24 m節(jié)段拼裝活性粉末混凝土簡支箱梁抗彎性能試驗研究

孫明德 李壯 高日 蘇永華 班新林

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.國泰土地整理集團有限公司，北京 100873；3.北京交通大學土木建筑工程學院，北京 100044）

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）作為一種新型的高性能水泥基復合材料，具有高強度、高韌性、高耐久性、體積穩(wěn)定性好等優(yōu)點［1-2］，可以減輕自重、增加跨度、減小尺寸，增強結(jié)構(gòu)抵抗運營荷載的有效性［3-5］。由于RPC 制備要求高，且需要高溫蒸汽養(yǎng)護才能充分發(fā)揮優(yōu)良性能。因此，一般在工廠制造RPC 梁，再運輸?shù)浆F(xiàn)場進行節(jié)段拼裝。節(jié)段拼裝是將預制的節(jié)段梁通過預應力鋼束張拉組成整體，施工進度快，具有較好的經(jīng)濟優(yōu)勢［6-7］。魏亞雄等［8］對一座4×30 m的預應力RPC裝配式箱梁的整體和局部受力性能進行了分析；查彥宇［9］建立72 m 活性粉末混凝土預制節(jié)段拼裝體外預應力簡支箱梁有限元模型，分析了其抗彎特性；王葦?shù)龋?0］對24 m節(jié)段拼裝模型梁的拼裝工藝、剛度和抗裂安全系數(shù)進行了研究。

本文對1 孔節(jié)段拼裝RPC 箱梁進行抗彎試驗，研究其破壞形態(tài)、荷載-撓度曲線、裂縫的發(fā)展和分布情況，可為節(jié)段拼裝RPC箱梁的工程應用提供參考。

1 試驗概況

1.1 試驗設(shè)計

預應力RPC 箱梁全長25.1 m，計算跨徑24 m，包含9 個梁段，節(jié)段長2.75～2.80 m，跨中腹板、底板和頂板厚度均為18 cm，支點附近加厚，箱梁腹板設(shè)RPC剪力鍵。24 m箱梁跨中截面見圖1。

圖1 24 m箱梁跨中截面（單位：cm）

試驗梁采用后張法節(jié)段拼裝施工，采用短線法預制，腹板預應力采用雙排8 根7-7φ5 鋼絞線，底板采用單排6 根7-7φ5 鋼絞線，腹板和底板鋼束錨下張拉控制應力分別為1 339，1 321 MPa，壓漿水泥強度M50。構(gòu)造鋼筋采用HRB400鋼筋，鋼筋直徑10 mm。

1.2 試驗梁制作

活性粉末混凝土配合比見表1。RPC 材料包括：粒徑為0.16～1.25 mm 的石英砂，42.5 普通硅酸鹽水泥，比表面積為242 000 m2/kg 的微硅粉、聚羧酸高效減水劑、鋼纖維（直徑0.22 mm，長12～15 mm，抗拉強度≥2 800 MPa）。

表1 活性粉末混凝土配合比 kg·m-3

由于節(jié)段梁體積較大，RPC 和易性差，在澆筑試驗梁時采用附著式振動器和振動棒相結(jié)合的振搗方式。澆筑后灑水，常溫養(yǎng)護24 h 后拆模，采用蒸汽養(yǎng)護，升降溫速度不應大于10 ℃/h，恒溫（70±5）℃養(yǎng)護時間不應少于48 h。

養(yǎng)護完成后對節(jié)段進行拼裝，具體流程為：打磨節(jié)段的膠粘結(jié)合面，在結(jié)合面涂抹樹脂膠；節(jié)段拼裝和臨時錨固，臨時錨固接縫面的預壓應力不小于0.3 MPa；所有節(jié)段拼裝完成后張拉預應力筋。

1.3 加載裝置

試驗采用縱向5排分配梁的加載方式加載（圖2），排間距4 m，分配梁的加載點位于腹板中心處的頂板，采用4 000 kN 液壓千斤頂施加荷載F。加載前對試驗梁進行預加載，正式加載采用單調(diào)分級加載，直至試件破壞。

圖2 試驗加載裝置

1.4 測試方案

測試內(nèi)容包括測量試驗荷載、撓度、應變和裂縫，以及預應力張拉測試。測點截面如圖3所示。

圖3 測試截面（單位：mm）

1）試驗荷載：通過布置于千斤頂上的壓力傳感器測得試驗荷載。

2）預應力張拉測試：通過摩阻試驗測得管道摩擦系數(shù)μ和管道每米偏差系數(shù)k；張拉前在跨中梁底貼混凝土應變片，測量張拉后實際應變。

3）撓度：在截面1布置3個百分表，在截面2布置2個百分表，測量試驗梁在各級荷載作用下的撓度變化。

4）混凝土應變：在截面1 沿梁高度粘貼11 個應變片，梁底粘帖5 個應變片，測量混凝土應變；在截面3設(shè)置5 個鋼弦傳感器，測量膠結(jié)縫處的應變，在截面4梁底粘貼5個應變片，測得的應變作為對比值。

