基于钢筋网联结的钢-ECC组合桥面结构抗弯性能试验研究

张文武， 王怡凯， 荣 锐， 毕玉峰， 宋 杰， 孙仁娟

(1.山东省交通规划设计院， 济南 250002； 2.山东大学 齐鲁交通学院， 济南 250002)

为了满足交通路网建设需求，我国建成了许多大跨径正交异性钢-混凝土组合桥梁[1]。桥面铺装是钢-混凝土组合桥梁的重要组成部分之一，除了满足行车舒适性等与普通路面相似的路用性能外，还必须与钢桥面板协同受力变形，满足钢桥面板抗疲劳的要求。在重载、高温等作用下的钢桥面柔性铺装桥面板易疲劳开裂，铺装层易损坏，而传统刚性铺装存在铺装厚度大、材料抗拉强度不足等缺点[2-6]。据此，王婷等[7]对钢纤维混凝土在桥面铺装工程中的应用技术开展了相关研究，论证了钢纤维混凝土材料在桥面铺装工程中应用的可行性。张松涛[8]、邵旭东等[9]基于钢纤维混凝土铺装层过薄而无法采用常规抗剪连接件形式的问题，提出一种新型钢筋网局部焊接抗剪连接件，与传统作为连接件的栓钉相比，相同荷载比值下采用焊接联结的界面相对滑移小，焊接抗剪件的抗剪刚度大于栓钉。

ECC(Engineered Cementitious Composite)是一种具有明显应变硬化特征的材料，且在改变钢筋的数量后能够进一步增强ECC材料的受弯承载力和延性，同时可有效延缓裂缝的发展，从而提高了材料的抗拉性能[10-14]。卜良桃等[15]对聚乙烯醇纤维水泥(PVA-ECC)钢筋网加固的钢筋混凝土梁进行受弯性能试验研究，结果表明，PVA-ECC钢筋网加固方法能有效提高钢筋混凝土梁承载力和刚度，能较好地约束裂缝的发展，具有良好的加固效果。本文将超高韧性水泥基复合材料作为桥面铺装层，使用钢筋网作为连接件来提高ECC与钢板之间的粘结能力，形成一种新型组合结构；通过四点弯曲试验，对组合结构的承载能力、抗滑移能力和裂缝性能进行测试，并探寻合适的配筋率。

1 试验概况

1.1 试验设计

根据配筋率的不同，设计了4块组合桥面板。正交异性钢板-ECC试件尺寸为1 200 mm×200 mm×69 mm。其中钢板厚14 mm，ECC层厚55 mm。钢板与ECC层使用钢筋网作为连接构件，钢筋网分为纵向钢筋和横向钢筋，钢筋网的横筋焊接到钢板，纵筋与横筋点焊。试件的尺寸和钢筋布置如图1所示。

(a) BM1钢筋布置

(b) BM2钢筋布置

(c) BM3钢筋布置

(d) BM4钢筋布置

试验ECC所用水泥为P·O 42.5，粉煤灰为临沂产I级粉煤灰。ECC材料28 d抗压强度为50.3 MPa，直拉强度为4.7 MPa，弯拉强度为15.2 MPa。试验钢板采用Q345等级低合金钢，钢筋采用直径Φ10的钢筋，等级为HRB400。各组合桥面板的具体试验参数如表1所示。

表1 组合桥面板试验参数

1.2 试验方案

试验方案采用四点弯曲加载方式，并逐级加载。试验初期先采用一定的荷载增量逐级加载，由于达到最大荷载后荷载开始缓慢下降，因此后期以一定的位移值增量进行逐级加载。试验采取负弯矩加载，加载时，ECC层主要受弯拉作用，钢板受压。现场加载装置如图2所示。

图2 加载装置示意

试验中组合结构的跨中位移、分配梁加载位置的位移及支座位置的位移均使用百分表测量，ECC与钢板的相对滑移则使用千分表测量。

ECC与钢板的应变使用DH3815N-1静态数据采集仪进行采集，ECC与钢板纯弯段各均匀地布置9片应变片，侧面各布置3片应变片，ECC层的顶面布置了引伸仪来补充应变数据。应变片及引伸仪布置如图3所示。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

