帶底托板回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫承載能力分析

李宇伶方 曹皓

摘要 回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫適宜橋梁工業(yè)化建造，為簡化現(xiàn)澆濕接縫工作，提出一種帶底托板的回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫。文章通過精細化有限元軟件，從抗彎剪與抗彎曲兩方面對其承載能力及受力情況進行分析，并與傳統(tǒng)無底托板回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫進行對比，結(jié)果表明：帶底托板回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫受力性能與傳統(tǒng)濕接縫相比，抗彎剪及抗彎曲性能基本保持不變，受力情況基本一致；濕接縫有效工作長度及受力性能與新舊混凝土豎向黏接長度有關(guān)，帶托板濕接縫的破壞荷載略小于無托板濕接縫。

關(guān)鍵詞 回轉(zhuǎn)式鋼筋；帶底托板接縫；有限元模擬；接縫受力性能；承載能力

中圖分類號 U445.471文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）10-0129-03

0 引言

回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫是通過接縫兩側(cè)預制梁板內(nèi)預留的環(huán)形鋼筋交替安放，而形成的回轉(zhuǎn)式鋼筋結(jié)構(gòu)。這種接縫方式可以避免接縫鋼筋的現(xiàn)場焊連，在預制完成后只需在現(xiàn)場快速安放后澆筑混凝土即可完成，其施工效率高，現(xiàn)場操作便利，具有廣泛的應用前景。

國內(nèi)學者對回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫的研究較為豐富，如通過試驗研究和數(shù)值分析方法，對預制混凝土橋面板回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫的受彎性能進行了研究，提出了回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫承受彎矩荷載作用的抗彎承載力計算模型[1]；研究了配置環(huán)形鋼筋的梁橋濕接縫承載力計算方法，提出今后仍應從破壞模式及受力機理出發(fā)，推導出更適用于環(huán)形鋼筋濕接縫承載力的計算方法[2]；通過數(shù)值分析方法，對預制混凝土橋面板回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫的受拉性能進行了參數(shù)化研究，研究發(fā)現(xiàn)接縫受拉承載力隨回轉(zhuǎn)式鋼筋間距增加而降低，隨重合長度及混凝土強度增加而提高[3]。也有學者對帶底托板的回轉(zhuǎn)式鋼筋疲勞性能進行了研究，如利用試驗方法對濕接縫的疲勞性能進行了研究，發(fā)現(xiàn)疲勞加載過程中構(gòu)件的剛度基本未發(fā)生變化，且未產(chǎn)生明顯裂縫，與對照組相比剛度基本相同[4]。

通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前對回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫的研究較多，對帶底托板的接縫研究較少。因此，需對帶底托板回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫的承載能力進行分析，并與傳統(tǒng)無底托板回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫進行了對比，為相關(guān)工程提供理論指導。

1 工程概況

基于現(xiàn)有無托板回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫尺寸，擬定試件厚度為220 mm，環(huán)形鋼筋重合長度為140 mm，橫向鋼筋分布間距為150 mm，接縫寬度為210 mm，兩側(cè)預制板長度為900 mm。整個試件尺寸為2 010 mm×720 mm×220 mm，如圖1所示：

2 有限元模型建立

建立帶底托板與無底托板回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫模型，其中混凝土采用C50混凝土，鋼筋為直徑為22 mm的HRB400級鋼筋。各部件連接均采用Tie連接，模型約束形式為簡支約束，荷載以位移形式進行施加，均向下位移15 mm。以帶底托板模型為例，彎剪模型和彎曲模型分別如圖2（a）和（b）所示。

3 回轉(zhuǎn)式鋼筋彎剪模擬

3.1 帶托板濕接縫彎剪模擬

帶托板濕接縫的彎剪有限元模擬結(jié)果顯示：混凝土最先達到極限強度的位置在豎向接縫處，此時混凝土試件上部受拉，下部受壓，豎向接縫處的局部最大應力達到2.678 MPa；隨著加載的持續(xù)，混凝土帶底托板處的混凝土也發(fā)生破壞，鋼筋應力持續(xù)增加，最終整個試件混凝土破壞、鋼筋屈服。

