裝配式橋梁結(jié)構(gòu)中注漿波紋管的力學(xué)性能分析

摘要：裝配式橋梁結(jié)構(gòu)因施工簡單、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等特點而得到大力推廣。文章以某高速ZT6標(biāo)段裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋工程為依托，研究不同設(shè)計參數(shù)下注漿波紋管的結(jié)構(gòu)模式和節(jié)點的力學(xué)性能。通過調(diào)整孔徑比和材料性能2個設(shè)計參數(shù)進(jìn)行室內(nèi)力學(xué)試驗，研究結(jié)果表明：在金屬波紋管尺寸不變的情況下，孔徑比變小，試件的內(nèi)部空間隨之變小，內(nèi)部約束作用減弱，鋼筋的黏結(jié)性能變差；當(dāng)孔徑比D/d=2.6時，試件的力學(xué)性能較好。通過比較不同特性的灌漿材料，金屬波紋管試件的力學(xué)性能隨著灌漿材料性能的增強(qiáng)而增強(qiáng)，但隨著孔徑比變小，灌漿材料對試件力學(xué)性能的影響變?nèi)酢８鶕?jù)工程應(yīng)用和相關(guān)設(shè)計要求，最終提出選用“高于一般標(biāo)準(zhǔn)的100 MPa高強(qiáng)度灌漿材料+65 mm波紋管+22 mm鋼筋”的施工方法。

關(guān)鍵詞：裝配式橋梁；灌漿材料；金屬波紋管；黏結(jié)性能

中圖分類號：U414? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）05-0068-04

0 引言

裝配式橋梁結(jié)構(gòu)施工中的關(guān)鍵難點在于接縫連接［1］。與傳統(tǒng)的現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)相比，裝配式橋梁結(jié)構(gòu)后續(xù)的澆筑縫是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，存在受力機(jī)制不明確、力學(xué)性能不足、耐久性差等問題。因此，研究接縫受力機(jī)理，提高接縫的力學(xué)性能具有現(xiàn)實的應(yīng)用意義。前人關(guān)于鋼筋與混凝土之間黏結(jié)滑移關(guān)系的研究，啟發(fā)了研究人員通過管道灌漿分析漿液與鋼筋之間的黏結(jié)滑移效應(yīng)，進(jìn)而建立裝配式結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究基礎(chǔ)［2］。隨著裝配式結(jié)構(gòu)概念的普及，許多研究人員從材料性能、結(jié)構(gòu)形式等方面對灌漿節(jié)點應(yīng)用的可行性進(jìn)行研究［3-4］。包龍生等［5］提出鋼筋套筒連接、金屬波紋管灌漿連接、承插式、槽式等多種節(jié)點結(jié)構(gòu)形式，并應(yīng)用于工程實踐。在結(jié)構(gòu)可行性研究的基礎(chǔ)上，研究人員將理論分析與實踐經(jīng)驗相結(jié)合，通過室內(nèi)試驗，設(shè)計全尺寸模型，對高溫環(huán)境、重復(fù)荷載等特殊條件下的節(jié)點性能進(jìn)行評估。此外，開展通過提高剪切黏結(jié)力和優(yōu)化材料提高鋼筋和灌漿材料黏結(jié)性能的相關(guān)研究。金屬波紋管灌漿連接由于具有施工簡單、成本低、環(huán)保等特點，因此受到施工方和研究人員的青睞［6］。目前，對金屬波紋管灌漿的力學(xué)性能研究還處于起步階段，金屬波紋管對灌漿材料與鋼筋之間的約束作用的研究被忽視。因此，本文以某高速ZT6標(biāo)段裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋工程為研究對象，分析不同設(shè)計參數(shù)下注漿波紋管的結(jié)構(gòu)模式和節(jié)點的力學(xué)性能，以期填補(bǔ)前人研究空白，為同類工程提供借鑒。

1 工程背景

京津冀的核心區(qū)域作為我國交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的核心區(qū)，該區(qū)域運行過程中存在超載、超速現(xiàn)象。據(jù)調(diào)查報告顯示，部分車輛的裝載量超過高速公路允許裝載量的10%～35%；小型車輛的行駛速度大多為110～125 km/h，大型貨車的速度大多為50～80 km/h。持續(xù)超載、超速的行車狀況對裝配式橋梁結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量提出了更高的要求。

