伸縮裝置UHPC 錨固構(gòu)造設(shè)計(jì)與靜力性能研究

李盼盼，邵旭東?，劉瓊偉，曹君輝，趙旭東

（1.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙 410082；2.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東廣州，510507）

橋梁工程中，伸縮縫是設(shè)置于梁端之間或梁端與橋臺(tái)之間的一種重要附屬結(jié)構(gòu)，其作用是調(diào)節(jié)由溫度變化和車輛荷載等引起的橋梁上部結(jié)構(gòu)之間的位移［1］.據(jù)統(tǒng)計(jì)［2-3］，伸縮縫在橋梁結(jié)構(gòu)總造價(jià)中占比不足1%，但其占橋梁結(jié)構(gòu)損壞的16%，后期產(chǎn)生的維修費(fèi)用更是達(dá)橋梁結(jié)構(gòu)總維修費(fèi)用的20%之多.因此，橋梁伸縮縫的設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)成為橋梁工程中亟待解決的難題.

錨固區(qū)混凝土破損是伸縮縫結(jié)構(gòu)所面臨的主要病害問(wèn)題，而產(chǎn)生這一病害問(wèn)題的根本原因在于錨固區(qū)混凝土強(qiáng)度不足［4-5］.云南省于2019 年對(duì)全省800 余座橋梁進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)24.6%的橋梁伸縮縫存在錨固區(qū)混凝土破損現(xiàn)象.針對(duì)伸縮縫錨固區(qū)混凝土易破損、頻翻修的現(xiàn)狀，于天來(lái)等［6］探討了將改性瀝青混凝土用于伸縮縫的可行性.陶勇根等［7］對(duì)不同錨固材料的型鋼單縫裝置伸縮縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部受壓試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)采用強(qiáng)度更高的混雜纖維混凝土伸縮縫試件性能有明顯的提升.任亮等［8］在贛江特大橋伸縮縫的破損修復(fù)中采用了抗壓強(qiáng)度高、抗裂性好的高性能混凝土，運(yùn)營(yíng)三年期間伸縮縫型鋼界面與混凝土間未產(chǎn)生脫離現(xiàn)象，表現(xiàn)出良好的黏結(jié)性能.賀志勇等［9］的有限元分析表明，增大錨固區(qū)混凝土強(qiáng)度可改善錨固區(qū)域的受力狀態(tài)，使預(yù)埋鋼筋焊接點(diǎn)和混凝土自身的疲勞壽命增長(zhǎng).以上試驗(yàn)均通過(guò)對(duì)錨固區(qū)混凝土材料的研究與提升來(lái)改善伸縮縫結(jié)構(gòu)的受力性能，但結(jié)構(gòu)性能的改善和提升不能單純地依靠材料的更換，“新材料+傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)”將難以完全發(fā)揮新材料優(yōu)異性能，無(wú)法獲取高性價(jià)比的產(chǎn)品.

既有伸縮縫構(gòu)造中，伸縮裝置安裝定位后，需現(xiàn)場(chǎng)對(duì)錨板與預(yù)埋鋼筋進(jìn)行焊接，施工工藝繁瑣，且由于施工偏差等因素，錨板與預(yù)埋鋼筋的相對(duì)位置經(jīng)常存在偏差，產(chǎn)生重疊或較大間隙，給現(xiàn)場(chǎng)焊接工作帶來(lái)很大困難，嚴(yán)重影響橋梁伸縮縫的安裝質(zhì)量.方園等［10］在傳統(tǒng)伸縮裝置基礎(chǔ)上通過(guò)取消錨固環(huán)，增設(shè)可調(diào)活動(dòng)鋼板的方法實(shí)現(xiàn)錨板與預(yù)埋鋼筋的焊接，該裝置在一定程度上可解決伸縮裝置定位安裝時(shí)，錨板與預(yù)埋鋼筋相對(duì)位置偏離難以焊接的問(wèn)題.徐向東等［11］在方園等［10］提出的伸縮裝置基礎(chǔ)上進(jìn)行了疲勞壽命分析，發(fā)現(xiàn)錨固區(qū)混凝土（C50 聚丙烯纖維混凝土）的強(qiáng)度仍是伸縮縫結(jié)構(gòu)破壞的主要控制因素.可見(jiàn)，“傳統(tǒng)材料+結(jié)構(gòu)創(chuàng)新”往往受限于材料性能，無(wú)法從根本上突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸.因此，通過(guò)新材料與新結(jié)構(gòu)的協(xié)同創(chuàng)新，方能充分發(fā)揮材料性能，突破結(jié)構(gòu)技術(shù)壁壘，打造出高性能橋梁結(jié)構(gòu).

