UHPC橋面板現(xiàn)澆接縫的彎拉性能研究

陳艷良,邵旭東,胡偉業(yè),張 陽(yáng)

(1．湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410082；2. 中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究院天津分院，天津 300000；3. 湖南大學(xué) 風(fēng)工程與橋梁工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410082)

0 引言

裝配化是橋梁工業(yè)化的主要特征，也是我國(guó)建設(shè)領(lǐng)域“十三五”期間轉(zhuǎn)型升級(jí)與戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向[1-2]。裝配式橋梁施工便捷、環(huán)保，是未來(lái)橋梁發(fā)展的趨勢(shì)之一，但是在橋面結(jié)構(gòu)受力時(shí)，接縫區(qū)域的力學(xué)性能和耐久性都較差，橋面板結(jié)構(gòu)往往因接縫的受力性能較差而破壞[3]，從而影響結(jié)構(gòu)的整體壽命。因此，接縫段的研究分析對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)起到非常重要的作用。合理的接縫設(shè)計(jì)，既可以使預(yù)制裝配結(jié)構(gòu)有著較好的傳力性能，又可以保證其抗?jié)B性和整體性。

現(xiàn)有裝配式橋梁結(jié)構(gòu)體系雖然已經(jīng)趨于成熟，但在結(jié)構(gòu)輕型化、減少現(xiàn)場(chǎng)施工工作量、提高耐久性、降低全壽命周期費(fèi)用等方面有較多改進(jìn)空間，其發(fā)展依賴于新材料的應(yīng)用。材料的革新會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性能從本質(zhì)上發(fā)生改變，是橋梁今后發(fā)展的主要催化劑[4]。超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete, UHPC)具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐久性能、超高強(qiáng)度和韌性等特點(diǎn)[5-6]，解決了傳統(tǒng)橋梁結(jié)構(gòu)自重大、耐久性差的缺點(diǎn)。UHPC抗拉強(qiáng)度超過(guò)7 MPa，受拉時(shí)，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變硬化和多元裂縫開(kāi)展的現(xiàn)象，本質(zhì)上解決了普通混凝土低抗拉強(qiáng)度的缺點(diǎn)。同時(shí)，UHPC具有優(yōu)異的和易性，易于施工操作和保證均勻密實(shí)，可降低施工難度，減少后期維護(hù)成本?，F(xiàn)有橋梁施工方法一般是整體現(xiàn)場(chǎng)澆筑施工法，但是大面積現(xiàn)澆UHPC蒸汽養(yǎng)護(hù)難度大，且澆筑后的UHPC性能得不到保證。裝配化UHPC組合梁橋可以解決上述兩大難題，有著很好的發(fā)展前景。

近些年來(lái)，很多學(xué)者對(duì)縱向接縫形式和接縫內(nèi)配筋形式進(jìn)行了改善和探究。文獻(xiàn)[7]進(jìn)行了帶傳統(tǒng)接縫形式的疊合板受力性能試驗(yàn)，將接縫位置的受力鋼筋改為錨固性很好的雙鋼筋，并認(rèn)為在接觸面設(shè)置雙筋和界面進(jìn)行鑿毛處理的效果相差不多，此種接縫形式的缺點(diǎn)是傳力不連續(xù)，在受力位置較大處不易設(shè)置。文獻(xiàn)[8-9]提出一種新型接縫形式，配筋形式為在預(yù)制段預(yù)設(shè)U形鋼筋，在拼接時(shí)U形鋼筋中間放置粗鋼棒，結(jié)果表明：該接縫形式力學(xué)性能良好，其承載力和整體性都較高，且能夠有效傳遞內(nèi)力。文獻(xiàn)[10]提出一種新型弧形鋼筋構(gòu)造，并與直筋以及U形鋼筋連接方式做對(duì)比，三者進(jìn)行軸拉試驗(yàn)，結(jié)果表明：弧形鋼筋構(gòu)造形式優(yōu)異性較突出，抗拉極限承載能力較高，承載力因厚度方向分布均勻的鋼筋可得到提高，但U形鋼筋受構(gòu)造要求限制。文獻(xiàn)[11-12]提出一種將接縫處橫向鋼筋與鋼板進(jìn)行焊接的連接方式，并通過(guò)試驗(yàn)研究和有限元分析對(duì)其承載力進(jìn)行了驗(yàn)證。