钢板-ECC组合桥面板试验结果如表2所示。

2.2 承载能力分析

荷载-跨中挠度曲线从宏观上显示组合桥面板承载能力的大小。荷载-跨中挠度曲线如图4所示。

(a) 钢板底面应变片布置

(b) ECC顶面应变片布置

(c) ECC顶面引伸仪布置

(d) 组合板侧面应变片布置

表2 主要试验结果

图4 荷载-跨中挠度曲线

由图4可知，以钢筋网联结ECC和钢板，能够明显看出纵筋数量对组合桥面板承载能力的影响。组合桥面板BM1未配置纵筋，只配置同等数量横筋，其组合桥面板与其他组合桥面板相比，承载能力差很大，BM2仅配置了1根纵筋，但最大承载力与BM1比较提高了101%；而BM3与BM2比较，BM4与BM3比较，分别仅提升了18.5%和16.1%。由此可见增加纵向配筋的数量可提高组合桥面板承载能力，且存在一个最优配筋率。

组合桥面板在出现裂缝后仍能够在较长的时间内保持一定的承载力继续变形，这显示了ECC材料良好的延性。

本文的试件破坏过程都经历了弹性阶段、裂缝开展阶段和破坏阶段。荷载-应变曲线如图5所示。由图5可知：

1) 弹性阶段。施加荷载初期曲线保持线性关系，试件没有出现可见裂缝。

2) 裂缝开展阶段。在这个阶段曲线斜率突然变小，应变增加的速度加快，ECC表面出现细密的裂缝，此时曲线仍然能够保持一定的斜率(即试件刚度保持不变)，但ECC表面的裂缝数量增加。该阶段不同配筋率的组合桥面板性能的差别逐渐体现出来，配筋率越高，承受相同荷载时的应变值越小。对钢筋网型组合板抗弯性能起决定性作用的是内部纵向钢筋配筋率的大小。

3) 破坏阶段。当荷载加到一定程度，各个组合桥面板的曲线逐个变得平缓，此时的应变变化很快，组合桥面板即将达到极限承载力，裂缝的宽度急速增长。由此发现，除了没有配钢筋的BM1外，其他组合桥面板在极限荷载时都能达到3%左右的应变。

图5 荷载-应变曲线

2.3 开裂分析

试件的开裂过程如图6所示。各阶段开裂分析如下：

(2)供电方案的设计主要包括电气主接线、环网柜、箱式变电站的设计与选择，要在满足安全可靠性的基础上，尽量简化线路布置，以便于维护和检修。

1) 弹性阶段。试验开始至出现第1条裂缝期间，随着荷载的增加，可以发现荷载与跨中挠度存在良好的线性关系。

2) 裂缝开展阶段。支座下边缘附近的ECC底面出现第1条微小的可见裂缝，裂缝出现后便开始快速沿ECC边缘向内延伸，裂缝的宽度扩展到很小的宽度便不再增大，如图6(a)所示。随着荷载的增加，ECC底面不断出现新裂缝，并在裂缝发展到与第1条裂缝相似的宽度上便开始稳定不再扩展，如图6(b)所示。随后，组合桥面板的侧面也出现多条细密裂缝，这时的荷载与跨中挠度曲线已经偏离线弹性阶段。随着裂缝数量的继续增加，每条裂缝的间距大体相等，裂缝与裂缝间相互平行，且与组合桥面板的轴向垂直。此时，所有的应变片都超出量程。随着荷载的继续增加，组合桥面板上将不会出现新的裂缝，取而代之的是原有裂缝的扩展，所有裂缝大致以相同速度扩展，直至应力达到极限抗拉强度，组合桥面板上的某条裂缝(称之为主裂缝)开始局部化扩展，在跨中ECC底面出现1条较宽的主裂缝，随着荷载增大逐渐加宽，如图6(c)所示。

3) 破坏阶段。主裂缝贯穿ECC面，且荷载无法继续增加，组合桥面板破坏，如图6(d)所示。

加载时，ECC受拉，底面支座附近最先出现可视裂缝，裂缝宽度约为0.05 mm，此时对应的荷载定义为开裂荷载，通过开裂荷载可求得开裂强度。各组合桥面板开裂强度如表3所示。

