性能混凝土-預(yù)制拼裝普通混凝土界面開裂強(qiáng)度及黏結(jié)性能的影響，設(shè)計(jì)制作了5種接縫截面型式并進(jìn)行純彎荷載試驗(yàn)，通過純彎荷載試驗(yàn)揭示超高性能混凝土-預(yù)制拼裝普通混凝土界面裂縫發(fā)生發(fā)展情況，為現(xiàn)澆超高性能混凝土濕接縫應(yīng)用于預(yù)制拼裝混凝土構(gòu)件提供指導(dǎo)，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用的超高性能混凝土由鋼纖維、高效減水劑、石英粉、石英砂、粉煤灰、硅灰、水泥等組成；預(yù)制拼裝普通混凝土按照C40混凝土進(jìn)行配制，由減水劑、碎石、砂、水泥和水拌制而成。粗骨料(碎石)的最大粒徑不超過20mm；砂采用中砂，其細(xì)度模數(shù)在2.3～2.6之間；水泥采用P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。

1.2 試驗(yàn)方法

該工程場(chǎng)地處于京昆高速跨線橋兩側(cè)，地段為城市建成區(qū)邊緣，交通較方便，地形起伏不大，建筑、菜地、荒地遍布，地面海拔1905～1914m。首先澆筑接縫板中的預(yù)制拼裝普通混凝土部分，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)60天；養(yǎng)護(hù)完成后對(duì)接縫進(jìn)行打孔、鑿毛等界面處理；澆筑超高性能混凝土接縫前，充分潤(rùn)濕界面至預(yù)制拼裝普通混凝土界面達(dá)到飽和；現(xiàn)澆超高性能混凝土完整板和超高性能混凝土接縫，并標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天，進(jìn)行加載試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)見表1。

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

通過千斤頂進(jìn)行加載，加載方式為兩點(diǎn)加載，試驗(yàn)板的純彎段長(zhǎng)度為500mm，跨徑為1200mm。在鋼筋表面、接縫部位頂部以及底部的超高性能混凝土黏貼電阻式應(yīng)變片；試驗(yàn)板支點(diǎn)處、跨中、加載點(diǎn)處分別設(shè)置百分表對(duì)其撓度進(jìn)行測(cè)量；通過智能裂縫寬度觀測(cè)儀對(duì)裂縫寬度進(jìn)行測(cè)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 裂縫分布及破壞模式

試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_裂及破壞特征值見表2。可以看出，現(xiàn)澆超高性能混凝土接縫開裂荷載較大，且隨著荷載的增加裂縫擴(kuò)展比較緩慢，抗彎強(qiáng)度遠(yuǎn)大于預(yù)制拼裝普通混凝土，受力薄弱部位出現(xiàn)在超高性能混凝土-預(yù)制拼裝普通混凝土界面。超高性能混凝土-預(yù)制拼裝普通混凝土界面處，鑿毛密配筋板3號(hào)和鑿毛矩形板5號(hào)首先開裂，其初裂荷載與預(yù)制拼裝普通混凝土板基本持平。5號(hào)接縫界面最為薄弱，破壞時(shí)界面黏結(jié)了大量骨料和預(yù)制拼裝普通混凝土，主要是由于深度鑿毛處理導(dǎo)致預(yù)制拼裝普通混凝土表面有所擾動(dòng)，削弱了界面的黏結(jié)性能；隨荷載的不斷增大，3號(hào)界面處的裂縫寬度開展比較緩慢，且在預(yù)制拼裝普通混凝土部位形成主裂縫。菱形(6號(hào))、楔形(7號(hào))和打孔矩形(4號(hào))接縫板均在預(yù)制拼裝普通混凝土部位首先開裂，且界面開裂荷載分別高于完整預(yù)制拼裝普通混凝土板。

表2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_裂及破壞特征值

利用初等梁理論，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的名義開裂應(yīng)力(見圖1)?？梢钥闯?，與預(yù)制拼裝普通混凝土板名義開裂應(yīng)力相比，矩形密配筋接縫板(3號(hào))和矩形接縫板(5號(hào))基本持平。而菱形(6號(hào))、楔形(7號(hào))和打孔(4號(hào))接縫板的界面名義開裂應(yīng)力均高出預(yù)制完整普通混凝土板。主要是由于受力時(shí)，變形主要集中于預(yù)制拼裝普通混凝土的首先開裂處，結(jié)合面處應(yīng)力增長(zhǎng)緩慢，開裂應(yīng)力大幅的提升。

