预制节段RPC梁干接缝直剪性能试验研究

姜海波，黄承旺，冯家辉，王添龙，李培森

(1.广东工业大学 土木与交通工程学院，广东 广州 510006；2.东莞市路桥投资建设有限公司，广东 东莞 523000)

0 引言

活性粉末混凝土材料(reactive powder concrete,RPC)是20世纪90年代发展起来的一种新型水泥基复合材料，其具有抗压抗拉强度高、韧性好、耐久性好等优良特性[1-4]。其配置原理一般是添加高效减水剂从而采用较低的水胶比，通过剔除粗骨料来减小内部裂隙，利用“最紧密堆积理论”来制成，并通过掺入钢纤维来改善混凝土的延性和韧性[5]。

预制节段RPC干接缝桥梁紧密结合着现代施工工艺，迎合了未来环境友好型建设的需求，且RPC材料具有减轻结构自重、增大桥梁跨度和提高结构耐久性的优势，RPC作为桥梁上部结构的主要材料在预制节段混凝土桥梁中具有很大的应用空间[6-8]。1997年，加拿大建成世界上第一座RPC人行天桥[9]。克罗地亚在巴卡尔海峡建成跨径达462 m的RPC预制拱桥[10]。世界各国均开始将RPC材料运用到本国的桥梁建设工程。据不完全统计，截至2020年止，世界各国已建成主要或部分材料为RPC的桥梁达40余座，此外还有大量拟建的RPC桥梁[11]。

与整体现浇桥梁相比，由于采用的施工工艺不同，预制节段桥梁在节段连接处的干接缝区域不连续，纵向构造钢筋也断开，仅依靠剪力键传递剪力，所以干接缝作为预制节段RPC梁的关键部位和薄弱环节，直接影响整桥的受力性能。自20世纪50年代以来，预制节段混凝土桥梁干接缝的直剪性能备受关注，国内外学者如王建超[12]、李国平[13]、陈黎[14]、Turmo[15]、Ghafur H. Ahmed[16]、Yuan A[17]、Moustafa[18]、 Jiang[19]等已经对预制节段混凝土桥梁干接缝和胶接缝的直剪性能进行了研究，试验参数包括混凝土类型、接缝类型、正应力大小、键齿尺寸构造、键齿数量以及是否掺入纤维等。这些试验结果表明：胶接缝发生脆性破坏，其直剪承载力与现浇接缝相当；同等条件下，单键齿和多键齿干接缝的直剪强度均要低于胶接缝。此外，Kim[20]、孙莉[21]、Shamass[22]、王建超[12]等人还建立了有限元数值模型来研究键齿数量、水平正应力、接缝类型等参数在剪切荷载作用下对键齿接缝的直剪性能的影响，并且根据数据得出关于键齿接缝的剪切行为和应力分布的结论。Alcalde[23]等人为研究接缝的直剪性能和破坏机理，对多键齿干接缝进行了数值模拟。数值分析结果表明：接缝截面传递的平均剪切应力随着齿键数目的增加而减小，但是随着水平正应力的增加，齿键数目对平均剪应力的影响减小[23]。

RPC材料的各项优异性能均符合现代桥梁轻质、高强、模块化施工方向发展的需求。目前，国内外关于预制节段RPC梁干接缝直剪性能的研究较少，其直剪强度和破坏机理仍不完全明确，非常有必要对活性粉末混凝土干接缝试件进行直剪性能试验研究，探讨其接缝的破坏机理及承载力计算方法，为实际工程的理论设计和相关规范的建立提供数据支持。在本试验中，研究了钢纤维类型、键齿数量、混凝土强度以及水平正应力对预制节段RPC梁干接缝试件的直剪性能的影响。试验结果将丰富研究预制节段活性粉末混凝土干接缝的直剪性能的数据库，并用于验证和完善相关的规范。

1 试验概况

1.1 试件设计及试验参数

为了研究预制节段RPC梁干接缝的直剪性能和破坏机理，本试验设计了“Z”型推出试件和用于对照的整体式试件。为了防止试件的其他部位在竖向荷载作用下先于接缝发生破坏，在试件的周围配置构造钢筋以增强其承载能力。所有试件的厚度均为100 mm，试件具体尺寸和配筋图如图1所示。

图1 试件尺寸和配筋图(单位：mm)Fig.1 Specimen dimensions and reinforcements(unit：mm)

