預(yù)制NSC梁現(xiàn)澆UHPC鉸縫彎剪性能試驗與分析

陽 晴, 張 陽, 邵旭東, 余家勇

(1.湖南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410082； 2.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計研究院股份有限公司， 廣東 廣州 510000)

0 引言

裝配式空心板梁橋(以下簡稱空心板橋)構(gòu)造簡單、可工廠預(yù)制、施工方便，具有廣泛的適用性，是我國中小跨徑的首選橋型之一[1]?？招陌鍢蛲ǔＭㄟ^鉸縫將預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁拼接在一起，荷載能夠在相鄰空心板間橫向傳遞。但在大量工程實踐中發(fā)現(xiàn):現(xiàn)有的普通混凝土(NSC)鉸縫處發(fā)生大量病害，鉸縫開裂后，水和化學物質(zhì)會滲入，侵蝕混凝土和鋼筋，鉸縫進一步被破壞，引起鉸縫脫落；這些病害會造成空心板橫向失去聯(lián)系，導(dǎo)致空心板橋處于“單板受力”狀況，使得上部主要承重結(jié)構(gòu)處于不利的受力狀態(tài)，行車舒適性、橋梁安全性和耐久性明顯降低，對橋梁的危害極大[2]。

空心板橋鉸縫病害的根本原因在于鉸縫材料采用常規(guī)的現(xiàn)澆普通混凝土(NSC)，性能較差，加之現(xiàn)澆普通混凝土與預(yù)制混凝土界面粘接強度不高，在彎、剪、拉等復(fù)雜受力作用下很容易開裂破壞[3]。

采用超高性能混凝土(UHPC，Ultra-High Performance Concrete)作為空心板橋鉸縫材料，可以解決橋梁鉸縫病害問題[4-5]。與普通混凝土相比，UHPC不僅擁有超高抗壓強度、超高抗拉強度和超強韌性等優(yōu)異的力學性能，還具有強度發(fā)展快、超韌、耐久性好、收縮徐變較小等優(yōu)勢，是過去30 a中最具創(chuàng)新性的水泥基工程材料[6-7]；同時該材料是由細骨料配制而成，與預(yù)制混凝土的界面粘接強度較高，有效保證了界面粘接強度及界面抗?jié)B透性[8-9]。

在國外，UHPC作為空心板橋鉸縫材料已得到一定規(guī)模的應(yīng)用，用于空心板橋結(jié)構(gòu)中，可以有效改善橋梁上部結(jié)構(gòu)的整體性能，其相關(guān)研究見文獻[10-12]。美國、加拿大等對其進行了系統(tǒng)的研究，并制定相應(yīng)的設(shè)計、施工手冊，目前，國內(nèi)對于使用UHPC作為空心板橋鉸縫的研究基本處于空缺狀態(tài)。

1 試驗梁模型

1.1 空心板橋鉸縫的受力特性

根據(jù)我國交通部編制的2008版公路橋梁通用圖，圖1為目前工程中普遍使用的20 m跨徑、12.75 m寬的空心板橋截面尺寸，以此為研究對象，利用ABAQUS建立有限元模型。模型由12片空心板梁組成，通過鉸縫及鋼筋將相鄰空心板梁連在一起?；炷敛捎冒斯?jié)點六面體線性單元(C3D8)模擬，鋼筋采用二節(jié)點桁架單元(T3D2)模擬，鋼筋采用嵌入技術(shù)與混凝土進行粘結(jié)；鉸縫接觸面使用粘結(jié)單元traction-separation來模擬[13]。有限元分析中各材料參數(shù)見表1。整體模型網(wǎng)格劃分、鉸縫及鋼筋細節(jié)如圖2所示。

圖1 空心板橋各構(gòu)件跨中截面(單位: mm)Figure 1 The mid-span section of box-girder bridge member(Unit: mm)

圖2 空心板橋有限元模型Figure 2 Finite element model of box-girder bridge

表1 有限元材料參數(shù)Table 1 Material parameters of the FE mode類別彈性模量/GPa泊松比質(zhì)量密度/(kg·m-3)NSC34.20.22 400鋼筋2000.37 850