這些研究雖然取得了一定成果，但仍存在下述問(wèn)題：①其構(gòu)造形式大部分是平接縫形式，橋面結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)使用不久，就會(huì)出現(xiàn)接縫位置處混凝土開(kāi)裂、剝落及沿接縫位置的長(zhǎng)裂縫；②配筋較復(fù)雜，增加了現(xiàn)場(chǎng)施工的難度；③只停留在普通混凝土接縫的研究，未對(duì)新材料的接縫形式進(jìn)行研究。因此新的接縫構(gòu)造形式和合理的配筋形式有待探究。

傳統(tǒng)平接縫易出現(xiàn)滲水、車轍、承載力較低等病害，而UHPC材料有著良好的自密實(shí)性能和抗拉性能，故在設(shè)計(jì)與施工上可以通過(guò)改變接縫的材料、構(gòu)造形式與鋼筋布置形式來(lái)提高其承載力。本文以惠清麻埔停車區(qū)跨線橋工程為依托，參照其橋面板的縱向局部加高濕接縫結(jié)構(gòu)尺寸，另設(shè)計(jì)了一種常規(guī)平接縫形式，通過(guò)有限元軟件對(duì)兩種不同接縫形式的UHPC橋面板分別進(jìn)行了分析，基于兩種接縫形式開(kāi)展了足尺橋面板模型抗彎試驗(yàn)，并對(duì)有限元結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 UHPC橋面板接縫形式

廣東麻埔停車區(qū)跨線橋采用鋼 — UHPC輕型組合梁橋設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)橋孔和跨徑為4×25 m，荷載等級(jí)為公路I級(jí)，橋梁寬度為8.5 m，梁高1 m。

基于現(xiàn)有接縫的不足之處，該輕型組合梁橋濕接縫采用局部加高接縫形式，且鋼筋為交錯(cuò)布置筋。為了驗(yàn)證該局部加高接縫應(yīng)用的合理性，另提出一種常規(guī)平口接縫與之進(jìn)行對(duì)比。實(shí)橋標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖 1所示，兩種接縫構(gòu)造尺寸如圖 2所示，橋面板厚與平口接縫高均為12 cm，局部加高接縫處高20 cm。

圖1 鋼-UHPC輕型組合梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位：cm)Figure 1 Standard section diagram of steel-UHPC light composite beam (Unit: cm)

相對(duì)于平口接縫，局部加高接縫有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①該接縫通過(guò)頂面設(shè)置槽口，下部設(shè)置企口，使得槽口構(gòu)造處和企口構(gòu)造處新舊超高性能混凝土的界面相互錯(cuò)開(kāi)，可降低接縫界面的滲水病害，有效提高了橋面板接縫處的抗剪承載力，削弱了鋼纖維不連續(xù)的影響；②降低了新舊超高性能混凝土界面的收縮應(yīng)力，避免了接縫出現(xiàn)收縮裂縫，顯著提高了橋梁接縫處的耐久性；③局部加高可以增大截面抵抗矩，降低接縫處的彎曲應(yīng)力。

(a)局部加高接縫 (b)平口接縫

2 橋面板局部受力分析

2.1 節(jié)段有限元模型建立

為真實(shí)模擬全預(yù)制鋼-UHPC組合梁受力，減小邊界條件對(duì)橋面板受力的影響，采用ABAQUS分別對(duì)兩種縱向接縫橋面板建立長(zhǎng)8 m、寬8.5 m的鋼-UHPC組合梁有限元模型。該模型UHPC橋面板采用C3D8R實(shí)體單元，工字鋼采用S4R殼單元建立，采用映射網(wǎng)格劃分。節(jié)段有限元模型如圖 3所示。