圖1 界面名義開裂應(yīng)力的對(duì)比分析

2.2 荷載-裂縫寬度曲線

從界面裂縫寬度曲線對(duì)比(見圖2)中可以看出，以其鋼筋屈服點(diǎn)為分界點(diǎn)，模型的荷載-主裂縫寬度曲線呈雙線性特征。隨荷載的增加主裂縫寬度呈線性增大，超高性能混凝土完整板(2號(hào))荷載-主裂縫寬度曲線遠(yuǎn)高于接縫板和預(yù)制拼裝普通混凝土完整板。鋼筋屈服前，接縫板5號(hào)、7號(hào)、6號(hào)的主裂縫擴(kuò)展速度稍高于完整預(yù)制拼裝普通混凝土板，而接縫板4號(hào)、3號(hào)的主裂縫擴(kuò)展速度與完整預(yù)制拼裝普通混凝土板基本一致；鋼筋屈服后，接縫板與完整預(yù)制拼裝普通混凝土板主裂縫寬度均急劇增大。除矩形接縫板5號(hào)外，其余接縫板主裂縫發(fā)生部位的材料抗裂性相同，且主裂縫均發(fā)生在純彎段內(nèi)的預(yù)制拼裝普通混凝土上，主裂縫寬度的擴(kuò)展速度與完整預(yù)制拼裝普通混凝土板基本相同。由于矩形鑿毛接縫板5號(hào)的超高性能混凝土-預(yù)制拼裝普通混凝土結(jié)合面最先開裂，其荷載-結(jié)合面裂縫寬度曲線明顯低于其他曲線；試驗(yàn)板破壞時(shí)，其余各接縫板的超高性能混凝土-預(yù)制拼裝普通混凝土結(jié)合面裂縫均未形成主裂縫；矩形密配筋接縫板3號(hào)和打孔接縫板4號(hào)的曲線與完整預(yù)制拼裝普通混凝土板基本吻合。菱形(6號(hào))和楔形(7號(hào))接縫板結(jié)合面開裂后裂縫發(fā)展緩慢，荷載-結(jié)合面裂縫寬度曲線高于完整預(yù)制拼裝普通混凝土板。

圖2 荷載-UHPC-NSC界面裂縫和主裂縫寬度曲線

超高性能混凝土完整板0.2mm主裂縫荷載明顯高于其他接縫板和預(yù)制拼裝普通混凝土完整板。超高性能混凝土-預(yù)制拼裝普通混凝土界面處，鑿毛矩形接縫板最終形成主裂縫，其界面抗裂和抗彎性能均低于預(yù)制拼裝普通混凝土完整板，其0.2mm主裂縫荷載大約低19.23%；密配筋矩形接縫板的0.2mm主裂縫荷載與預(yù)制拼裝普通混凝土完整板基本持平；菱形、楔形和打孔矩形接縫板界面開裂后裂縫寬度發(fā)展緩慢，且界面初裂強(qiáng)度高于預(yù)制拼裝普通混凝土；對(duì)比超高性能混凝土-預(yù)制拼裝普通混凝土界面0.2mm寬裂縫對(duì)應(yīng)的荷載，鑿毛矩形接縫板0.2mm界面裂縫荷載低于預(yù)制拼裝普通混凝土完整板，界面的抗裂性能相對(duì)較差；其余四種接縫板的界面0.2mm裂縫荷載均高于預(yù)制拼裝普通混凝土完整板荷載15.2%～39.2%，說明增大黏結(jié)面積的菱形和楔形、界面打孔以及密配筋等方法能夠有效抑制界面裂縫的開展，提高了開裂后的抗彎拉性能。

2.3 荷載-撓度曲線

從試驗(yàn)板荷載-撓度曲線(見圖3)可以看出，除超高性能混凝土完整板外，所有接縫板和預(yù)制拼裝普通混凝土完整板的荷載-跨中撓度曲線呈明顯的三線性的特征。未開裂前荷載-撓度曲線的斜率最大，鋼筋和混凝土共同承受彎拉應(yīng)力，抗彎剛度最大。開裂后，曲線斜率明顯減小，受拉區(qū)混凝土開裂，抗彎剛度有所下降。受拉鋼筋屈服后，在荷載基本不變的情況下，荷載-撓度曲線趨于平緩，跨中撓度急劇增加并趨于破壞。超高性能混凝土完整板裂縫密集分布，且較為細(xì)小，開裂前后其剛度變化不大，荷載-撓度曲線基本呈線性；僅在鋼筋屈服后，跨中撓度急劇增加。