超高性能混凝土（Ultra-high Performance Con?crete，UHPC）是一種基于最大密實(shí)度原理配制的新型纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，具有抗拉、壓強(qiáng)度高、耐磨損、抗沖擊和抗疲勞性能良好的特點(diǎn)［12-15］，用UHPC替換傳統(tǒng)伸縮縫預(yù)留槽內(nèi)的混凝土，可有效解決伸縮縫結(jié)構(gòu)中錨固區(qū)混凝土強(qiáng)度低，易剝落開(kāi)裂的病害；且利用UHPC 材料自身良好的黏結(jié)錨固性能［16-17］，可取消常規(guī)伸縮裝置中預(yù)埋鋼筋與伸縮裝置間的大量焊接，實(shí)現(xiàn)“伸縮縫安裝現(xiàn)場(chǎng)零焊接”，簡(jiǎn)化施工工序，使得新錨固結(jié)構(gòu)具有良好的技術(shù)性能.

1 現(xiàn)場(chǎng)零焊接伸縮縫錨固構(gòu)造設(shè)計(jì)

浙江省某先簡(jiǎn)支后連續(xù)混凝土T 梁橋，跨徑布置5×30 m，橋?qū)?6.9 m，主梁采用C50 混凝土（Nor?mal Concrete，NC）.為滿足橋梁上部結(jié)構(gòu)變形需求，梁端設(shè)置GQF-F40（CR）型單縫式伸縮縫，如圖1（a）所示.原伸縮縫方案中錨固區(qū)采用C50 鋼纖維混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，SFRC），伸縮裝置預(yù)留槽寬350 mm、高180 mm；設(shè)置伸縮縫位置處梁端翼緣厚160 mm；伸縮裝置相鄰錨板間距200 mm.

圖1 伸縮縫構(gòu)造圖示（單位：mm）Fig.1 Structure diagrams of expansion joint（unit：mm）

基于高性能材料UHPC，對(duì)原伸縮縫錨固構(gòu)造進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出兩種現(xiàn)場(chǎng)零焊接的伸縮裝置錨固構(gòu)造，并從構(gòu)造形式、抗裂性能和承載能力等方面進(jìn)行系統(tǒng)性的研究，以期解決伸縮縫錨固構(gòu)造易破損的難題.

取消圖1（a）原伸縮裝置中錨板與預(yù)埋鋼筋間的焊接工藝，將兩者均勻錯(cuò)開(kāi)布置；取消錨固區(qū)中的橫穿鋼筋；將預(yù)埋鋼筋在錨固區(qū)中的錨固長(zhǎng)度由90 mm 加高到140 mm；在錨板側(cè)面焊接抗剪短栓釘，由此形成適用于常規(guī)橋梁的伸縮縫錨固構(gòu)造形式1，如圖1（b）所示.考慮到重載交通作用下，型鋼-錨固區(qū)界面分離風(fēng)險(xiǎn)更為顯著，在型鋼側(cè)面焊接長(zhǎng)栓釘，與型鋼-錨板連接焊縫共同受力；取消錨筋并焊接短栓釘，形成伸縮縫錨固構(gòu)造形式2，如圖1（c）所示.

上述優(yōu)化設(shè)計(jì)的兩種構(gòu)造形式中，由型鋼、錨板和栓釘?shù)冉M合形成的伸縮裝置在工廠預(yù)制成型，施工時(shí)僅將伸縮裝置定位后即可澆筑錨固區(qū)UHPC，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)時(shí)無(wú)需再進(jìn)行焊接工作，施工高效便捷、質(zhì)量更易得到保障；且利用UHPC 材料優(yōu)異的力學(xué)性能，可有效解決輪載作用下伸縮縫錨固區(qū)混凝土強(qiáng)度低、易開(kāi)裂的病害難題.

為研究上述所提出的兩種伸縮縫結(jié)構(gòu)中，伸縮裝置未經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)焊接直接錨固于UHPC 中時(shí)，UHPC 對(duì)伸縮裝置的靜力錨固性能，確保優(yōu)化的伸縮縫結(jié)構(gòu)在實(shí)橋應(yīng)用時(shí)安全可靠，進(jìn)一步開(kāi)展伸縮裝置靜力拔出試驗(yàn).