本试验以键齿数量、水平正应力和钢纤维类型为参数，对20个试件进行直剪试验。为便于表述对试件按照下列方法进行统一编号：整体式表示为M0，单键齿表示为K1，RPC混凝土抗压强度110 MPa 表示为U110，钢纤维抗拉强度为2 850 MPa表示为2 850。例如三键齿(K3)、混凝土抗压强度110 MPa(U110)、钢纤维抗拉强度为2 000 MPa(2 000)、水平正应力为1.0 MPa的试件编号表示为K3-U110-2000-1.0。各试件参数编号汇总如表1所示。

表1 试件试验参数汇总表Tab.1 Summary of experimental parameters

1.2 混凝土材料配合比与力学性能

此次浇注的混凝土材料设计立方体抗压强度为110 MPa，采用P.O 52.5级硅酸盐水泥、端钩形钢纤维，水胶比为0.22，细沙的最大粒径为2.36 mm。试件采用的构造钢筋为HRB400螺纹钢筋，弹性模量为200 GPa。材料设计配合比具体如表2所示。

表2 混凝土设计配合比Tab 2 Mix proportions of concrete

对于整体式试件采用一次浇注成形，对于键齿型试件分两次浇注，即先浇注阴键齿，待其强度达到拆模要求后拆模，然后以阴键齿为模板浇注阳键齿。每一车都留出部分混凝土材料来制作立方体和圆柱体。[24]所有试件在相同环境下均浇水并覆膜养护7 d，之后在常温下覆膜养护至28 d(如图2所示)。材料力学性能如表3所示。

图2 试件浇注与养护图Fig.2 Casting and curing of specimens

表3 材料力学性能Tab 3 Mechanical properties of material

1.3 试验设备与加载方案

如图3所示：(1)竖向装置：由电液伺服压力试验机提供竖向荷载。为了避免在竖向荷载作用下加载面出现受力不均匀的现象，在试件顶端和底端与试验机接触的部分分别放置一块带有四氟乙烯薄片的钢板，并在顶端放置球铰。竖向位移计分别布置在试件的A1，A2处。横向位移计布置在试件的A3处[25]。(2)水平装置：由电动油泵和千斤顶提供水平荷载来模拟实桥节段间的预应力作用，在千斤顶顶盘上的传感器连接测力显示器，用以控制水平荷载的大小[26-27]。在试件一侧安放一块贴有四氟乙烯薄片的钢板，另一侧放置防滑铰链，用来减小试件与装置间的竖向摩擦。针对各类型试件所需施加水平荷载的面积，可以通过更换不同尺寸的钢板来调整。(3)数据采集装置：所有数据使用DH-3816静态采集仪进行单次手动采集。(4)采用位移控制的方式按0.2 mm/min的速率逐级加载，每级恒载3 min 后采集数据并观测记录试件裂缝。(5) 待到试件发生破坏或键齿失去作用且A1和A2两处的位移平均值达到7 mm以上时停止加载。

图3 试验装置和仪器布置图Fig.3 Test setup and instrumentation

2 试验现象、结果与分析

将试验结果汇总如表4所示。

表4 试验数据汇总Tab.4 Summary of experimental data

2.1 RPC干接缝裂缝发展情况

2.1.1整体式

以M0-U110-2850-2.0为例。如图4所示，当竖向荷载达到343.1 kN时，约为极限荷载的62.5%，在试件的剪切区域的上部出现一条与水平方向呈70°的斜向下裂缝。当竖向荷载继续增大到516.3 kN的时候，试件的剪切区域出现大量自上而下的与水平方向呈70°左右的斜裂缝，且小裂缝有汇合成大裂缝的趋势。当荷载继续加大到548.9 kN时，试件出现一条贯穿剪切区的大裂缝，构件的混凝土大范围开裂。试件开裂破坏时可观测到大多数钢纤维是被拔出，只有少量钢纤维被拉断破坏。

图4 整体式试件裂缝发展Fig.4 Crack propagation of integral specimen

2.1.2单键齿

以K1-U110-2000-2.0为例。如图5所示，当竖向荷载达到179.2 kN时，约为极限荷载的60.4%，阳键齿根部与水平方向大约呈60°处出现一条斜向上的裂缝。当荷载的继续增大到257.2 kN时，阳键齿接缝处出现多条竖向小裂缝，并且多条小裂缝有汇合成一条大裂缝的趋势。当荷载达到296.6 kN时，接缝处出现一条贯穿键齿根部的竖向大裂缝。此时剪切面处的钢纤维变形严重，纵横交错的钢纤维摩阻作用继续提供试件的残余承载力。