圖3 節(jié)段有限元模型Figure 3 Segmental finite element model

UHPC彈性模量取40 GPa，泊松比為0.2。鋼彈性模量取200 GPa，泊松比為0.3。有限元模型邊界條件：π梁一側(cè)約束鋼梁下翼緣X、Y、Z向(即縱向、豎向、橫向)的移動(dòng)，另一側(cè)約束鋼梁下翼緣Y、Z向(即橫向、豎向)移動(dòng)。節(jié)段有限元模型考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、汽車輪載等作用。其中，鋼材容重取78.5 kN/m3，UHPC容重取27 kN/m3，瀝青容重取24 kN/m3，護(hù)欄一側(cè)按10 kN/m考慮。

2.2 靜力荷載工況

按照文獻(xiàn)[13]施加靜力汽車輪載，沖擊系數(shù)為1.3，忽略10 cm瀝青鋪裝層按45°角對(duì)車輪荷載的擴(kuò)散作用，車輪荷載施加到橋面板頂面的寬度和長(zhǎng)度為0.6 m×0.2 m。

本文主要關(guān)注UHPC橋面板主拉應(yīng)力、橫向拉應(yīng)力以及接縫界面處的主拉應(yīng)力。結(jié)合鋼-UHPC輕型組合π梁的特點(diǎn)，汽車輪載加載時(shí)，橫橋向分為5種工況，分別是車輪壓π梁橋面橫向跨中處工況(簡(jiǎn)稱“壓跨中”)、車輪在π梁橫向橋面跨中兩側(cè)對(duì)稱處工況(簡(jiǎn)稱“騎跨中”)、車輪壓π梁橋面接縫處工況(簡(jiǎn)稱“壓接縫”)、車輪在π梁橫向橋面接縫兩側(cè)對(duì)稱處工況(簡(jiǎn)稱“騎接縫”)、車輪在π梁支點(diǎn)兩側(cè)對(duì)稱處工況(簡(jiǎn)稱“騎支點(diǎn)”)，橫橋向輪載工況具體見(jiàn)圖 4。

圖4 車輪荷載分布圖(單位：cm)Figure 4 Distribution chart of wheel load(Unit:cm)

模型中結(jié)構(gòu)自重、二期恒載和汽車輪載按標(biāo)準(zhǔn)組合考慮，即1.0×(自重+二期恒載)+1.0×車輛荷載的組合。由模型計(jì)算結(jié)果可以得到局部加高接縫橋面板最大橫向拉應(yīng)力和最大主拉應(yīng)力為工況5作用下的3.68和3.71 MPa，接縫處最大主拉應(yīng)力為1.03 MPa。平口接縫橋面板最大橫向拉應(yīng)力和最大主拉應(yīng)力為工況4作用下的4.23和4.31 MPa，接縫處最大主拉應(yīng)力為1.81 MPa。

2.3 疲勞荷載工況

疲勞分析與靜力分析模型類似，橫橋向在考慮橋面板自重、二期鋪裝、兩側(cè)護(hù)欄作用下，疲勞車輪載分為8種情況，共計(jì)8種工況。疲勞車輪載按照文獻(xiàn)[13]來(lái)布置，且不考慮沖擊系數(shù)。