根據(jù)公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范(JTG D60-2015)[14]，模型采用的車輛荷載如圖3所示，按最不利荷載分布情況，將3列標準車輛偏載布置于鉸縫邊上，如圖4所示。車輛荷載布置時，中、后輪荷載作用面積為600 mm×200 mm，中輪均壓為0.5 MPa，相當單軸重120/2 kN，后輪均壓為0.583 MPa，相當單軸重140/2 kN；前輪荷載作用面積為300 mm×200 mm，前輪均壓為0.25 MPa，相當單軸重30/2 kN。忽略鋪裝層壓力擴散的影響。

圖3 車輛荷載立面、平面示意圖(單位： cm)Figure 3 Elevation and plan of vehicle load(Unit: mm)

圖4 車輛荷載工況圖(單位： cm)Figure 4 Distribution of vehicle load(Unit: mm)

通過計算，求得空心板橋各鉸縫在上述車輛荷載作用下的彎矩值與剪力值，彎矩值與剪力值的比值得到彎剪比，彎剪比的計算結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，J3鉸縫彎剪比最大，其值為0.72，在外荷載作用下，鉸縫承受的彎矩值相對于剪力值較大，因此空心板橋鉸縫在分析設(shè)計時不能忽略其彎矩。有許多科研工作者利用有限元計算得出鉸縫可以傳遞彎矩[15-18]。

表2 各個鉸縫彎剪比Table 2 Bending shear ratio of each key joint鉸縫彎剪比鉸縫彎剪比J10.16J7 0.34J20.44J8 0.29J30.72J9 0.23J40.63J100.15J50.47J110.07

1.2 試件的設(shè)計與制作

根據(jù)上述空心板橋鉸縫的受力分析，在最不利荷載工況作用下，鉸縫所受彎剪比最大值為0.72。據(jù)此共制作了3組共6根鉸縫梁模型，每組2根，其中一組用于對比的常規(guī)型NSC鉸縫梁(N — N)，一組常規(guī)型UHPC鉸縫梁(N — U)和一組加強型UHPC鉸縫梁(E — U)。梁的構(gòu)造模型如圖5所示，鉸縫梁長1 990 mm，兩支點間距1 790 mm，梁高300 mm，鉸縫中心至梁支點距離為720 mm，這樣，在單點加載作用下，鉸縫位置所受彎剪比為0.72。梁內(nèi)縱向布置直徑為16 mm的HRB400級鋼筋，箍筋、架立鋼筋以及鉸縫內(nèi)連接鋼筋為直徑10 mm的HRB300級鋼筋。

圖5 試驗?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)示意圖(單位： cm)Figure 5 Structural diagram of specimen mode(Unit: mm)

N — N試件模型的連接件形式、結(jié)構(gòu)尺寸以及混凝土梁內(nèi)配筋均與N — U試件相同，不同的是N — N試件用普通混凝土作為鉸縫材料，N — U試件用UHPC作為鉸縫材料；對于E — U試件，鉸縫形式采用的是倒T型結(jié)構(gòu)，采用UHPC作為鉸縫材料，是對常規(guī)型鉸縫設(shè)計不足進行的改造，其優(yōu)勢有：①可以避免常規(guī)型鉸縫形式在外力荷載作用下底部出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象；②預(yù)制構(gòu)件的底部縱向受力鋼筋可以伸出搭接，使得相鄰預(yù)制構(gòu)件更好連接在一起共同受力。

試驗?zāi)Ｐ椭谱鲞^程如圖6所示。首先澆筑鉸縫梁中的NSC部分，澆筑完NSC部分后采用室內(nèi)常溫養(yǎng)護，養(yǎng)護齡期為28 d。NSC部分養(yǎng)護完成后對其界面進行鑿毛處理，深度鑿毛須露出粗骨料并用鋼刷刷去NSC接縫界面處松動的浮渣。澆筑鉸縫混凝土之前，需提前2 d不間斷地充分濕潤預(yù)制NSC界面表面，直至NSC界面達到飽和濕潤狀態(tài)，因為普通混凝土基質(zhì)在充分潤濕條件下能夠提高與UHPC的界面粘結(jié)強度[19]。然后，現(xiàn)澆鉸縫混凝土，在室內(nèi)常溫養(yǎng)護28 d，最后進行加載試驗。