2 伸縮裝置靜力拔出試驗(yàn)

2.1 試件設(shè)計(jì)

取橫向兩個(gè)錨板進(jìn)行1∶1 試驗(yàn)設(shè)計(jì).試驗(yàn)考慮不同伸縮裝置形式、不同錨固區(qū)材料，設(shè)計(jì)三組試件，如表1所示.同時(shí)考慮到實(shí)際施工中伸縮裝置與預(yù)埋鋼筋對(duì)接安裝時(shí)會(huì)出現(xiàn)位置偏差，因此對(duì)第二組試件設(shè)計(jì)3種偏心情況：錨板相對(duì)中心距離偏離0 mm、向右偏離50 mm、向左偏離50 mm.其中，向左偏心與向右偏心各制作1個(gè)試件，其余三種情況各制作2個(gè)試件，共8 個(gè)試件.表中試件編號(hào)規(guī)則為“伸縮裝置構(gòu)造形式-錨固區(qū)混凝土材料-錨板偏移距離”，如G1-UHPC-R 為采用優(yōu)化伸縮裝置構(gòu)造形式1，錨固區(qū)混凝土材料為UHPC，錨板向右偏移50 mm的試件.

表1 試件類型Tab.1 Types of specimens

試件由上、下兩部分組成，如圖2 所示，為方便視圖，三維圖中僅顯示伸縮裝置錨固結(jié)構(gòu)部分.上部為伸縮縫錨固區(qū)，設(shè)計(jì)平面尺寸600 mm×540 mm，厚度180 mm，內(nèi)設(shè)工廠預(yù)制的伸縮裝置；下部為NC 主梁，設(shè)計(jì)平面尺寸1 050 mm×540 mm，厚度160 mm，內(nèi)設(shè)間距為200 mm 的預(yù)埋鋼筋和錨固區(qū)域加強(qiáng)鋼筋.為便于試驗(yàn)加載且更加直觀地體現(xiàn)荷載作用下伸縮裝置在錨固區(qū)中是否會(huì)被拔出，從而反映錨固區(qū)混凝土對(duì)伸縮裝置的靜力錨固性能，圖2 中的型鋼簡(jiǎn)化為L(zhǎng)型鋼，外伸長(zhǎng)度由40 mm加長(zhǎng)至90 mm.

圖2 試件設(shè)計(jì)（單位：mm）Fig.2 Design of specimens（unit：mm）

錨板間距200 mm，為12 mm 厚的鋼板，和型鋼均采用Q345 鋼材；鋼筋均采用直徑16 mm，等級(jí)為HRB400 級(jí)的螺紋鋼筋；錨板側(cè)面短栓釘間距50 mm，規(guī)格為35 mm×13 mm（高度×直徑）；伸縮裝置構(gòu)造形式2中型鋼側(cè)向長(zhǎng)栓釘凈保護(hù)層厚度15 mm，間距100 mm，規(guī)格為100 mm×16 mm（高度×直徑）；伸縮裝置中錨板與型鋼的連接焊縫采用氣體保護(hù)電弧焊形式.

試件制作時(shí)，先綁扎、定位鋼筋網(wǎng)，澆筑下層NC并覆膜自然養(yǎng)護(hù)14 d；而后對(duì)界面進(jìn)行鑿毛處理，搭設(shè)上層錨固區(qū)混凝土模板；將伸縮件定位后澆筑上層UHPC 或SFRC，自然條件下養(yǎng)護(hù)28 d 后進(jìn)行模型試驗(yàn).

2.2 錨固區(qū)材料介紹

試驗(yàn)中錨固區(qū)材料分別為UHPC 和SFRC.UHPC 材料采用湖南中路華程橋梁科技股份有限公司干混料產(chǎn)品，配合比如表2 所示，UHPC 材料中鋼纖維體積摻量2%，由兩種平直型鋼纖維混雜而成（鋼纖維Ⅰ：體積摻量1.5%，長(zhǎng)度13 mm×直徑0.16 mm；鋼纖維Ⅱ：體積摻量0.5%，長(zhǎng)度8 mm×直徑0.12 mm）.SFRC 材料參考廣東省龍川—懷集公路橋梁伸縮縫，配合比如表3 所示，鋼纖維體積摻量0.8%，類型為鋼錠銑銷型（長(zhǎng)度37 mm×寬度2 mm×厚度0.6 mm）.