本研究案例為某高速ZT6標(biāo)段，起點為K70+146，終點為K82+750，全線總長12.6 km。招標(biāo)段橋梁采用裝配式混凝土雙“T”梁橋，為全裝配式結(jié)構(gòu)，雙向8車道，設(shè)計速度為120 km/h，整體底板寬度為42 m。大橋下部結(jié)構(gòu)連接處的結(jié)構(gòu)設(shè)計采用金屬波紋管灌漿連接方式，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗材料

本研究根據(jù)工程要求設(shè)計了金屬波紋管的灌漿試件，試件主體由3個部分組成：鋼筋、灌漿材料和波紋管。鋼筋為HRB400，公稱直徑為20 mm、22 mm、25 mm。灌漿材料A的28 d強(qiáng)度達(dá)到100 MPa，灌漿材料B的28 d強(qiáng)度達(dá)到65 MPa，C為早強(qiáng)灌漿材料。3種灌漿材料的具體設(shè)計參數(shù)見表1。內(nèi)徑為65 mm的金屬波紋管形狀為具有封閉環(huán)形波紋的圓形鋼管。試驗件錨固長度為300 mm。

2.2 試樣設(shè)計方案

試件的設(shè)計參數(shù)見表2。試件參數(shù)表中的試件編號由3個部分組成，分別代表鋼筋的直徑、波紋管的直徑和灌漿材料的類型，例如20-65-A分別表示鋼筋直徑為20 mm，波紋管直徑為65 mm，采用高強(qiáng)度灌漿材料A完成試件的澆筑。表2中的d為鋼筋直徑，D為波紋管直徑，La為鋼筋錨固長度。

在本研究中，每組試件的數(shù)量為5個，并對一組5個試件進(jìn)行加載試驗。除去每組試件加載結(jié)果中的最大值和最小值，計算其余3個試件的平均值，通過設(shè)計平行試驗，盡可能避免外部因素造成的誤差影響。3種不同設(shè)計參數(shù)的試樣在灌漿后表現(xiàn)出不同的現(xiàn)象：灌漿材料A在澆筑后期表現(xiàn)出良好的流動性，4～5 h后逐漸形成；灌漿材料B在澆筑初期表現(xiàn)出較好的流動性，4～5 h后逐漸形成；灌漿材料C在澆筑初期流動性較好，試樣溫度迅速升高，產(chǎn)生了較劇烈的水化熱反應(yīng)。

2.3 加載方案

試驗中，使用WAW-2000微控電液伺服萬能試驗機(jī)以200 N/s的加載速率進(jìn)行連續(xù)加載。在加載過程中，記錄試驗前后加載端和自由端標(biāo)記位置的位移，取平均值作為試件的整體位移。在加載端，拉伸力由萬能機(jī)讀取，控制位移和拉伸力等數(shù)據(jù)以相同頻率同時采集。

3 測試結(jié)果分析

3.1 試件破壞模式

大部分灌漿試件的破壞模式主要由灌漿材料的壓碎、鋼筋的斷裂和鋼筋的撥出引起。本試驗試件的破壞模式主要有2種：鋼筋拉伸破壞和鋼筋滑移破壞，并伴有灌漿材料損傷現(xiàn)象。試樣的失效形態(tài)如圖2所示。

在試件加載初始階段，外力主要由加載端附近的黏結(jié)力承擔(dān)。隨著加載程度的變化，荷載力沿錨固長度向自由端傳遞，鋼筋的應(yīng)力也逐漸從加載端向整個試件傳遞［如圖2（a）所示］。當(dāng)鋼筋與灌漿材料之間的黏結(jié)力達(dá)到極限時，試件的鋼筋發(fā)生滑動，達(dá)到試件的極限破壞荷載［如圖2（b）所示］。灌漿材料和鋼筋之間的機(jī)械咬合齒的剪切破壞，在鋼筋和灌漿材料之間形成一個光滑穩(wěn)定的滑移破壞面，最終導(dǎo)致試件損壞［如圖2（c）所示］。

3.2 基于不同孔徑比的灌漿波紋管連接的機(jī)械性能分析

波紋管的直徑為65 mm，選擇公稱直徑為20 mm、22 mm和25 mm的HRB400鋼筋，研究不同孔徑比對金屬波紋管灌漿試件力學(xué)性能的影響（如圖3所示）。