图5 单键齿试件裂缝发展图Fig.5 Crack propagation of single-keyed specimen

2.1.3三键齿

以K3-U110-2000-1.0为例，如图6所示，自上而下按顺序把键齿编号为1，2，3。当竖向荷载达到272.7 kN时，约为极限荷载的56.6%时，1号阳键齿处出现一条自上而下的裂缝。当荷载达到403.6 kN时，大量的竖向斜裂缝出现在1号和3号处，2号相对较少。由于构件是按照1，3，2号键齿的顺序依次破坏，所以当荷载达到峰值荷载525.7 kN 时，构件的承载力开始呈现阶梯状下降。当所有键齿均破坏后，由于水平正应力作用，剪切断面处的钢纤维相互交错摩擦，产生一定的摩阻力，提供了构件的残余承载力。

图6 三键齿试件裂缝发展图Fig.6 Crack propagation of 3-keyed specimen

2.2 试件荷载-位移曲线图

利用绘图软件将试验采集仪采集到的荷载-位移数据绘制成曲线图，为了方便将不同试验参数下的曲线图进行比较，本研究统一将竖向相对滑移设为横坐标，竖向荷载设为纵坐标。试验结果汇总如图7所示。

图7 荷载-位移曲线图Fig.7 Load-displacement curves

2.2.1单键齿和整体式试件

从图7来看，整体式和单键齿的荷载-位移曲线都经历3个阶段：上升段、下降段和水平段。具体表述如下。

(1)上升段：这个阶段的荷载-位移曲线先呈现直线上升，试件处于弹性变形阶段。然后曲线呈现非线性增长，此时试件处于弹塑性变形阶段，试件接缝处开始出现裂缝。各裂缝迅速发育，试件的直剪承载力逐渐达到峰值，且相对滑移量迅速发展。(2)下降段：这个阶段的曲线迅速下降，试件的裂缝发育完全，出现贯穿剪切区域的大裂缝。试件已经发生剪切破坏，相对位移值迅速增大。(3)水平段：由于水平正应力的作用，试件发生剪切破坏后并没有立即分离，而是互相交错摩擦产生摩阻力，因此曲线维持在一定的残余荷载值附近。

2.2.2三键齿试件

从图7来看，三健齿试件也分为3个阶段：上升段、下降段和水平段。

(1)上升段：与前面相似，试件先处于弹性变形阶段，然后处于弹塑性变形阶段。按照自上而下的顺序给键齿编号1，2，3，斜裂缝先是出现在1号顶部，随后出现在3号根部，最后出现在2号。在这个阶段，试件的直剪承载力达到峰值，各裂缝发育迅速。(2)下降段：因为三健齿试件的键齿不同时发生破坏，而是按照1号，3号，2号的顺序依次发生破坏。所以试件的直剪承载力在达到峰值荷载后迅速下降，然后又有一定程度的上升，再下降，呈现明显的阶梯状下降。(3)水平段：与前面相似，由于水平正应力的作用，荷载-位移曲线逐渐维持在一定的残余荷载值附近。

2.3 试验参数对接缝直剪强度的影响

2.3.1键齿数量的影响

从表5可知，在水平正应力为2 MPa的情况下，三键齿的开裂荷载为416.5 kN，极限荷载为746.7 kN，残余荷载为296 kN。而相同条件下单键齿的开裂荷载约为三键齿的43.3%，极限荷载约为三键齿的38.1%，残余荷载约为三键齿的30.9%；单键齿的开裂荷载约为整体式的52%，极限荷载约为整体式的51.3%，残余荷载约为53.8%。这说明同等水平正应力下，随着键齿数量的增加，试件抵抗开裂的能力越强，且极限承载力越大。单键齿的承载力约为整体式的50%左右。水平正应力为 1 MPa 的情况下与2 MPa的情况类似。

表5 键齿数量对3种强度的影响Tab.5 Influence of number of keys on 3 kinds of strength

2.3.2水平正应力的影响

由表6可知，对于三键齿来说，随着水平正应力的增大，其开裂荷载提高了68.3%，极限荷载提高了39.4%，残余荷载提高了4.3%；对于单键齿的来说，其开裂荷载、极限荷载和残余荷载分别提高了4.04%，15.6%，18.7%；对于整体式的来说，其开裂荷载、极限荷载和残余荷载分别提高了17.6%，23.6%，52.7%。这说明水平正应力越大对各种接缝类型的直剪承载力均有明显的提高，且对延迟试件的开裂越有效。此外，水平正应力对三键齿的开裂荷载和极限荷载影响比较大，对残余荷载的影响小。而其对单键齿的影响却恰恰相反，对键齿的开裂荷载和极限荷载影响比较小，对残余荷载的影响大。

