混凝土建筑大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁粘接臨界試驗分析

方曉成 劉江武

摘要：節(jié)段梁拼裝技術(shù)是大型混凝土建筑中經(jīng)常使用的技術(shù)之一，為了保證該技術(shù)在大跨徑懸臂建設工作中的應用質(zhì)量，設計拼裝節(jié)段梁粘接臨界試驗，為項目工程的實施提供數(shù)據(jù)支持。粘接臨界試驗設計的目的是確定拼裝節(jié)段梁的臨界承載力及其粘接性能的影響因素，方便調(diào)整節(jié)段梁的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與組成成分。在試驗開始前，分別準備試件制備和粘接臨界測試的實驗原材料。利用原材料預制大跨徑懸臂節(jié)段梁，并按照實際的富春江大橋工程結(jié)構(gòu)得出試驗的試件樣本。分析拼裝節(jié)段梁粘接性能的作用機理，在此基礎上通過設置測點和施加荷栽2個步驟，設計并執(zhí)行試驗。通過分析拼裝節(jié)段梁試件應變與荷栽的關(guān)系，確定其粘接臨界強度，其中試件cFsT1-P粘接臨界為1600kN，而試件cFsT2-P的粘接臨界為1200kN。

關(guān)鍵詞：混凝土建筑;大跨徑懸臂梁;節(jié)段梁拼裝;粘接性能;臨界試驗;

中圖分類號：U448 文獻標識碼：A 文章編號：1001—5922（2021）01—0105—06

0引言

混凝土是建筑中常用的建筑材料之一，該材料是膠凝材料將集料膠結(jié)成整體的工程復合材料的統(tǒng)稱，在實際的建筑工程設計與建設過程中，使用的混凝土多利用水泥作為膠凝材料，將石、砂等作為集料按照一定比例與水攪拌在一起，得到的水泥混凝土即為普通的混凝土，可以被廣泛應用到土木工程中，也可以直接作為建筑材料應用到建筑施工工程中。在制作混凝土材料的過程中，可以根據(jù)建筑的施工需求，加入外加劑以及摻和料等添加劑，得到性能不同的混凝土材料。在實際的混凝土建筑中除了混凝土材料外，還需要配合一些鋼筋材料，就是在鋼管中填充混凝土，進而將混凝土和鋼筋兩種不同性質(zhì)的材料組合。按照建筑截面形式的不同，可以將得到的混凝土材料分為圓形鋼筋混凝土、方形鋼筋混凝土和多邊形鋼筋混凝土，以這種材料為原料建設的建筑即為混凝土建筑。混凝土建筑除了常見的居民樓、辦公樓外，還包括跨江大橋以及類似跨度較大的建筑。其中大跨徑懸臂梁是修建大橋上的重要組成部分之一，一般大橋修建時，其上部是由變截面雙向預應力混凝土形成的連續(xù)箱梁和掛籃懸臂，且澆筑在其端支座處、跨中及邊跨直線段的梁高呈線性變化。利用節(jié)段拼裝技術(shù)將設計并完成施工的大跨徑懸臂梁以節(jié)段梁的形式安裝在橋樁上，實現(xiàn)大跨度橋梁的設計與施工。

混凝土建筑大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁在實際應用過程中需要承載較大的應力，而且混凝土建筑的泊松比會隨著荷載的增加有明顯的增大，可以由低應力時的1/6到高應力時的1/2，接近破壞時會更大。而混凝土建筑中的大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁也會由于受力較大，而發(fā)生斷裂或變形等問題，為此需要在施工與設計過程中對大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁的粘接性進行分析，并根據(jù)分析結(jié)果進行改進。

混凝土建筑大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁的粘接性指的是軟質(zhì)耐火粘土等能膠結(jié)另外一種物質(zhì)的性質(zhì)，及干后的硬化能力。粘接性較高的拼裝節(jié)段梁可以在承受較大壓力的情況下，保證整體混凝土建筑的完整性，有效降低坍塌事故發(fā)生的概率。因此在混凝土建筑大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁投人應用之前，需要對其粘接性進行測試試驗，以粘結(jié)性的臨界值為量化判斷標準進行測試，從而為大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁施工項目的調(diào)整與修復提供數(shù)據(jù)支持。

1大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁粘接臨界試驗設計

選取富春江大橋的混凝土梁端進行大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁粘接臨界試驗，選擇的梁端為此次試驗的試驗對象樣本，試驗對象樣本的采集環(huán)境如圖1所示。

為了降低此次粘接臨界試驗對實際混凝土建筑施工的影響，以選擇的富春江混凝土大橋梁端為基礎，重新準備規(guī)格相同的大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁作為此次試驗的試驗對象，主橋跨徑布置為85+2x151+85m，總長472m，邊中跨比0.563。主梁采用上下行分幅設置。主梁主體采用節(jié)段預制拼裝，主墩附近主梁采用現(xiàn)澆施工。邊跨共劃分20個預制節(jié)段，單個中跨共劃分35個預制節(jié)段，全橋共220個預制節(jié)段。結(jié)構(gòu)體系采用連續(xù)鋼構(gòu)體系，主墩墩身與主梁固結(jié)，過渡墩與主梁間設置支座。預應力砼段箱梁采用變截面連續(xù)箱梁，梁高及底板厚度按1.8次拋物線變化。大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁粘接臨界試驗的總體布置情況如圖2所示。