8種疲勞車輪載分別為：疲勞車輪在π梁邊支點(diǎn)兩側(cè)對(duì)稱處工況(簡(jiǎn)稱“騎邊支點(diǎn)”)、疲勞車輪在π梁橫向橋面接縫兩側(cè)對(duì)稱處工況(簡(jiǎn)稱“騎接縫”)、疲勞車輪在π梁橫向橋面中跨跨中兩側(cè)對(duì)稱處工況(簡(jiǎn)稱“騎中跨中”)、疲勞車輪在π梁中支點(diǎn)兩側(cè)對(duì)稱處工況(簡(jiǎn)稱“騎中支點(diǎn)”)、疲勞車輪壓π梁橋面橫向邊跨跨中處工況(簡(jiǎn)稱“壓邊跨中”)、疲勞車輪壓π梁橋面接縫處工況(簡(jiǎn)稱“壓接縫”)、疲勞車輪壓π梁橋面橫向中跨跨中處工況(簡(jiǎn)稱“壓中跨中”)、疲勞車輪壓π梁中支點(diǎn)處工況(簡(jiǎn)稱“壓中支點(diǎn)”)，疲勞車輪荷載工況具體見(jiàn)圖 5。輪載工況組合與靜力荷載工況類似，采用標(biāo)準(zhǔn)組合。

圖5 疲勞車輪荷載分布圖(單位：mm)Figure 5 Load distribution chart of fatigue wheel(Unit: mm)

由模型計(jì)算結(jié)果可以得到：局部加高接縫橋面板最大橫向拉應(yīng)力和最大主拉應(yīng)力為工況四作用下的2.75和2.76 MPa，接縫處最大拉應(yīng)力為0.69 MPa；平口接縫橋面板最大橫向拉應(yīng)力和最大主拉應(yīng)力為工況二作用下的3.39和3.41 MPa，接縫處最大主拉應(yīng)力為2.02 MPa。

將靜力和疲勞荷載工況結(jié)果匯總，如表 1所示。由以上2種工況可以看出，局部加高接縫可降低平口接縫形式橋面板和接縫處的最大主拉應(yīng)力，其中：在靜力工況下，與平口接縫相比局部加高接縫可以降低橋面板最大主拉應(yīng)力，降幅為13.8%，接縫處最大主拉應(yīng)力降幅為43.1%；在疲勞工況下，與平口接縫相比，局部加高接縫使橋面板最大主拉應(yīng)力降幅為19.1%，接縫處最大主拉應(yīng)力降幅為65.9%。局部加高接縫使得橋面板應(yīng)力大大減小。

表1 計(jì)算結(jié)果匯總表Table 1 Summary of calculation resultsMPa類別靜力工況疲勞工況σhσmax接縫處σmaxσhσmax接縫處σmax平口接縫4.234.311.813.393.412.02加高接縫3.683.711.032.752.760.69注:σh表示最大橫向拉應(yīng)力,σmax表示最大主拉應(yīng)力。

3 接縫模型抗彎試驗(yàn)

為了驗(yàn)證UHPC橋面板接縫的安全性能和有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，開(kāi)展了1∶1的帶接縫的UHPC橋面板抗彎試驗(yàn)。

3.1 試件設(shè)計(jì)與制作

平口接縫試件尺寸為長(zhǎng)1.8 m，寬0.55 m，高0.12 m；局部加高接縫試件尺寸為長(zhǎng)1.8 m，寬0.55 m，高0.12 m，局部加高到0.2 m。試件模型分為預(yù)制部分和現(xiàn)澆部分，均采用體積含量2.5%的0.2 mm×13 mm端勾型纖維。

鋼筋等級(jí)為HRB400，直徑12 mm。平口接縫板配筋如圖 6所示，接縫段搭接鋼筋的長(zhǎng)度為15 cm；局部加高接縫板配筋如圖 7所示，接縫段上下層鋼筋的搭接長(zhǎng)度均為14 cm。頂層和底層鋼筋均交錯(cuò)布置，間距為16 cm。

(a) 試驗(yàn)?zāi)Ｐ土⒚?/p>

(a) 試驗(yàn)?zāi)Ｐ土⒚?/p>

接縫試件模型分兩次澆筑，預(yù)制段澆筑后，自然養(yǎng)護(hù)48 h后在溫度約為的98 ℃環(huán)境下蒸汽養(yǎng)護(hù)48 h。之后再澆筑接縫段UHPC，并自然養(yǎng)護(hù)28 d。

3.2 抗彎試驗(yàn)