由圖3可知，對于灌漿材料A而言，鋼筋直徑越大，承受的荷載也越大。當(dāng)鋼筋直徑為25 mm時，最大荷載為251 kN。不同直徑鋼筋的最大位移分別為46 mm、39 mm、37 mm；對于灌漿材料B，最大荷載為246 kN，較灌漿材料A的最大荷載下降1.99%；灌漿材料C的鋼筋直徑為20 mm和22 mm的荷載位移曲線較為相似，最大荷載僅為140 kN，試件最大位移分別為46 mm、46 mm、38 mm。試驗結(jié)果表明，僅改變試件孔徑比，用不同灌漿材料澆筑的試件的力學(xué)性能隨著孔徑比的變化呈現(xiàn)出相似的變化趨勢。當(dāng)錨固長度不變時，極限黏結(jié)強(qiáng)度隨著孔徑比的增大而增強(qiáng)。當(dāng)孔徑比達(dá)到D/d=2.6時，鋼筋的錨固性能為最佳。

通過分析可知，黏結(jié)強(qiáng)度隨孔徑比的增大而增強(qiáng)，主要是由于鋼筋的直徑增大，導(dǎo)致鋼筋表面與灌漿材料的接觸面積增大，造成兩者之間的摩擦力增大。直徑較大的鋼筋一側(cè)月牙肋面積增大，在灌漿過程中容易與月牙肋貼合，鋼筋月牙肋對灌漿材料形成斜向壓力，提高了黏結(jié)強(qiáng)度［7］。此外，隨著鋼筋直徑的增大，試件內(nèi)部空間減小，金屬波紋管的周向約束作用增大［8］，對灌漿材料的變形有較強(qiáng)的抑制作用。研究表明，在金屬波紋管直徑不變的情況下，隨著鋼筋直徑增大，金屬波紋管灌漿試件的力學(xué)性能明顯增強(qiáng)。

3.3 基于不同特性灌漿材料的波紋管連接灌漿的機(jī)械性能分析

選擇灌漿材料A、B、C澆筑試件，研究不同灌漿材料對金屬波紋管灌漿試件力學(xué)性能的影響，試件的加載結(jié)果如圖4所示。當(dāng)鋼筋直徑為20 mm時，不同灌漿材料的最大荷載分別為226 kN、211 kN、119 kN，并且3種灌漿材料的最大位置均在45 mm附近。當(dāng)鋼筋直徑為22 mm時，灌漿材料A試件的強(qiáng)度達(dá)到最大值（243 kN），同時可觀察到灌漿材料A和B的破壞荷載曲線均大于灌漿材料C，灌漿材料C的最大荷載僅為120 kN，遠(yuǎn)低于灌漿材料A的強(qiáng)度。當(dāng)鋼筋直徑為25 mm時，最大荷載為242 kN。試驗結(jié)果表明，在一定孔徑比條件下，灌漿材料C不能滿足使用要求，其破壞荷載只能達(dá)到其他2種灌漿材料的1/2。用灌漿材料A澆筑的金屬波紋管灌漿試件的力學(xué)性能和耐久性都比較好，但隨著孔徑比的減小，灌漿材料對試件性能影響越來越小。當(dāng)孔徑比小于2.6時，灌漿材料A和B對試件性能的影響大大減弱。

綜上所述，選用65 mm的波紋管和22 mm的鋼筋及灌漿材料A可最大滿足工程力學(xué)性能要求。

4 結(jié)論

根據(jù)實驗結(jié)果，本文得出以下結(jié)論。

（1）在金屬波紋管尺寸不變的情況下，孔徑比變小，金屬波紋管試樣的內(nèi)部空間隨之變小，內(nèi)部約束作用變?nèi)酢．?dāng)D/d=2.6時，試件的性能較好。

（2）比較不同特性的灌漿材料，當(dāng)灌漿材料的特性增強(qiáng)時，金屬波紋管試件的性能也隨之增強(qiáng)，但隨著孔徑比變小，灌漿材料對試件性能的影響變?nèi)酢?/p>

（3）根據(jù)工程應(yīng)用和相關(guān)設(shè)計的要求，提出“高于一般標(biāo)準(zhǔn)的100 MPa高強(qiáng)度灌漿材料+65 mm波紋管+22 mm鋼筋”的方法為最佳施工方法。該結(jié)構(gòu)設(shè)計可以在金屬波紋管的最佳約束條件下，最大限度地提高節(jié)點的力學(xué)性能。

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【作者簡介】彭冬成，男，廣西隆安人，任職于廣西路建工程集團(tuán)有限公司，工程師，研究方向：公路工程建設(shè)。

【引用本文】彭冬成.裝配式橋梁結(jié)構(gòu)中注漿波紋管的力學(xué)性能分析［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2023（5）：68-71.