通過混凝土損傷模擬裂縫發(fā)展，如圖3所示，從圖中可以看出：豎向接縫處最先出現(xiàn)裂縫，之后托板處接縫出現(xiàn)裂縫，隨后預制板內(nèi)也開始出現(xiàn)豎向裂縫；隨著荷載的施加，再之后裂縫開始出現(xiàn)橫向發(fā)展，同時豎向裂縫數(shù)量增多，最終混凝土完全破壞；裂縫表現(xiàn)為豎向主裂縫逐漸朝橫向發(fā)展，細小裂縫的豎向分布較多。

3.2 無托板濕接縫彎剪模擬

無托板濕接縫的彎剪有限元模擬結(jié)果顯示：混凝土最先達到極限強度的位置在整個下部受拉區(qū)，試件底部的局部最大應力達到2.674 MPa；隨著持續(xù)加載，靠近施加力一側(cè)的接縫處應力逐漸斜向上發(fā)展，后續(xù)接縫的另一側(cè)應力分布也出現(xiàn)同樣變化，鋼筋應力持續(xù)增長。

通過混凝土損傷模擬裂縫發(fā)展，其結(jié)果表明：靠近受力點處的豎向接縫最先出現(xiàn)裂縫，之后預制板內(nèi)同步出現(xiàn)裂縫，隨后另一側(cè)豎向接縫開始出現(xiàn)裂縫；隨著荷載的施加，裂縫開始出現(xiàn)橫向發(fā)展，同時豎向裂縫數(shù)量增多，且預制板內(nèi)出現(xiàn)斜向裂縫并逐漸發(fā)展，最終混凝土完全破壞；裂縫表現(xiàn)為豎向主裂縫逐漸朝橫向發(fā)展，斜向裂縫逐漸發(fā)展，細小裂縫的豎向分布較多。

3.3 帶托板與無托板的彎剪受力對比

將帶托板濕接縫彎剪荷載位移曲線與無托板濕接縫彎剪荷載位移曲線進行對比，如圖4所示。從圖中可以看出，帶托板與無托板的濕接縫試件抗彎剪能力基本相同；荷載位移曲線表現(xiàn)出彈性階段及應力重分配階段基本重合的形態(tài)，其最終混凝土完全破壞；鋼筋屈服時其位移均處在11 mm附近，基本一致。從中可以推斷出，其帶托板的濕接縫對結(jié)構(gòu)受力的影響并不大，幾乎可以忽略。而圖中帶托板與無托板表現(xiàn)出的最大荷載差距，為帶托板濕接縫的接縫處有一段新老混凝土未連接，其工作長度為新老混凝土的連接厚度，小于無托板的濕接縫試件。

4 回轉(zhuǎn)式鋼筋純彎模擬

4.1 帶托板濕接縫純彎模擬

帶托板濕接縫純彎有限元模擬結(jié)果表明：混凝土最先達到極限強度處為豎向接縫處，局部最大應力達到2.46 MPa；持續(xù)加載，接縫處的破壞逐漸向上發(fā)展，其后帶托板預制構(gòu)件底部混凝土出現(xiàn)受拉破壞；隨后托板處混凝土開始發(fā)生破壞，鋼筋應力不斷增大，最終托板處新老混凝土接觸面破壞開裂，此時局部最大應力可達2.9 MPa，大于C50混凝土受拉強度標準值。

通過混凝土損傷模擬裂縫發(fā)展，如圖5所示。從圖中可以看出：豎向接縫處最先出現(xiàn)裂縫，之后預制板開始出現(xiàn)豎向裂縫，托板處接縫也開始出現(xiàn)裂縫，并從倒角處逐漸朝濕接縫內(nèi)部斜向發(fā)展，后轉(zhuǎn)為豎向裂縫；隨著荷載的施加，裂縫開始出現(xiàn)橫向發(fā)展，同時豎向裂縫數(shù)量增多，最終混凝土完全破壞；裂縫表現(xiàn)為豎向主裂縫逐漸橫向發(fā)展，細小裂縫的豎向分布較多。