圖6 試驗?zāi)Ｐ椭谱鬟^程Figure 6 Preparation of the specimens

1.3 材料參數(shù)

本研究試驗中所用UHPC的配合比如下：水泥771.2 kg/m3,石英砂848.4 kg/m3,硅灰154.2 kg/m3,粉煤灰77.1 kg/m3,石英粉154.2 kg/m3,減水劑20.1 kg/m3,水180.5 kg/m3,鋼纖維157(體積的2%) kg/m3。NSC的配合比如下：水泥470kg/m3,石子1060kg/m3,沙710kg/m3,水155kg/m3,減水劑1.88 kg/m3。

試驗所用的UHPC是由湖南大學研發(fā)團隊研制。UHPC由水泥、硅灰、石英砂、石英粉、粉煤灰、高效減水劑、高強鋼纖維組成。UHPC中鋼纖維采用長13 mm、直徑0.2 mm的端鉤型高強鋼纖維，鋼纖維抗拉強度高于2 000 MPa，彈性模量200 GPa，鋼纖維體積含量為2%。石英砂最大粒徑為0.9 mm。減水劑采用聚羧酸高效減水劑，減水率大于30%。

試驗用的普通混凝土(NSC)按照C50混凝土(JTG D62-2012)[19]進行配制，由水泥、砂、卵石、水和減水劑拌制而成，粗骨料的最大粒徑不超過20 mm。

根據(jù)規(guī)范GB/T 50081-2002[21]和GB/T3 1387-2015[22]，分別對NSC和UHPC進行了材料性能試驗。NSC和UHPC通過立方體抗壓強度試驗、彈模試驗以及抗折試驗得到抗壓強度、彈性模量以及抗拉強度，測試結(jié)果如表3所示。鋼筋通過軸向拉伸試驗，得到HRB400和HPB300鋼筋的屈服強度分別為459.6、336.4 MPa。

表3 UHPC和NSC的力學性能Table 3 Mechanical properties of UHPC and NSC類別fu/MPaEu/GPafub/MPaUHPC143.242.021.4NSC52.636.16.2

1.4 鉸縫梁彎剪試驗

試驗梁測點布置以及加載方式如圖7所示。全部試驗梁均采用油壓千斤頂在跨中單點分級加載，加載點中心線距支點中心線895 mm。試驗前期每級加載5 kN，并持荷1 min，接近預(yù)估鉸縫梁極限荷載時，采用位移控制加載，即以跨中每級撓度1 mm控制加載試驗梁破壞或者外荷載下降至極限承載力的75%后結(jié)束加載。試驗過程中通過在鉸縫梁的底面采用千分表測量鉸縫界面在荷載作用下張開或閉合值、在支點處梁頂和跨中處梁底設(shè)置豎向千分表測量試驗梁撓度，采用應(yīng)變計測量試驗梁各部位的應(yīng)變。

圖7 試驗加載裝置及測點布置Figure 7 Test setup and measuring point arrangement

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗梁破壞模式與裂縫形態(tài)

各組試驗?zāi)Ｐ推茐哪Ｊ胶偷湫土芽p分布圖如圖8所示。

圖8 各組試驗?zāi)Ｐ偷牧芽p分布圖

對于N — N試件，如圖8(a)所示。當荷載分別達到12.3 kN(極限荷載的13%)時，試驗?zāi)Ｐ驮贜SC — NSC界面處出現(xiàn)第一條裂縫；N — N試件除了界面處出現(xiàn)裂縫外，預(yù)制NSC構(gòu)件上出現(xiàn)了若干細短小的斜裂縫，其中主裂縫開始基本沿著界面處發(fā)展，之后主裂縫斜向發(fā)展，穿過NSC鉸縫，NSC鉸縫破壞，破壞時主裂縫有2條。

