環(huán)形鋼筋互插帶托板濕接縫疲勞性能試驗

鄒 宇，劉 超，石雪飛

（1.四川公路橋梁建設集團有限公司勘探設計分公司，四川 成都 610041；2.同濟大學，上海市 200092）

1 概述

配筋現(xiàn)澆濕接縫是橋面板常見的連接形式[1]，常用于鋼混組合橋、預制T梁和小箱梁橋中。為滿足工業(yè)化建造的要求，本文提出了一種帶托板的環(huán)向鋼筋濕接縫結構，并于生產(chǎn)過程中在混凝土底部設置預制托板的形式作為濕接縫澆筑的底模板。這種連接方式既需要考慮環(huán)形鋼筋的合理構造，又需要解決托板的合理結構尺寸。

橋面板結構直接承擔車輪荷載的往復作用，其疲勞應力較為明顯[2]。針對疲勞荷載作用下混凝土橋面板的疲勞性能，學者們進行了大量的試驗研究。樊素[3]對公路橋梁進行試驗研究，發(fā)現(xiàn)我國中小跨徑公路橋梁耐久性大大降低，存在潛在的安全事故風險。Schlfli等[4]對混凝土橋面板進行了疲勞試驗，討論了跨中撓度、鋼筋和混凝土表面應變隨加載次數(shù)變化的趨勢。Lijuan Cheng[5]通過試驗對混凝土強度、加載頻率和加載幅度等參數(shù)進行分析。楊勇等對FRP-混凝土組合橋面板[6]和鋼板-混凝土組合橋面板[7-8]疲勞性能進行了試驗研究、黃僑等[9]對GFRP-混凝土組合橋面板的疲勞性能進行了試驗研究，發(fā)現(xiàn)在疲勞荷載作用下，GFRP-混凝土組合橋面板表現(xiàn)出了良好的變形恢復能力。馮仲仁等[10]通過試驗發(fā)現(xiàn)鋼纖維混凝土試件的疲勞強度比普通混凝土提高了20%左右。唐先習等[11]研究了鉸接板橋在疲勞荷載作用下的撓度變化規(guī)律。田啟賢等[12]通過試驗發(fā)現(xiàn)，超高性能混凝土-鋼正交異性橋面體系受力狀態(tài)良好。大量的試驗研究表明，橋面板的疲勞性能較好，在疲勞荷載作用下基本沒有出現(xiàn)剛度和強度下降的現(xiàn)象。而目前的疲勞主要是針對橋面板進行的，對濕接縫疲勞性能的研究較少。

為研究使用環(huán)形鋼筋搭接的濕接縫的疲勞性能，對其進行了疲勞試驗，討論疲勞作用對接縫性能的影響。針對接縫在使用過程中主要承擔的疲勞應力循環(huán)情況，確定合理的疲勞應力幅值和疲勞循環(huán)次數(shù)，采用彎曲疲勞加載模式，利用疲勞助動器進行疲勞加載，以檢驗試件的疲勞特性與疲勞壽命。

2 試驗方案

2.1 試件設計

本試驗所用混凝土為C50，鋼筋為HRB400。其中，預制板面中①號鋼筋直徑為12mm，②號鋼筋直徑為16mm，托板中③號鋼筋直徑為6mm。試件如圖1所示。

圖1 試件示意圖（單位：mm）

2.2 試驗加載方式和測試內(nèi)容

采用四點加載的方式進行疲勞加載，在預制板底設置簡支邊界。加載時通過分配梁在中部形成純彎區(qū)，加載點與支點之間的間距為550mm。加載裝置如圖2所示。

圖2 加載示意圖（單位：mm）

疲勞試驗總體上分為疲勞試驗和疲勞過程中的靜載試驗。

疲勞試驗具體加載流程如下：

（1）疲勞前純彎靜力性能試驗：加載幅值為3.6t，加載幅度為0.72t/級。

（2）50萬次（累計50萬次）疲勞加載，加載幅值為1.5~2.6t，加載頻率為8Hz。

（3）累計50萬次疲勞加載后純彎靜力試驗：加載幅值為3.6t，加載幅度為0.72t/級。

（4）50萬次（累計100萬次）疲勞加載，加載幅值為1.5~3.6t，加載頻率為8Hz。

（5）累計100萬次疲勞加載后純彎靜力試驗：加載幅值為5.4t，加載幅度為0.72t/級。

（6）100萬次（累計200萬次）疲勞加載，加載幅值為1.5~3.6t，加載頻率為8Hz。

（7）疲勞加載后的純彎靜力試驗：加載幅度為0.72t/級，加載至出現(xiàn)裂縫后用位移控制加載，直至破壞。

為了測試疲勞加載過程中試件跨中處的撓度，在跨中和跨中附近處對稱布置6個位移計。為了測試靜載加載過程中濕接縫側(cè)面混凝土應變和鋼筋應變，在試件跨中沿高度等間距布置3個應變片，在跨中位置處底面每根受拉鋼筋都布置1個應變片。

為了對比試件疲勞加載前后的受力情況，本試驗設置對照組，對同樣的構件進行靜力加載。

3 試驗結果

3.1動撓度

本試驗的采樣頻率為100Hz。由于數(shù)據(jù)過多，本文中給出195萬～200萬次疲勞加載動撓度結果，如圖3所示。圖中紅色框中為加載結束前幾秒動撓度數(shù)據(jù)，中間紅線為耦合后的曲線。圖4為試件跨中處動撓度與加載次數(shù)的曲線。動撓度包括最大動撓度、最小動撓度和撓度差。從圖中可以看出，隨著疲勞加載次數(shù)的增加，最大動撓度和最小動撓度均有增加的趨勢，但是幅度很?。辉嚰畲髣訐隙群妥钚訐隙炔钪祷疚醋?。