表2 UHPC配合比Tab.2 Proportions of UHPC kg·m-3

表3 SFRC配合比Tab.3 Proportions of SFRC kg·m-3

為定量分析兩種錨固區(qū)材料的力學(xué)性能，試件澆筑同期按照規(guī)范［18-19］要求澆筑材性試塊，與試件在相同條件下養(yǎng)護(hù)28 d，按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)程序測(cè)試SFRC 和UHPC 的基本力學(xué)性能，實(shí)測(cè)材料性能如表4所示.

表4 材料基本力學(xué)性能Tab.4 Basic mechanical properties of concrete

2.3 加載制度及量測(cè)內(nèi)容

試驗(yàn)加載圖示及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片如圖3 所示.試驗(yàn)主要研究伸縮件與預(yù)埋鋼筋無(wú)焊接條件下，UHPC對(duì)伸縮件的錨固性能，并與原構(gòu)造形式進(jìn)行對(duì)比，為減小型鋼下方混凝土的承壓影響，縱向加載范圍取型鋼外緣80 mm；橫向取兩錨板中心線范圍200 mm，即加載區(qū)域?yàn)?0 mm×200 mm.

圖3 試驗(yàn)加載圖示和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.3 Test loading diagram and test photo

根據(jù)文獻(xiàn)［20-21］，對(duì)錨固區(qū)混凝土背部結(jié)合面和底部可考慮為固結(jié)約束.結(jié)合實(shí)驗(yàn)室條件和加載需求，采用6 個(gè)規(guī)格為M27 的12.9 級(jí)高強(qiáng)度六角螺栓將試件與鋼臺(tái)座栓接固定.為避免應(yīng)力集中，高強(qiáng)螺栓與混凝土間設(shè)置鋼墊板，錨固區(qū)表面外露寬度與實(shí)橋保持一致，為310 mm.試件采用液壓千斤頂進(jìn)行豎向受壓加載，采用六弦記錄儀測(cè)定加載過(guò)程中的壓力.

試驗(yàn)加載分為力控制加載和位移控制加載兩個(gè)階段，試件開(kāi)裂前采用力加載控制，以10 kN 的荷載進(jìn)行分級(jí)加載，試件開(kāi)裂后采用位移加載直至破壞.在試件型鋼-混凝土界面位置處布置4 個(gè)千分表，測(cè)量加載過(guò)程中界面的分離位移；在混凝土上表面和錨板側(cè)面粘貼應(yīng)變片，采用東華應(yīng)變采集箱測(cè)量加載過(guò)程中混凝土及錨板的應(yīng)變變化，混凝土上表面應(yīng)變片布置如圖4 所示（圖中僅給出實(shí)際橋梁錨固區(qū)上表面寬310 mm 范圍）.加載過(guò)程中保證每級(jí)加載持荷時(shí)間不少于5 min，待荷載及位移基本穩(wěn)定后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及裂縫觀測(cè).

圖4 試件測(cè)點(diǎn)布置（單位：mm）Fig.4 Arrangement of test points（unit：mm）

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞形態(tài)

試件表面出現(xiàn)第一條可視裂縫時(shí)的荷載定義為初裂荷載，對(duì)相同試件初裂荷載和極限荷載取平均值，匯總于表5.

表5 主要特征點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test results of main feature points

三組試件破壞形態(tài)完全不同，如圖5 所示.YSFRC 試件破壞形態(tài)為內(nèi)部錨板拔出［圖5（a）］，荷載達(dá)到257.9 kN 時(shí)，錨板上方界面附近開(kāi)始出現(xiàn)裂紋，隨荷載增加逐漸向內(nèi)發(fā)展，連通形成U 形主裂縫；加載后期，界面位移驟增而荷載下降，視為破壞.此時(shí)，試件型鋼-錨板連接焊縫完好，未出現(xiàn)裂開(kāi)現(xiàn)象，但界面處錨板周邊混凝土脫空剝落，SFRC 對(duì)伸縮裝置的錨固作用失效，錨板從混凝土中脫離，試件極限荷載為598.7 kN.

G1-UHPC 試件破壞形態(tài)為型鋼-錨板連接焊縫斷裂［圖5（b）］.整個(gè)加載過(guò)程中，UHPC 表面未出現(xiàn)明顯裂縫（小于0.05 mm）；當(dāng)型鋼-錨板連接焊縫處發(fā)生開(kāi)裂時(shí)，間斷出現(xiàn)“呲呲”響聲，界面位移波動(dòng)增大；最終焊縫位置脆響而荷載下降，焊縫斷裂，試件破壞.此時(shí)，試件極限荷載為824.4 kN，是原方案極限荷載的1.38倍.