1.1試驗目的

設計大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁粘接臨界試驗的目的包括：①探索大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁粘接應力的變化與粘接強度的大小;②研究大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁粘接不同拼裝節(jié)點的受力情況，并初步得出承載力的計算結(jié)果;③得出大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁粘接滑移本構(gòu)模型，并計算粘接的極限長度和臨界應力。

1.2試驗材料準備

根據(jù)實際富春江大橋橋梁建筑工程的施7-7-況與施工需求，結(jié)合大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁粘接臨界試驗的研究目的，分別從試驗的3個階段準備一定數(shù)量的試驗材料。

1.2.1混凝土大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁材料

混凝土大跨徑懸臂梁采用C55海工耐久混凝土，在固結(jié)墩左右幅間中橫梁段現(xiàn)澆濕接縫采用C55補償收縮混凝土頂板橫向預應力懸臂梁的型號為BMl5-3，體外預應力采用無粘接PE高強低松弛鍍鋅鋼絞線，外套采用高密度聚乙烯哈弗套管。另外在大跨境懸臂節(jié)段梁的拼裝過程中需要用到起吊機等設備，懸臂起吊機的額定起吊重量為800kN，適應懸臂節(jié)E墚的最大長度為3m。雖然不同拼裝階段的抗傾覆安全系數(shù)不同，但始終不低于2.0。懸臂起吊機的最大懸臂作業(yè)半徑和最大吊升高度分別為3.5m和25m，該設備的自重量是280kN。另外需要在施工之前選擇型號適宜的相關(guān)電動設備，并對設備進行調(diào)試處理。

1.2.2粘接臨界測試儀器與材料

試驗按照應力等效原則進行粘接臨界的測試，因此需要在混凝土大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁上施加不同程度的應力與荷載?？紤]實際試件的受力面積，使用螺旋式千斤頂作為粘接臨界測試材料，并要求選擇的施加荷載設備可以準確調(diào)整施加荷載的大小。除此之外，還需要準備傳感器設備，傳感器的主要作用是觀察混凝土大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁的形變情況，并將試件的形變情況量化輸出，得到量化的試驗測試結(jié)果。

1.3制備大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁

以實際富春江大橋建筑工程中的大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁結(jié)構(gòu)為基礎，制備此次試驗的試件。實驗試件設備的制備分為3個步驟，首先準備試件的原材料，即混凝土材料，按照大跨徑懸臂梁的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)制作節(jié)段梁。最后利用拼裝技術(shù)，將節(jié)段梁拼裝在一起得到粘接臨界試驗的試件。最終制備的大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁結(jié)構(gòu)如圖3所示。

對于制備的試驗試件需要同時保證平面面板的匹配密貼和節(jié)段梁栓焊連接的質(zhì)量，據(jù)此要求拼裝技術(shù)具有足夠的制造精度，在試驗開始之前也需要掌握接縫口在拼裝階段的相對變形量m。為了避免試驗中其他變量對試驗結(jié)果造成影響，需要對制備完成的混凝土大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁試件進行質(zhì)量檢測與篩選。

1.3.1設計試件結(jié)構(gòu)

大跨徑懸臂節(jié)段梁主要由主梁、錨固系統(tǒng)、縱橫向調(diào)整系統(tǒng)、橫聯(lián)及支承系統(tǒng)等部分組成，具體的試件設計結(jié)構(gòu)如圖4所示。

大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁的橋面吊機主梁是由貝雷片拼接而成的空間桁架結(jié)構(gòu)，在一個混凝土大跨徑懸臂梁中主梁分為兩個部分，兩者之間的距離約為2.5m。而相應貝雷片的桁長為13.5m左右，該單元的組成方式為4排單層結(jié)構(gòu)。錨固系統(tǒng)的作用是用來固定大跨徑懸臂梁，防止其在拼裝或移動過程中發(fā)生傾覆。通過大跨徑懸臂梁各個單元結(jié)構(gòu)的配合，實現(xiàn)大跨徑懸臂節(jié)段梁的平衡和穩(wěn)定。

1.3.2混凝土的配置與施工

以混凝土為大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁的組成原料，首先確定混凝土的配比。要求配置的混凝土坍落度損失小于20mm，其中底板、腹板與頂板的坍落度控制在140mm到180mm之間。另外在施工過程中混凝土的初始凝結(jié)時間不能高于8h，但最終的凝結(jié)時間不能小于14h，為了保證試件制備結(jié)果的牢固性，要求混凝土原材料在48h后的應力強度需要達到40MPa以上，且其外觀的氣泡量要少，不能出現(xiàn)滲水、泌水的情況。