如圖 8和圖 9所示，本次試驗(yàn)采用MTS進(jìn)行4點(diǎn)加載，以保證2個(gè)兩加載點(diǎn)件部分只受彎矩的作用。本次試驗(yàn)中純彎段長(zhǎng)為0.8 m，試件支座到純彎段的距離為0.4 m。正式加載之前，應(yīng)先進(jìn)行預(yù)加載以盡可能消除系統(tǒng)誤差。正式試驗(yàn)中，先采用力控制，后改為位移控制，加至試件破壞。

圖8 平口接縫試驗(yàn)試件加載裝置(單位：cm)Figure 8 Loading device for flat joint test specimens(Unit: cm)

圖9 局部加高接縫試驗(yàn)試件加載裝置(單位：cm)Figure 9 Loading device for locally heightened joint test specimens(Unit: cm)

當(dāng)超高性能混凝土的最大裂縫寬度不超過(guò)0.05 mm時(shí)，裂縫對(duì)超高性能混凝土的耐久性的影響幾乎可忽略不計(jì)[14]，因此定義最大裂縫寬度0.05 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力為超高性能混凝土的名義開(kāi)裂應(yīng)力。

平口接縫試件的開(kāi)裂荷載為34.73 kN，開(kāi)裂應(yīng)力為5.30 MPa，局部加高接縫試件開(kāi)裂荷載為67.07 kN，截面高度換算為12 cm的開(kāi)裂應(yīng)力為10.2 MPa，可見(jiàn)截面局部加高可以提高截面的開(kāi)裂應(yīng)力和開(kāi)裂荷載，提高約92.4%，局部加高接縫試件實(shí)測(cè)截面高度20cm的開(kāi)裂應(yīng)力為3.70MPa。UHPC的疲勞強(qiáng)度折減系數(shù)一般均大于0.6，偏安全取0.5[15]，則平口接縫試件與局部加高接縫試件的疲勞彎拉允許應(yīng)力分別為2.65與1.85 MPa。

將試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表 2所示，可知局部加高接縫試件和平口接縫試件，在2種荷載工況下均滿足設(shè)計(jì)要求，且將接縫局部加高后可提高試件的安全系數(shù)。

表2 UHPC接縫試驗(yàn)試件驗(yàn)算Table 2 Checking calculation of UHPC joint test specimens試件類型荷載類別設(shè)計(jì)應(yīng)力/MPa開(kāi)裂實(shí)測(cè)應(yīng)力/MPa安全系數(shù)平口接縫試件靜力1.815.302.9疲勞2.022.651.3局部加高接縫試件靜力1.033.703.6疲勞0.691.852.7

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)普通混凝土平接縫的不足，本文提出了局部加高的UHPC接縫，并設(shè)計(jì)平口接縫進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)對(duì)2種不同接縫形式的UHPC橋面板進(jìn)行有限元計(jì)算和抗彎試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

a.局部加高接縫橋面板疲勞和靜力設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)應(yīng)力均小于平口接縫橋面板的疲勞和靜力設(shè)計(jì)應(yīng)力，且在接縫位置處降幅比較大，靜力為43.1%，疲勞為65.9%。

b.基于2種接縫構(gòu)造形式，開(kāi)展了足尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)，結(jié)果表明將接縫局部加高使構(gòu)件的開(kāi)裂荷載提高約92.4%。

c.平口接縫試件靜力開(kāi)裂荷載和疲勞開(kāi)裂荷載均大于設(shè)計(jì)應(yīng)力，實(shí)測(cè)應(yīng)力分別是設(shè)計(jì)應(yīng)力的2.9倍和1.3倍。局部加高接縫試件靜力開(kāi)裂荷載和疲勞開(kāi)裂荷載均大于設(shè)計(jì)應(yīng)力，實(shí)測(cè)應(yīng)力分別是設(shè)計(jì)應(yīng)力的3.6倍和2.7倍。故相比于平口接縫試件，將接縫局部加高后可提高試件的安全系數(shù)。