圖3 各試件荷載-撓度曲線

不同撓度下，從各塊試驗(yàn)板破壞時(shí)的撓度值及荷載(見表3)可以看出，由于超高性能混凝土的超強(qiáng)韌性和抗拉性能，其荷載顯著高于其他試驗(yàn)板；楔形截面大幅增加了界面間的黏結(jié)面積，使得楔形接縫板的載撓比高于預(yù)制拼裝普通混凝土完整板；菱形和鑿毛矩形接縫板的載撓比略低于預(yù)制拼裝普通混凝土完整板；由于界面密配筋的加強(qiáng)作用和孔內(nèi)超高性能混凝土榫的“插銷”增強(qiáng)作用，使得密配筋矩形和打孔矩形接縫板的等載撓比明顯高于預(yù)制拼裝普通混凝土完整板。從試驗(yàn)板破壞時(shí)的撓度對(duì)比來看，超高性能混凝土完整板的破壞撓度較小，所有接縫板與預(yù)制拼裝普通混凝土完整板的破壞撓度值相差較小?？傮w而言，超高性能混凝土完整板的變形較小、剛度最大；接縫板中除菱形和鑿毛矩形接縫板的抗彎剛度略小于預(yù)制拼裝普通混凝土完整板外，其余接縫板的抗彎剛度基本上大于或持平預(yù)制拼裝普通混凝土完整板。

表3 關(guān)鍵撓度對(duì)應(yīng)的荷載及破壞撓度

2.4 荷載-應(yīng)變曲線

圖4 各試件的荷載-鋼筋應(yīng)變曲線

從試驗(yàn)板的荷載-鋼筋應(yīng)變曲線(見圖4)可以看出，兩種整體板的荷載-鋼筋應(yīng)變曲線呈現(xiàn)三線性特征，在開裂點(diǎn)和鋼筋屈服點(diǎn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷暮奢d-鋼筋應(yīng)變曲線斜率發(fā)生變化。試驗(yàn)板未開裂前混凝土提供了抗拉承載力，鋼筋應(yīng)變與荷載呈線性變化；開裂后，受拉鋼筋提供承載力，受拉鋼筋屈服時(shí)，應(yīng)變急劇增加。相同荷載下，預(yù)制拼裝普通混凝土完整板中受拉鋼筋承受的應(yīng)力明顯大于超高性能混凝土完整板中受拉鋼筋，這說明開裂后超高性能混凝土可以承受比預(yù)制拼裝普通混凝土大得多的拉應(yīng)力。對(duì)接縫板的荷載-鋼筋應(yīng)變曲線而言，破壞時(shí)接縫板的鋼筋應(yīng)變最大達(dá)到2000×10-6，接縫內(nèi)的配筋率基本為預(yù)制拼裝普通混凝土板的2倍，鋼筋拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于預(yù)制拼裝普通混凝土板內(nèi)鋼筋。受拉區(qū)混凝土開裂后，混凝土應(yīng)力會(huì)重分布，其應(yīng)變迅速增加。對(duì)整體板而言，預(yù)制拼裝普通混凝土完整板開裂應(yīng)變明顯低于超高性能混凝土完整板。與其他接縫板相比，矩形密配筋接縫板中超高性能混凝土接縫內(nèi)應(yīng)變?cè)黾颖容^緩慢，接縫開裂荷載也更大。主要是由于密配筋接縫板中接縫處配筋率更高，接縫本身承擔(dān)更少的拉應(yīng)力，提高了接縫的初裂荷載。

3 結(jié) 論

通過試驗(yàn)，本文研究了預(yù)制拼裝混凝土構(gòu)件截面型式對(duì)濕接縫的抗彎性能的影響，現(xiàn)澆超高性能混凝土接縫開裂荷載較大，抗彎強(qiáng)度遠(yuǎn)大于預(yù)制拼裝普通混凝土，受力薄弱部位在超高性能混凝土-預(yù)制拼裝普通混凝土界面處。矩形接縫板接縫界面最為薄弱，其破壞荷載也與預(yù)制拼裝普通混凝土板基本持平；密配筋接縫板界面處的裂縫寬度隨荷載增大而開展緩慢；菱形、楔形和矩形打孔接縫板界面開裂荷載均高于完整預(yù)制拼裝普通混凝土板，提高了預(yù)制拼裝普通混凝土與現(xiàn)澆超高性能混凝土間的高黏結(jié)作用，并可有效抑制裂縫的擴(kuò)展。試驗(yàn)?zāi)Ｐ推茐臅r(shí)，接縫處的鋼筋應(yīng)變最大達(dá)到2000×10-6左右；由于矩形密配筋接縫板中配筋率最高，其超高性能混凝土接縫開裂荷載最大。研究結(jié)果能夠?yàn)楝F(xiàn)澆超高性能混凝土濕接縫應(yīng)用于預(yù)制拼裝混凝土構(gòu)件提供理論指導(dǎo)。