4.2 無托板濕接縫純彎模擬

無托板濕接縫純彎有限元模擬結(jié)果表明：混凝土最先達到極限強度的位置在整個下部受拉區(qū)，且應力分布較均勻，試件底部最大局部應力達到2.673 MPa；持續(xù)加載，接縫處最大應力逐漸向上發(fā)展，混凝土試件破壞深入濕接縫內(nèi)部；應力分布圖顯示，鋼筋應力不斷增加，混凝土局部最大應力大于C50混凝土受拉強度標準值。

通過混凝土損傷模擬裂縫發(fā)展，其結(jié)果表明：接縫兩側(cè)最先出現(xiàn)豎向裂縫，之后預制板內(nèi)出現(xiàn)裂縫，隨后豎向裂縫逐漸增多；隨著荷載的施加，裂縫開始出現(xiàn)橫向發(fā)展，同時豎向裂縫數(shù)量增多，且預制板內(nèi)出現(xiàn)斜向裂縫并逐漸發(fā)展，最終混凝土完全破壞；裂縫表現(xiàn)為豎向主裂縫逐漸斜向發(fā)展，細小裂縫的豎向分布較多。

4.3 帶托板與無托板的純彎受力對比

將帶托板濕接縫純彎荷載位移曲線與無托板濕接縫純彎荷載位移曲線進行對比，如圖6所示。從圖中可以看出，有無托板的濕接縫試件抗彎曲能力基本相同；荷載位移曲線表現(xiàn)出彈性階段及應力重分配階段基本重合的形態(tài)，其最終混凝土完全破壞；鋼筋屈服時其位移均處在12 mm附近，基本一致。從中可以推斷出，其帶托板的濕接縫對結(jié)構(gòu)受力的影響并不大，幾乎可以忽略。而圖中帶托板與無托板表現(xiàn)出的最大荷載差距，為帶托板濕接縫的接縫處有一段新老混凝土未連接，其工作長度為新老混凝土的連接厚度，小于無托板的濕接縫試件。

5 結(jié)束語

通過精細化有限元軟件對比分析帶底托板的回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫與無底托板的回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫的抗彎剪和抗彎曲性能，發(fā)現(xiàn)兩者的受力性能與承載能力的差別或聯(lián)系，最終得出如下結(jié)論：

（1）帶底托板的回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫與無底托板的回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫相比，其試件彈性階段與混凝土開裂，鋼筋應力重分配階段一致，表現(xiàn)在荷載位移曲線上為兩者曲線基本重合，可見帶托板的回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫其受力情況與無托板回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫基本相同，其承載能力極限狀態(tài)的破壞規(guī)律一致。

（2）帶托板與無托板試件表現(xiàn)出的最大荷載差異情況表明，帶托板濕接縫的接縫處有一段新老混凝土未連接，帶托板濕接縫破壞荷載略小于無托板濕接縫。

（3）在結(jié)構(gòu)設計過程中對于帶托板濕接縫，可不將托板厚度計入接縫位置的有效高度范圍進行設計。

參考文獻

[1]曹皓， 石雪飛， 胡可. 預制混凝土橋面板采用回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫的受彎性能研究[J]. 公路， 2020（10）： 181-186.

[2]林上順， 暨邦沖， 何永波， 等. 配置環(huán)形鋼筋的梁橋濕接縫承載力計算方法比較研究[J]. 工業(yè)建筑， 2022（1）： 83-89+58.

[3]劉志權(quán)， 胡可， 石雪飛， 等. 預制混凝土橋面板回轉(zhuǎn)式鋼筋接縫的受拉性能參數(shù)分析[J]. 公路， 2021（3）： 153-157.

[4]鄒宇， 劉超， 石雪飛. 環(huán)形鋼筋互插帶托板濕接縫疲勞性能試驗[J]. 城市道橋與防洪， 2021（5）： 135-138+18.