對于N — U試件，如圖8(b)所示。當荷載分別達到71.0 kN(極限荷載的38%)，試驗?zāi)Ｐ偷谝粭l橫向裂縫出現(xiàn)在UHPC — NSC界面處，開裂荷載較N — N試件高，裂縫的數(shù)量少、寬度小、長度短，除了UHPC — NSC界面處出現(xiàn)裂縫外，當NSC梁上裂縫較少、試驗梁破壞時，其中主裂縫位于界面處破壞，裂縫不同于N — N試件斜向穿過鉸縫，裂縫沿著薄弱的界面發(fā)展，破壞時主裂縫只有1條。

對于E-U試件，如圖8(c)所示。當荷載分別達到110.0 kN(極限荷載的19%)時，鉸縫梁首先在UHPC — NSC界面出現(xiàn)裂縫，隨著荷載的增大界面處裂縫寬度增長速度緩慢，加載過程中出現(xiàn)較多的斜裂縫，裂縫寬度較小、且分布密集，裂縫呈現(xiàn)放射狀的趨勢，主裂縫剛開始出現(xiàn)在UHPC — NSC界面處，但未沿著界面處發(fā)展，而是斜著向上伸展，伸展到一定長度，穿過UHPC，最后延伸到頂面加載點處，屬于典型的剪壓破壞，與N — U以及N — N試件有所不同，破壞時主裂縫有2條。

綜上所述，N — U試件，初裂荷載以及極限荷載高于N — N試件，低于E — U試件。

試驗中對各個模型的初裂荷載、破壞荷載以及裂縫和破壞發(fā)生的部位等進行了統(tǒng)計，詳見表4。

表4 試驗?zāi)Ｐ烷_裂及破壞特征值細節(jié)Table 4 Crack and failure details of the specimens試驗初裂荷載/kN初裂位置破壞荷載/kN主裂縫位置N—N12.3鉸縫界面90.7先界面后斜向貫穿鉸縫N—U71.0鉸縫界面185.2鉸縫界面E—U110.0鉸縫界面583.6斜裂縫貫穿鉸縫

可以看出：得益于UHPC優(yōu)異的力學性能，現(xiàn)澆UHPC鉸縫抗彎剪強度遠大于NSC鉸縫，其開裂荷載較大、且UHPC鉸縫界面部位的裂縫隨著荷載的增加擴展十分緩慢。

從鉸縫界面的初裂荷載來看，N — N試件鉸縫開裂荷載12.3 kN，而N — U與E — U試件鉸縫界面的開裂荷載分別為71.0、110.0 kN，總體來說UHPC — NSC界面的抗裂能力遠強于NSC-NSC界面。

N — N試件、N — U試件和E — U試件都在鉸縫界面處首先開裂。在所有鉸縫梁中，N — N試件鉸縫界面最為薄弱，這是因為試件模型在彎剪作用下，NSC與NSC界面粘結(jié)能力較弱。首先是鉸縫界面開裂，隨著荷載的持續(xù)加載，NSC鉸縫內(nèi)部沒有配豎向鋼筋，同時NSC鉸縫強度較弱，在彎剪作用下，試件剪切破壞。其次是N — U試件，最終在界面處形成主裂縫破壞，破壞形式不同于N — N試件，原因在于UHPC與NSC有較高的粘結(jié)強度，同時UHPC強度較NSC高，在彎剪作用下，UHPC鉸縫不會破壞，反而是鉸縫界面的粘結(jié)強度先達到極限狀況而破壞。

對于E — U試件，初裂縫出現(xiàn)荷載較N — U試件高，并且承載力遠高于N — U試件，這與鉸縫的構(gòu)造形式有關(guān)，E — U試件采用的是倒T型鉸縫，能很大程度上減小鉸縫界面應(yīng)力集中的現(xiàn)象，避免了裂縫沿著界面發(fā)展，加上倒T型鉸縫為底部縱向鋼筋搭接創(chuàng)造了的空間，使得縱向鋼筋有效搭接，縱向鋼筋能夠參與鉸縫梁受力相鄰預(yù)制構(gòu)件形成整體以共同受力，極大提高了預(yù)制拼裝構(gòu)件的承載力。