圖3 加載195萬～200萬次跨中動撓度測量結果

圖4 加載過程中撓度與疲勞加載次數(shù)關系

在疲勞加載過程中，構件未產(chǎn)生明顯裂縫，底部托板未出現(xiàn)掉落現(xiàn)象。

3.2 疲勞過程中的靜載試驗

在疲勞加載前、加載至50萬次和100萬次時，分別進行一次純彎加載試驗。所有靜載試驗跨中處撓度-荷載曲線如圖5所示。從圖中可以看出，3次靜載試驗得到的試件跨中處撓度-荷載曲線基本一致。

圖5 疲勞加載前和加載中靜載試驗跨中撓度-荷載曲線

3.3 疲勞后靜載試驗

3.3.1 破壞形態(tài)與撓度

200萬次疲勞加載之后進行加載破壞試驗。加載過程中，撓度-荷載曲線如圖6所示。破壞時構件情況如圖7（a）所示。對照組構件破壞時情況如圖7（b）所示。

圖6 疲勞后靜載試驗跨中撓度-荷載曲線

圖7 試驗構件破壞狀態(tài)

加載破壞的過程大致為：當荷載加載至50kN時，濕接縫和預制橋面板交界處產(chǎn)生了裂縫。當荷載增加到140kN時，兩個加載點正下方的下緣產(chǎn)生裂縫，裂縫發(fā)展迅速，試件跨中撓度增長迅速，即圖6中A處。當荷載增加到160kN后，跨中處產(chǎn)生裂縫，加載點正下方附近也開始產(chǎn)生裂縫，且裂縫發(fā)展迅速，撓度有突增現(xiàn)象，即圖6中B處。當荷載加載到180kN后，多條裂縫同時產(chǎn)生，發(fā)展較快，跨中處撓度迅速增大，即圖6中C處。當荷載增加到240kN后，濕接縫和預制橋面板交界處裂縫迅速發(fā)展，跨中處頂面混凝土被壓碎，構件破壞，主裂縫位于交界面處，如圖7（a）所示，跨中處撓度持續(xù)增大，荷載不再增加，即圖6中D處。此時跨中處位移為21.3mm，試件底部托板未脫落。

3.3.2 濕接縫側(cè)面應變測量結果

加載過程中，應變片布置和測得結果如圖8所示。

1～3號應變片位于濕接縫和預制橋面板交界處附近，4～6號應變片位于濕接縫跨中截面處。從圖8中可以看出，在加載初期，濕接縫側(cè)面應變隨荷載線性增加。當荷載增加到80kN時，3號應變片測得應變值超過100με，認為開始出現(xiàn)裂縫；當荷載增加到120kN時，濕接縫與預制橋面板交界處的3號應變片測得應變突變，說明此處裂縫突然增大，位于跨中處下側(cè)的6號應變片測得應變值超過100με，認為此處產(chǎn)生了裂縫；當荷載增加到180kN時，2號和5號應變片測得結果由壓應變突然轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?，而且迅速增大，說明裂縫向上發(fā)展至2號和5號應變片處。

圖8 疲勞后靜載試驗跨中處側(cè)面應變-荷載曲線

4 結果分析

4.1 構件剛度分析

從圖3中可以看出，在疲勞加載情況下，跨中處的動撓度一直處于一個平穩(wěn)的范圍內(nèi)。最大動撓度和最小動撓度有略微增加，增幅在9%左右。最大動撓度與最小動撓度差值基本沒有變化，說明在疲勞加載過程中，試件的抗彎剛度基本沒有變化。

在疲勞加載前、加載過程中和加載后都進行了四點彎曲的靜載試驗。四次靜載試驗的跨中處撓度-荷載曲線基本一致，說明試件的彎曲剛度沒有因為疲勞加載次數(shù)增加而發(fā)生變化。

4.2 試驗現(xiàn)象分析

在所有疲勞加載過程中，構件均未出現(xiàn)明顯的裂縫。

將疲勞后靜載試驗與對照組試驗進行對比，可以發(fā)現(xiàn)兩組試驗都是先在濕接縫和預制橋面板之間產(chǎn)生裂縫，最終破壞時，主裂縫也位于該處。但在頂面處，對照組出現(xiàn)了剝離現(xiàn)象，而疲勞后靜載試驗中頂面混凝土被壓碎。

在疲勞后靜載試驗中，開裂荷載為50kN，極限承載力為69.0kN·m，破壞時撓度為21.3mm；在對照組試驗中，開裂荷載為45kN，極限承載力為65.5kN·m，破壞時撓度為25.3mm。對比可得，開裂荷載相差11%，極限承載力相差5.3%，破壞時撓度相差18.8%。

5 結 論

為研究環(huán)向鋼筋濕接縫連接形式的合理構造和受力特點，本文對帶顯示托板的濕接縫橋面板試件進行疲勞試驗，得到如下結論：

（1）在幅值為1.5~2.6t，頻率為8Hz的循環(huán)疲勞荷載作用下，環(huán)向鋼筋互插濕接縫的抗彎剛度基本不會降低，且無明顯的裂縫。

（2）在200萬次疲勞荷載作用后，構件的破壞形式未發(fā)生變化，仍在濕接縫與預制板交界面處發(fā)生破壞，其極限承載力未發(fā)生大的變化。

（3）在疲勞荷載作用下，托板未出現(xiàn)脫落的現(xiàn)象，說明鋼筋網(wǎng)可以有效防止托板脫落。