G2-UHPC 試件加載后期，下部NC 基體開(kāi)裂［圖5（c）］，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是各部件表面的不平整性使得試件栓接錨固時(shí)存在間隙，荷載作用下截面突變處存在拉力作用導(dǎo)致NC 開(kāi)裂.當(dāng)NC 裂縫寬度達(dá)到3.5 mm 時(shí)出于安全性考慮結(jié)束試驗(yàn)，此時(shí)UHPC 表面裂縫寬度達(dá)到0.15 mm，試件極限荷載為1 393.6 kN，是原方案極限荷載的2.33倍.

圖5 試件破壞形態(tài)Fig.5 Failure modes of specimens

3.2 開(kāi)裂特征

各組試件表面裂縫分布如圖6 所示，每組試件以一個(gè)為例進(jìn)行說(shuō)明，圖6 中僅給出實(shí)橋錨固區(qū)上表面寬310 mm 范圍.試件荷載-最大裂縫寬度曲線如圖7 所示.整體來(lái)看，試件最大裂縫寬度在小于0.05 mm 時(shí)發(fā)展緩慢，裂縫寬度超過(guò)0.05 mm 后，試件最大裂縫寬度隨荷載增長(zhǎng)加快.

圖6 表面開(kāi)裂特征Fig.6 Cracking characteristics

Y-SFRC試件中，兩錨板上方裂縫延伸并連通形成U 形主裂縫Ⅰ；臨近破壞時(shí)，距界面160 mm 處出現(xiàn)一條很寬的橫穿裂縫，記為主裂縫Ⅱ；其余裂縫均由主裂縫分散，寬度較小.最大裂縫寬度達(dá)到0.1 mm后，荷載作用下裂縫迅速發(fā)展；加載后期，最大裂縫寬度為0.33 mm，這是因?yàn)镾FRC內(nèi)含有大量粗骨料，本身屬于脆性材料［22］，開(kāi)裂后裂縫位置混凝土連接作用失效，荷載作用下裂縫寬度迅速發(fā)展.

G1-UHPC 試件中，表面僅出現(xiàn)1～2 條寬度0.03 mm 的微小裂紋.G2-UHPC 試件中，裂縫最先出現(xiàn)在H2 界面處，而后向兩邊擴(kuò)展，最終與邊側(cè)長(zhǎng)栓釘上方裂縫基本形成貫通主裂縫，這是因?yàn)樯炜s裝置錨固構(gòu)造形式2中，側(cè)面栓釘長(zhǎng)100 mm，荷載作用下伸縮裝置有向上移動(dòng)趨勢(shì).試件最大裂縫寬度0.15 mm，主裂縫附近出現(xiàn)多條寬度為0.03 mm 的細(xì)小裂縫，加載后期并未出現(xiàn)變長(zhǎng)或加寬，這是因?yàn)閁HPC材料高度的致密性和鋼纖維的摻入限制了裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展［23］，同時(shí)體現(xiàn)了UHPC 通過(guò)增加裂縫數(shù)量限制裂縫寬度的發(fā)展［24］.

兩種優(yōu)化構(gòu)造下，試件初裂荷載基本相同，為原焊接構(gòu)造初裂荷載的2.2 倍.根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362—2018）［25］和法國(guó)UHPC 規(guī)范NF P18-710［26］中鋼筋混凝土最大裂縫寬度限值規(guī)定，一般環(huán)境中鋼筋混凝土構(gòu)件在正常使用極限狀態(tài)下普通混凝土最大裂縫寬度限值為0.2 mm，準(zhǔn)永久組合下UHPC 最大裂縫寬度限值為0.2 mm.由圖7 可知，在SFRC 最大裂縫寬度達(dá)到0.2 mm 的荷載條件下，兩種優(yōu)化構(gòu)造中UHPC 均未開(kāi)裂，且試件加載全過(guò)程最大裂縫寬度均未達(dá)到0.2 mm，這體現(xiàn)出UHPC 材料具有抗拉強(qiáng)度高的優(yōu)勢(shì).