2.2 荷載-裂縫寬度曲線

對每根試件梁測試數(shù)據(jù)進行處理，得到試驗?zāi)Ｐ偷暮奢d-界面縫寬度曲線如圖9所示。

圖9 試驗梁的荷載-界面裂縫寬度曲線Figure 9 Load-interface crack width curve of the specimens

從試驗?zāi)Ｐ偷暮奢d-界面縫寬度曲線對比可看出，所有的荷載-界面縫寬度曲線大體上呈現(xiàn)雙線性特征，界面裂縫寬度先是隨著荷載的增加而呈線性增大；之后，隨著荷載持續(xù)增大，主裂縫寬度急劇增加。

從圖9可以看出，3種鉸縫梁剛度差異較大，N — N試件剛度最小，N — U試件其次，E — U試件剛度最大。

從圖9還可清晰看出N — N試件鉸縫界面最先開裂，E — U試件的荷載-界面縫寬度曲線遠高于N — U試件，N — U試件的荷載-界面縫寬度曲線高于N — N試件。顯然，采用UHPC作為鉸縫，延遲了裂縫開展的速度，其裂縫擴展比較緩慢。同時采用倒T型鉸縫構(gòu)造形式，抑制裂縫的發(fā)展更加明顯。

中國橋梁規(guī)范JTG D62-2012的規(guī)定鋼筋混凝土構(gòu)件的最大裂縫寬度限值為0.2 mm[20]，因此在試驗過程中測量了所有試驗?zāi)Ｐ偷慕缑婵p寬度0.2 mm時對應(yīng)的試驗荷載，將每根試驗梁的測試數(shù)據(jù)進行處理得到其對比如表5所示。

表5 界面裂縫寬度0.2 mm時各試驗?zāi)Ｐ蛯?yīng)的荷載Table 5 Loads resulting in crack width of 0.2 mm試驗?zāi)Ｐ?.2 mm界面裂縫對應(yīng)荷載初裂荷載/kNN—N41.5N—U91.2E—U280.0

由表5中的試驗板0.2 mm界面裂縫對應(yīng)的荷載可以看出，UHPC鉸縫梁得益于UHPC的超高抗拉強度和粘結(jié)性能，其0.2 mm界面荷載明顯高于N — N試件梁。

N — U、E — U試件其0.2 mm界面荷載較N — N試件比分別高出120.0%和574.7%，說明UHPC鉸縫梁鉸縫界面抗裂和抗彎剪性能高于NSC鉸縫梁；N — U試件其0.2 mm界面荷載比N-N試件比高207.0%，常規(guī)型鉸縫由于荷載產(chǎn)生的拉應(yīng)力更多地集中在鉸縫界面處，因此其界面裂縫寬度擴展較為迅速，0.2 mm主裂縫荷載也就較低，而倒T型鉸縫結(jié)構(gòu)形式抑制了拉應(yīng)力集中在鉸縫界面處，避免了主裂縫在鉸縫界面位置擴展。

2.3 荷載-撓度曲線

如圖10所示，所有鉸縫梁的荷載-跨中撓度曲線都呈現(xiàn)多線性的特征。

圖10 試驗梁的荷載-撓度曲線Figure 10 Load-deflection response of the specimens

試驗?zāi)Ｐ臀撮_裂前(圖中的①階段)，荷載-跨中撓度曲線的斜率最大，此時混凝土和鋼筋共同承受荷載，試驗梁的剛度最大。試驗?zāi)Ｐ烷_裂后(圖中的②階段)，荷載-跨中撓度曲線的斜率減小，此時受拉區(qū)鉸縫界面開裂、部分失效，主要由鋼筋提供作用；試驗梁的剛度比起彈性階段①有所下降，E — U試件開裂后由于裂縫較為細小、且密集分布，因此在試驗板開裂前后的①、②階段其剛度變化不大，荷載-撓度曲線斜率變化較小、基本呈線性。隨著荷載的持續(xù)增加，荷載-跨中撓度曲線增長較慢(圖中的③階段)。N — N與N — U試件分別達到90.7 kN和185.2 kN時，鉸縫界面完全裂開導(dǎo)致試件破壞，對于E — U試件，在583.6 kN后，撓度繼續(xù)增加，但是荷載緩慢下降。顯然可見，E — U試件極限荷載遠高于其他鉸縫梁，比N — N試件高出543.4%，比N — U試件高出215.1%。