遵循上述混凝土配置的要求，按照混凝土的施工工藝得到混凝土配置的初始結(jié)果。首先充分考慮混凝土配置結(jié)果在強度、凝固時間以及坍落度等方面的要求，確定并稱量混凝土、水、砂、石以及外加劑之間的配比。在混泥土攪拌的過程中盡量避負加氣劑以及氯鹽的摻人，將水、水泥以及減水劑的用量精確到1%。

1.3.3制備大跨徑懸臂梁

選擇大跨境懸臂梁的模具，通過混凝土泵送的方式將攪拌完成的混凝土注入其中，按照圖5所示的流程制備大跨境懸臂梁。

拆除澆筑模板，并校正模板的制備誤差，得出初始大跨境懸臂節(jié)段梁試件的制備結(jié)果，如表1所示。

1.3.4拼裝大跨徑節(jié)段梁

大跨徑懸臂節(jié)段梁的拼裝就是將準備完成的混凝土懸臂節(jié)段梁運輸?shù)较鄳臉蛭簧?，以移動支架造橋機為依托，將多個節(jié)段梁按照制備順序和形狀整孔拼裝到位。具體的拼裝流程如圖6所示。

在拼裝過程中需要控制節(jié)段梁的中線位置和梁頂高度，由于在現(xiàn)場施工過程中無法避免拼裝誤差的產(chǎn)生，因此針對每一個拼裝環(huán)境消除可控誤差，以免誤差累積。

1.4無應力作用下計算節(jié)段梁預制構(gòu)形

結(jié)合有限元理論在無外力作用下，分析節(jié)段梁的狀態(tài)量與單元預制構(gòu)形參數(shù)之間的關(guān)系。定義節(jié)段梁的端面曲率和長度表達式為：

綜合上述理論可以得出大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁粘接應力的大小與其在梁體內(nèi)部的分布規(guī)律，從而得到粘接應力的試驗值。在梁體內(nèi)部安裝應變片，且由于梁內(nèi)相對寬度方向尺寸較小，因此可以近似認為拼裝節(jié)段梁內(nèi)外兩側(cè)的應力與應變情況相同。通過實時計算應變片的形變量，并統(tǒng)計相應的荷載施加情況便可以得出應變一應力一荷載之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，結(jié)合極限理論得出粘接臨界條件，便可以得出大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁粘接臨界的實驗結(jié)論舊。

1.6試驗過程

以上述粘接應力的試驗測試及其相關(guān)原理為理論基礎，分別從應力一應變測試點和施加荷載2個方面設計并執(zhí)行試驗過程。

1.6.1布置測點

在布置應變片時，將應變片按照一定間距布置在梁體外壁上，在不影響拼裝節(jié)段梁粘接效果的同時，保證應變片的安全和測量準確，并具有較高的試驗操作性。

1.6.2施加節(jié)段梁荷載

在對大跨度懸臂拼裝節(jié)段梁施加荷載之前，首先需要分析節(jié)段梁的初始荷載。在初始狀態(tài)下節(jié)段梁的荷載來自于自身的重力、移動的拉力以及混凝土建筑橋面的荷載等，初始節(jié)段梁荷載分析結(jié)果如表2所示。

調(diào)節(jié)安裝的千斤頂設備，實現(xiàn)節(jié)段梁的施加荷載值，分別記錄千斤頂?shù)暮奢d數(shù)據(jù)以及不同試件梁內(nèi)應變片的數(shù)據(jù)，同時觀察大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁的外觀變化。

2試驗結(jié)果分析

綜合荷載施加量、梁內(nèi)應變量以及應力的統(tǒng)計結(jié)果，可以得出相關(guān)的大跨徑懸臂拼裝節(jié)段梁粘接臨界試驗結(jié)果，其中試件CFST1一P的荷載與開裂應變情況如表3所示。

按照表3中數(shù)據(jù)的計算方式，可以得出所有試驗試件應變與荷載之間的數(shù)據(jù)關(guān)系，計算數(shù)據(jù)的平均值繪制荷載一應變的關(guān)系曲線如圖8所示。

從圖8中可以看出，不同的試件由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及原料含量的不同，導致其粘接荷載的臨界值不同，其中編號為CFSTl-p試件的粘接臨界為1600kN而試件CFST2-P的粘接臨界為1200kN。

3結(jié)語

通過模擬混凝土建筑工程的施工實際情況，大跨度懸臂梁采用節(jié)段懸梁拼裝的方式連接具有工期短、質(zhì)量好、施工安全系數(shù)高以及工程成本低等特點，可以在未來的城市建筑工作中得到廣泛的應用。然而針對不同的地段和使用需求，需要對拼裝節(jié)段梁之間的接縫進行粘接臨界分析，從而保證拼裝技術(shù)的應用價值和施工質(zhì)量。得出的粘接臨界結(jié)果為：CFST1-P試件的粘接臨界為1600kN而試件CFST2-P的粘接臨界為1200kN。