裂縫的開(kāi)裂特征反映出伸縮裝置在混凝土中的錨固性能.結(jié)合圖6 和圖7 可知，Y-SFRC 試件裂縫分布較為分散，數(shù)量多且寬，表面裂縫的發(fā)展逐漸降低了混凝土對(duì)伸縮裝置的錨固效果，使得內(nèi)部錨板不斷從混凝土中脫離；而所提出的兩種新型錨固構(gòu)造形式下，UHPC 具有良好的抗裂性能，體現(xiàn)出伸縮裝置無(wú)現(xiàn)場(chǎng)焊接、直接內(nèi)埋至UHPC 中時(shí)，UHPC 可將其可靠錨固，無(wú)拔出風(fēng)險(xiǎn).

圖7 荷載-最大裂縫寬度曲線Fig.7 Load-maximum crack width curves

因此，UHPC 材料用于橋梁伸縮縫錨固區(qū)混凝土，可提高結(jié)構(gòu)抗裂性能，有效解決既有伸縮縫結(jié)構(gòu)中使用SFRC強(qiáng)度低、易開(kāi)裂破損的問(wèn)題.

3.3 荷載-界面分離位移

各組試件實(shí)測(cè)荷載-界面分離位移曲線如圖8所示.三組試件受力過(guò)程稍有差別：①線性階段，荷載與界面分離位移呈線性關(guān)系，試件剛度基本保持不變.②擴(kuò)展階段，對(duì)Y-SFRC 試件和G2-UHPC 試件，這一階段主要伴隨著表面裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，試件剛度減??；對(duì)G1-UHPC 試件，主要體現(xiàn)為型鋼-錨板連接焊縫的開(kāi)裂及擴(kuò)展.③失效階段，Y-SFRC 試件中錨板周邊混凝土不斷剝落，伸縮裝置從SFRC中逐漸脫離，SFRC 錨固作用失效；G1-UHPC 試件中界面分離量隨焊縫開(kāi)裂而不斷增長(zhǎng)，直至焊縫斷裂.

由圖8（d）可知，荷載作用下，不同試件的界面分離位移變化情況存在差異：低荷載下，G1-UHPC 試件與Y-SFRC 試件界面位移變化基本相同；繼續(xù)加載，Y-SFRC 試件界面位移發(fā)展速率更快.這是因?yàn)楹奢d小于257.9 kN 時(shí)，混凝土未產(chǎn)生裂紋，伸縮裝置在混凝土中無(wú)明顯錯(cuò)動(dòng)、拔出現(xiàn)象，且型鋼-錨板連接焊縫完整，界面分離位移主要由側(cè)向型鋼的彎曲變形產(chǎn)生.荷載大于257.9 kN 后，Y-SFRC 試件表面裂紋開(kāi)始不斷發(fā)展，降低了對(duì)伸縮裝置的錨固效果，界面位移增長(zhǎng)加快；而G1-UHPC 試件中錨板與短栓釘提供剪切作用，協(xié)同UHPC 自身高強(qiáng)、高黏結(jié)的優(yōu)異性能，伸縮裝置可靠錨固其內(nèi)，伴隨著界面位移不斷發(fā)展，型鋼-錨板連接焊縫處應(yīng)力集中顯著，焊縫自上而下產(chǎn)生裂紋，但結(jié)構(gòu)仍可繼續(xù)承受荷載作用.因此，UHPC 錨固新構(gòu)造1 下，結(jié)構(gòu)抗裂性好、錨固能力強(qiáng)、承載力高，可適用于常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu).

圖8 荷載-界面分離位移曲線Fig.8 Load-interface separation displacement curves

相較于G1-UHPC 試件，G2-UHPC 試件的界面分離位移發(fā)展緩慢，表明型鋼側(cè)向長(zhǎng)栓釘?shù)募釉O(shè)可以很好地限制界面位移的發(fā)展，從而提高試件的承載能力.因此，UHPC 錨固新構(gòu)造2下，結(jié)構(gòu)具有界面位移小、抗裂性能好、承載能力高的特點(diǎn)，在重載車輛通行較多的橋梁結(jié)構(gòu)中，可發(fā)揮較大優(yōu)勢(shì).

3.4 應(yīng)變分析

各組試件下，對(duì)相同試件的同一位置應(yīng)變片實(shí)測(cè)應(yīng)變?nèi)∑骄担崛″^板側(cè)面4 個(gè)測(cè)點(diǎn)位置的應(yīng)變進(jìn)行分析，即錨板頂部的水平應(yīng)變C01、C02 和C03，各測(cè)點(diǎn)間距30 mm，以及沿焊縫方向間距30 mm 位置的水平應(yīng)變C04.繪制各測(cè)點(diǎn)荷載-應(yīng)變曲線如圖9（a）～（c）所示.三組試件錨板應(yīng)變變化規(guī)律基本相同：錨板在C01 位置應(yīng)變最大，離型鋼-錨板連接焊縫位置越遠(yuǎn)，應(yīng)變?cè)叫?；C02-C03-C04應(yīng)變呈線性變化.