(a) 出现裂缝

(b) 裂缝开展

(c) 主裂缝出现

(d) 组合桥面板破坏

表3 各组合桥面板开裂强度

由表3可知，试验中组合桥面板ECC的抗弯拉开裂强度大于4.33 MPa，满足大跨度桥梁车辆荷载作用下桥面结构横向抗拉应力的要求[16]。比较4种组合桥面板，随着纵筋数量的增加，可提高组合板的开裂强度。BM1没有配置纵筋；BM2配置了1根纵筋，开裂强度提高了34.4%；BM3配置了3根钢筋，开裂强度提高了7.4%；BM4配置了5根钢筋，开裂强度提高了6.7%。由此可见增加纵向配筋的数量可提高组合桥面板开裂强度，且存在一个最优配筋率。

2.4 最大裂缝宽度

裂缝宽度是结构耐久性的重要影响因素。与普通混凝土相比，ECC由石英砂、粉煤灰、水泥等细骨料组成，最大骨料粒径不超过1 mm，内部密实，纤维在裂缝处的连接使混凝土开裂后仍能保持一定的抗拉能力，裂缝处ECC的残余抗拉强度可减小所需的传递长度而缩短了裂缝间距，进而有效限制了裂缝的开裂和发展[2]。现通过研究组合结构的最大裂缝宽度来探究ECC材料控制裂缝的能力。荷载-最大裂缝宽度曲线如图7所示。

图7 荷载-最大裂缝宽度曲线

由图7可知：

2) 裂缝开展阶段。ECC组合桥面板在在裂缝较小时，随着荷载的增长，最大裂缝宽度增长的速度比较缓慢，试件纯弯段裂缝的数量不断增多。BM1是没有配置纵向钢筋的组合桥面板，在刚刚出现裂缝时，裂缝宽度的增加很快，但是开裂后仍然能够在较小的裂缝下维持荷载。这说明ECC具有良好的控制裂缝能力。

3) 破坏阶段。最大裂缝宽度随着荷载的施加极速增长，此时记录最大裂缝宽度已经没有意义。

综上所述，随着纵向钢筋数量的增加，组合桥面板在同一荷载时，其最大裂缝宽度越小；组合桥面板BM4配置5根纵向钢筋，组合桥面板在达到极限承载力之前，最大裂缝宽度能够保持在0.2 mm以内，这时的裂缝宽度不会影响组合桥面板的使用性能。因此，纵筋数量的增加有利于减缓最大裂缝宽度的扩展。

2.5 钢板与ECC的粘结情况

将钢筋网焊接到钢板上，有利于促进钢板与ECC之间的连接能力，增加钢筋后，能够继续增加组合桥面板的极限承载力。荷载-相对滑移曲线如图8所示。

由图8可知，使用钢筋网联结的组合结构，不同配筋率组合桥面板荷载-相对滑移曲线基本重合；当组合桥面板破坏时，各组合桥面板仍未发生较大的相对滑移，这说明钢筋网连接件能够将钢板与ECC紧密的粘结在一起，直到组合桥面板将近破坏时仍能够保证较大的抗剪强度。

图8 荷载-相对滑移曲线

3 结论

本文在现有的桥面板结构及受力特点基础上提出一种基于钢筋网联结的正交异性钢板-ECC组合桥面结构体系，通过四点弯曲试验分析，得到如下结论：

1) ECC组合桥面板在出现裂缝后仍能够在较长的时间内保持一定的承载力继续变形，说明组合板具有良好的延性。

2) 组合桥面板抗弯承载力与ECC层开裂强度随着纵筋配筋数量的增大而提高，随着配筋数量的增大二者的上升幅度减小。由此可见增加纵向配筋率能够提高组合桥面板的承载力和抗裂能力，且存在一个最优值。

3) 试验中组合桥面ECC层裂缝宽度的发展与纵向钢筋截面配筋率有关，纵向钢筋对ECC表层裂缝的发展起到约束作用，配筋率越高，达到相同裂缝宽度时的组合桥面能够承担的荷载值越大。

4) 组合结构利用钢筋网联结ECC与钢板，ECC和钢板之间界面的滑移值很小，表明组合板界面抗剪能力强。