由于UHPC的超強抗拉性能和粘結(jié)性，N — U及E — U試件其等撓度下對應(yīng)荷載以及極限荷載顯著高于N — N試件。通過對常規(guī)鉸縫的改造，使用倒T型UHPC鉸縫能夠使預(yù)制構(gòu)件形成整體，共同受力，極限承載力得到極大提高。

2.4 荷載-應(yīng)變曲線

利用圖7所示的試驗?zāi)Ｐ椭新裨O(shè)的鋼筋應(yīng)變片測試鉸縫位置的鋼筋應(yīng)變，得到荷載-鋼筋應(yīng)變關(guān)系如圖11所示。

圖11 各試驗?zāi)Ｐ偷暮奢d-鋼筋應(yīng)變曲線Figure 11 Load-reinforcement strain response of the specimens

如圖11所示，所有鉸縫梁的荷載-鋼筋應(yīng)變曲線都呈現(xiàn)多線性的特征。曲線分別在試驗?zāi)Ｐ烷_裂點和鋼筋屈服點處斜率發(fā)生明顯變化。試驗板未開裂前，主要由混凝土和鋼筋共同承擔拉應(yīng)力，荷載與鋼筋應(yīng)變呈線性變化、且鋼筋應(yīng)變增長緩慢。最先開裂的是N — N試件，其次是N — U試件，最后是E — U試件，UHPC鉸縫開裂后，仍然可以承受比NSC鉸縫多的拉應(yīng)力。

試驗梁開裂后，混凝土部分承擔的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)移至由鋼筋承擔，此時受拉鋼筋并未屈服，鋼筋應(yīng)變增長速度雖有所加快，但鋼筋應(yīng)變?nèi)匀槐３种鶆蚓€性增加。N — N與N — U在試件開裂后應(yīng)變增長速率相似，E — U試件應(yīng)變增長速率比較緩慢，這是因為E — U試件中的預(yù)制NSC內(nèi)伸出的鋼筋在鉸縫處搭接，接縫內(nèi)的配筋率高于其余試件，因此在相同荷載下鉸縫中鋼筋拉應(yīng)力遠小于其余試件內(nèi)鋼筋。

3 結(jié)論

綜合上述試驗分析，對N — N試件、N — U試件與E — U試件的彎剪性能進行了研究，得到以下結(jié)論：

a.驗證了空心板梁橋鉸縫在最不利車輛作用下，橫向除了傳遞剪力外，還傳遞一定的彎矩。

b.現(xiàn)澆UHPC鉸縫的抗彎剪強度大于NSC鉸縫，現(xiàn)澆UHPC鉸縫開裂荷載較大、且UHPC鉸縫的裂縫隨著荷載的增加擴展十分緩慢，鉸縫的受力薄弱部位基本是在鉸縫界面處，常規(guī)型鉸縫梁表現(xiàn)為接縫界面處開裂破壞，加強型UHPC鉸縫表現(xiàn)為剪壓破壞。

c.N — U試件、E — U試件開裂荷載較N — N試件開裂荷載分別高477%、794%，UHPC是一種有優(yōu)異的力學性能的混凝土新材料，粘結(jié)性能極好。

d.不同鉸縫構(gòu)造形式的預(yù)制NSC構(gòu)件中現(xiàn)澆UHPC鉸縫彎剪拉性能都優(yōu)于NSC鉸縫。N — U承載力較N — N試件提高近215.1%，E — U承載力較N — N試件提高近543.4%。

e.E — U試件變形剛度較大，N — U試件次之，N — N試件變形剛度最弱。

f.E — U試件破壞模型類似于整體梁，倒T型UHPC鉸縫能將預(yù)制構(gòu)件牢牢連接在一起，形成整體以共同受力，將其應(yīng)用于空心板梁橋具有良好的工程意義。