5）裂縫：記錄各級荷載下裂縫寬度和間距，并在試驗梁上描繪裂縫分布與開展情況。

2 試驗結(jié)果

2.1 材料試驗與力學性能

RPC 試塊與模型梁在相同條件下養(yǎng)護?？箟簭姸仍嚰?00 mm×100 mm×100 mm 的立方體試塊，軸心抗壓強度試件為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試塊，抗折強度試件為100 mm×100 mm×400 mm的梁試塊，試塊數(shù)量各3 個。試驗后得到基本力學性能參數(shù)：抗壓強度為128 MPa，軸心抗壓強度為96.2 MPa，抗折強度為20.1 MPa。

2.2 預應力張拉測試結(jié)果

采用2臺穿心式壓力傳感器測定試驗梁的預應力損失，選擇腹板和底板各2 束預應力筋進行管道摩阻試驗，測得預應力鋼束與孔道壁的摩阻系數(shù)μ=0.23，管道每米偏差系數(shù)k=0.001，滿足設(shè)計要求。

預應力鋼束張拉完成后，得到箱梁底板下緣應變?yōu)?46 × 10-6，在自重和預應力作用下產(chǎn)生的壓應力為-19.62 MPa。

2.3 抗彎試驗結(jié)果

試驗梁跨中荷載-跨中撓度曲線見圖4。

圖4 試驗梁跨中荷載-撓度曲線

由圖4可知：

1）荷載從0 加載到419 kN（單點加載值，以下同）時，荷載-撓度曲線呈線性增長，試驗梁處于彈性階段。

2）加載至651 kN 時，跨中節(jié)段兩側(cè)的膠接縫在正面和反面均出現(xiàn)1條裂縫，裂縫寬度為0.01～0.02 mm，梁體剛度降低，荷載-撓度曲線出現(xiàn)拐點。繼續(xù)加載，已有裂縫寬度慢慢增大，沒有新裂縫產(chǎn)生。

3）加載至884 kN 時，跨中節(jié)段正面出現(xiàn)3 條裂縫，反面沒有產(chǎn)生裂縫；繼續(xù)加載，試驗梁正面純彎區(qū)段的裂縫增多，反面沒有產(chǎn)生裂縫，距離跨中4.2 m 處的膠接縫開裂。

4）加載至反力架單點加載最大承載力1 039 kN時，試驗梁的預應力筋沒有屈服，頂板沒有壓碎?？缰泄?jié)段兩側(cè)膠結(jié)縫開裂寬度分別為5.00，4.54 mm?？缰泄?jié)段正面腹板有11條裂縫，反面腹板沒有產(chǎn)生裂縫，卸載后裂縫閉合。

2.4 應變測試結(jié)果

跨中應變沿截面高度分布情況見圖5。可知，試驗梁在整個加載過程的應變沿梁高呈線性分布，截面符合平截面假定。

圖5 跨中應變沿截面高度分布情況

試驗梁截面混凝土應變見圖6?？芍?，膠結(jié)縫開裂時，截面3 處應變急劇增大，截面4 處混凝土應變增幅很小。

圖6 試驗梁截面混凝土應變

3 有限元分析

3.1 設(shè)計荷載

采用有限元軟件建立節(jié)段拼裝梁模型進行計算分析，可得：預應力鋼束張拉完成后，箱梁跨中底板下緣在自重和預應力作用下產(chǎn)生的壓應力為-18.2 MPa。對試驗梁逐級加載到設(shè)計荷載419 kN 時，得到縱向正應力云圖和荷載-撓度曲線，見圖7?？芍孩俸奢d從0加載至419 kN時，試驗梁截面處于全截面受壓狀態(tài)，且荷載-撓度曲線基本呈線性變化，梁體處于彈性工作狀態(tài)；②撓度有限元計算值小于試驗值，這是由于節(jié)段梁拼裝施工誤差、預應力管道壓漿質(zhì)量差等施工缺陷造成。

圖7 試驗梁在設(shè)計荷載下的受力特性

3.2 開裂荷載

在有限元模型計算中，當單點加載值達到780 kN時，梁體跨中底面的拉應力超過3.2 MPa（圖8），而膠結(jié)縫的抗拉強度為3.0 MPa，此時膠結(jié)縫開裂。另外，實測開裂荷載為651 kN，試驗值小于理論計算值。原因是清潔接縫部位的混凝土截面對黏結(jié)強度有影響［7］，而模型為理想狀態(tài)，實際有施工缺陷，且在加載前發(fā)現(xiàn)試驗梁膠結(jié)縫處的環(huán)氧樹脂內(nèi)部有白色裂縫缺陷，降低了膠結(jié)縫的黏結(jié)強度。

圖8 試驗梁縱向正應力云圖（單位：Pa）

4 結(jié)論

1）預應力鋼束與孔道壁的摩阻系數(shù)μ=0.23，孔道每米局部偏差對摩擦的影響系數(shù)k=0.001，均在規(guī)范建議取值范圍內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

2）膠結(jié)縫開裂后，試驗梁荷載-撓度曲線出現(xiàn)明顯的拐點。

3）試驗梁在整個加載過程中應變沿梁高呈線性分布，截面符合平截面假定。