圖9 荷載-錨板應(yīng)變數(shù)據(jù)Fig.9 Load-anchor plate strain data

荷載較小時(shí)，錨板各點(diǎn)應(yīng)變隨荷載呈線性變化；當(dāng)荷載分別達(dá)到257.9 kN、381.1 kN 和578 kN 時(shí)，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變隨荷載變化趨勢(shì)偏離線性，這與荷載-界面分離位移曲線中的線性偏離點(diǎn)相互對(duì)應(yīng).

取各組試件錨板C01 處應(yīng)變分別為 1×10-3、2×10-3、3×10-3、4×10-3、6×10-3、8×10-3下的荷載進(jìn)行對(duì)比分析.相同錨板應(yīng)變條件下，以Y-SFRC 試件對(duì)應(yīng)荷載數(shù)值為基準(zhǔn)，對(duì)比兩種UHPC 錨固構(gòu)造中錨板應(yīng)變演變狀態(tài).

由圖9（d）可直觀看出，等應(yīng)變下，G1-UHPC 試件荷載為Y-SFRC 試件的1.2～1.6 倍；G2-UHPC 試件大幅降低了伸縮裝置錨板應(yīng)變水平，等應(yīng)變下，荷載為Y-SFRC 試件的2.3～3.3倍.G2-UHPC 試件結(jié)構(gòu)剛度在整個(gè)加載過(guò)程中遠(yuǎn)高于Y-SFRC 試件和G1-UHPC試件，這是因?yàn)樾弯搨?cè)向長(zhǎng)栓釘?shù)牡挚估巫饔?，加?qiáng)了伸縮裝置與UHPC 的連結(jié)，改善了錨板的受力狀態(tài).

上述兩種UHPC 錨固構(gòu)造下，試件在剛度、強(qiáng)度及錨固性能方面明顯優(yōu)于原焊接結(jié)構(gòu)；優(yōu)化伸縮裝置結(jié)構(gòu)形式結(jié)合UHPC 材料共同使用于橋梁伸縮縫，可解決傳統(tǒng)伸縮縫中伸縮裝置失效的病害，且現(xiàn)場(chǎng)安裝零焊接，施工便捷可靠.

3.5 錨板安裝位置容差

考慮到伸縮裝置拼接安裝時(shí)的位置誤差，試驗(yàn)中對(duì)所提出的伸縮縫錨固構(gòu)造形式1 設(shè)計(jì)了三種不同的偏心情況，三種偏心情況下試件破壞形態(tài)均為焊縫斷裂，且UHPC 表面僅出現(xiàn)1～2 條細(xì)微裂縫（寬度小于0.05 mm）.

圖10 為第二組試件的荷載-界面分離位移曲線，可以看出，偏心狀態(tài)下試件荷載-界面分離位移曲線基本相似，極限承載能力相差不大，說(shuō)明UHPC對(duì)伸縮裝置的黏結(jié)錨固能力相對(duì)于焊縫斷裂極限承載力有較大富余.因此，伸縮裝置與預(yù)埋鋼筋錯(cuò)開(kāi)布置、現(xiàn)場(chǎng)無(wú)焊接條件下，錨固區(qū)混凝土對(duì)伸縮裝置錨固性能可靠時(shí)，所提出的錨固構(gòu)造形式1 試件會(huì)發(fā)生焊縫斷裂破壞，錨板布置是否偏心對(duì)結(jié)構(gòu)受力幾乎沒(méi)有影響，安裝容差性高，可保證伸縮裝置的安裝質(zhì)量，解決既有伸縮縫結(jié)構(gòu)中伸縮縫結(jié)構(gòu)安裝現(xiàn)場(chǎng)焊接工藝繁瑣的難題.

圖10 偏心試件荷載-界面分離位移曲線Fig.10 Load-interface separation displacement curves of eccentric specimens

實(shí)際橋梁工程應(yīng)用中，當(dāng)錨固區(qū)采用UHPC 材料時(shí)，可進(jìn)一步考慮對(duì)伸縮縫錨固構(gòu)造形式1 進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)：1）用抗剪連接短栓釘替代圖1（b）中錨板一側(cè)的錨筋；2）在型鋼側(cè)向間隔布置栓釘連接件，與焊縫共同分擔(dān)荷載作用；3）適當(dāng)減小錨固區(qū)UHPC層的澆筑厚度.