表6 水平正应力对3种强度的影响Tab 6 Influence of horizontal normal stress on 3 kinds of strength

2.3.3钢纤维类型的影响

由表7可知，对于三键齿来说，随着钢纤维抗拉强度的增大，其开裂荷载提高了10.4%，极限荷载提高了1.9%，残余荷载提高了5.1%；对于单键齿的来说，其开裂荷载和极限荷载分别提高了4.6%，4.8%，但是残余荷载降低了1.8%。这说明不同类型的钢纤维随着其抗拉强度的增大，对接缝的极限直剪承载力和抵抗开裂的能力均有略微的提高。这是因为剪切断裂面处的钢纤维主要是被拔出而不是拉断破坏，钢纤维自身的强度特性并没有发挥很大的作用。

2.3.4混凝土强度的影响

表8为从陈黎[14]论文里面选取的部分数据。将表7中钢纤维类型为2 000 MPa的RPC材料的数据与表8的数据对比中可知，RPC材料单键齿的开裂荷载比普通C40混凝土单键齿的开裂荷载提高了88.4%，直剪强度是C40混凝土单键齿的2.38倍；RPC材料三键齿试件的开裂荷载比普通C40混凝土三键齿的开裂荷载提高了93.6%，直剪强度是C40混凝土三键齿的3.17倍；RPC材料单键齿的开裂荷载和直剪强度分别比普通C40混凝土整体式试件提高了18.1%和65.8%。由此可见，混凝土材料的强度对干接缝的直剪强度具有极大的影响，且RPC材料对提高接缝的直剪能力具有显著的优势。

表7 钢纤维类型对3种强度的影响Tab.7 Influence of steel fiber type on 3 kinds of strength

表8 陈黎论文[14]的部分普通混凝土试件数据Tab.8 Some data of ordinary concrete specimens in Chen Li’s paper[14]

3 结论

本研究对20个推出试件进行直剪试验，研究了钢纤维类型、键齿数量、水平正应力和混凝土强度等参数对接缝的影响，记录了干接缝的开裂荷载、极限荷载、残余荷载等数据，绘制了各试件的荷载-位移曲线图，观测了裂缝的形态和破坏模式。从现有的数据分析情况可得结论如下：

(1)RPC干接缝的开裂荷载约为极限荷载的42.6%～70.6%。RPC三健齿试件按照1号，3号、2号的顺序依次发生破坏。因此其荷载-位移曲线呈现阶梯下降的规律。

(2)在水平正应力为2 MPa的情况下，单键齿的开裂荷载和极限荷载分别约为三键齿的43.3%和38.1%，说明键齿数量对试件抗开裂能力和直剪承载力有一定的提高作用；单键齿的开裂荷载和极限荷载分别约为整体式的52%和51.3%，表明单键齿的承载力约为整体式的50%左右。

(3)随着水平正应力的增大，三键齿试件、单键齿试件和整体式试件的直剪强度分别提高了39.4%，15.6%和23.6%。这说明水平正应力对不同键齿数量的试件的直剪承载力均有明显的提高作用，其中，对三键齿的影响比较大，而对单键齿的影响较小。

(4)剪切区域的钢纤维大多数是被拔出而失去作用，少量钢纤维被拉断破坏。随着钢纤维抗拉强度的增大，三键齿试件的开裂荷载和直剪强度分别提高了10.4%和1.9%；单键齿试件的开裂荷载和直剪强度分别提高了4.6%和4.8%。这说明钢纤维自身抗拉强度的大小，对接缝的直剪承载力和抗开裂能力均有略微的提高作用。

(5)与陈黎论文的部分数据[14]的对比分析可知，RPC材料单键齿的开裂荷载比普通C40混凝土单键齿的开裂荷载提高了88.4%，直剪强度是C40混凝土的2.38倍；RPC材料三键齿试件的开裂荷载比93.6%，直剪强度是C40混凝土的3.17倍；RPC材料单键齿的开裂荷载和直剪强度分别比普通C40混凝土整体式试件提高了18.1%和65.8%。由此可见，混凝土材料的强度对干接缝的直剪强度具有极大的影响，RPC材料对提高接缝的直剪能力具有显著的优势。