優(yōu)化設(shè)計(jì)的兩種UHPC 伸縮縫錨固構(gòu)造形式，既適用于中小橋梁?jiǎn)慰p式伸縮縫中，又適用于大跨徑橋梁的模數(shù)式伸縮縫的邊梁部位；針對(duì)伸縮縫在橋梁結(jié)構(gòu)損壞中占比較高的現(xiàn)狀，可考慮用于伸縮縫的修復(fù).

4 結(jié)論

針對(duì)橋梁伸縮縫安裝時(shí)焊接工藝繁瑣、質(zhì)量難控、錨固構(gòu)造易破損的現(xiàn)狀，基于UHPC 材料提出了兩種施工現(xiàn)場(chǎng)零焊接的伸縮縫錨固構(gòu)造形式，研究了其基本靜力錨固性能，得到以下主要結(jié)論：

1）兩種優(yōu)化的伸縮縫錨固結(jié)構(gòu)在剛度、強(qiáng)度及抗裂性能方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)伸縮縫錨固結(jié)構(gòu).其中，優(yōu)化構(gòu)造形式1、2 的初裂荷載基本相同，為原焊接構(gòu)造的2.2 倍，極限承載能力分別為原焊接構(gòu)造的1.38 倍和2.33 倍.原焊接試件破壞形態(tài)為內(nèi)部錨板拔出，主要由SFRC 的錨固性能和抗裂性能控制；優(yōu)化構(gòu)造形式1 下試件破壞形態(tài)為型鋼-錨板連接焊縫斷裂，主要由試件焊縫強(qiáng)度控制；優(yōu)化構(gòu)造形式2下試件破壞形態(tài)為下方NC 基體開(kāi)裂，上部伸縮縫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高.

2）原焊接試件與優(yōu)化構(gòu)造形式1 試件的荷載-界面分離位移曲線在線性階段基本保持一致，但優(yōu)化構(gòu)造形式1 試件后期剛度較高，且在限制表面裂縫產(chǎn)生和發(fā)展方面有明顯優(yōu)勢(shì)，可考慮替代傳統(tǒng)伸縮縫結(jié)構(gòu)；優(yōu)化構(gòu)造形式2 試件中型鋼側(cè)向長(zhǎng)栓釘?shù)募釉O(shè)較好地限制了界面位移的發(fā)展，同時(shí)改善焊縫位置的受力情況，使試件整體結(jié)構(gòu)剛度顯著提升，可考慮用于礦區(qū)等重載車輛通行較多的橋梁結(jié)構(gòu).

3）三種構(gòu)造形式下錨板應(yīng)變變化規(guī)律基本相同.錨板頂部靠近焊縫位置處應(yīng)變最大，離型鋼-錨板連接焊縫位置越遠(yuǎn)，應(yīng)變?cè)叫?；相比于焊縫開(kāi)裂和UHPC表面裂縫發(fā)展，混凝土對(duì)伸縮裝置的錨固作用對(duì)試件受力性能的影響為主要因素.

4）優(yōu)化構(gòu)造形式1下，試件中UHPC 對(duì)伸縮裝置的黏結(jié)錨固能力相對(duì)于焊縫斷裂極限承載力有較大富余，當(dāng)錨固區(qū)混凝土對(duì)伸縮裝置錨固性能可靠時(shí)，試件會(huì)發(fā)生焊縫斷裂破壞，錨板安裝是否偏心對(duì)結(jié)構(gòu)受力幾乎沒(méi)有影響.

5）兩種優(yōu)化方案在提高了伸縮裝置的受力性能和錨固性能的同時(shí)具有施工便捷、現(xiàn)場(chǎng)零焊接、安裝容差性高的優(yōu)勢(shì)，為UHPC 材料在橋梁伸縮縫中的應(yīng)用提供了理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)，同時(shí)為橋梁伸縮裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考.此外，試驗(yàn)僅研究了伸縮件與預(yù)埋鋼筋在無(wú)焊接條件下UHPC 對(duì)其的錨固性能，為保證工程應(yīng)用的可靠性，對(duì)該新型伸縮縫結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期荷載循環(huán)作用下的性能研究是下一步工作的重點(diǎn).