UHPC带T形条带菱形接缝梁的抗弯性能研究

贾依楠,曾田胜,胡美韵,晏班夫

(1.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2.广东高恩高速公路有限公司，广东 开平 529000)

0 引言

装配式混凝土桥梁由于其施工便捷、环境干扰小、工程质量较高等优点，在工程中得到了广泛应用。但由于车辆超载、材料老化、接缝构造劣化等原因，现有中小跨径装配式混凝土桥梁中湿接缝运营过程中普遍存在开裂、渗漏水、碎裂等病害，影响结构耐久性，降低行车的安全性及舒适性，采用常规的方法进行维修加固很难彻底根治。传统中小跨径桥型构造已趋于成熟，其发展依赖于应用新材料的新型结构的开发。UHPC(超高性能混凝土)是一种以石英砂、石英粉等为细骨料，掺入硅灰等矿物掺合料、高效减水剂和钢纤维，按最大密实理论设计级配而成的新型复合材料，具有超高的抗拉压强度和超强的耐久性。将UHPC湿接缝取代普通混凝土湿接缝可望解决上述难题。

常用的UHPC接缝有干接缝或湿接缝形式，现有的研究主要关注普通混凝土的UHPC湿接缝及钢-UHPC桥面板的湿接缝等方面，连接预制UHPC节段的UHPC湿接缝的研究相对较少。学者CARBONELL[1]等探讨了不同的UHPC-普通混凝土界面处理方式对粘结强度的影响，试验结果显示，粗糙度对粘结强度的影响不大，而与普通混凝土表面湿度关系较大，且表面作切槽处理可以提高粘结强度；LEE[2-4]等对具不同接缝类型、预应力、齿键深度等的UHPC接缝试件的抗剪性能研究表明，试件均受拉破坏，UHPC接缝承载能力、变形能力与普通混凝土接缝相比，均有显著提高，而且加大齿键深度可明显提高接缝承载力； VOO[5]等研究了不同齿键数量及侧向应力对UHPC接缝抗剪性能的影响，研究表明，试件在开裂前接缝的滑移较小，开裂后刚度下降，在峰值荷载下试件发生直剪破坏，UHPC接缝的摩擦系数随着预应力的增加而减小。张阳[6]等对用钢板和螺栓连接的有齿键UHPC梁抗弯性能试验表明，采用该构造可提高接缝梁的抗弯能力，不同的梁底配筋可导致接缝梁刚度突变处抗弯破坏或接缝齿键破坏2种破坏模式；杜任远[7]等进行了体外预应力RPC箱梁的受弯性能试验研究，结果表明接缝梁的开裂弯矩、开裂应变明显大于普通混凝土接缝梁，体外预应力可明显提高接缝梁的开裂弯矩、增加构件延性。

本文主要对UHPC带T形条带菱形接缝梁进行抗弯性能研究，分别对该结构接缝有腰筋梁、无腰筋梁和完整梁进行抗弯模型试验，分析比较其受弯性能，并且给出了完整梁、有腰筋、无腰筋UHPC带T形条带菱形接缝梁的抗弯承载力建议公式。

1 试验设计

为研究带T形条带UHPC菱形接缝梁的受力性能，设计了2个接缝梁试件和1个完整梁试件；通过对其加载后的变形、应变及裂缝发展分布情况的观测和记录，研究接缝梁的抗弯性能及破坏机理。

1.1 试验梁设计制作

3片试验梁分别为有纵向腰筋UHPC带T形条带菱形接缝梁(B-1)、无纵向腰筋UHPC带T形条带菱形接缝梁(B-2)和无纵向腹筋完整梁(B-3)，试件设计如表1所示。试件总长均为5.2 m，计算跨径5.0 m，梁高0.5 m，梁宽0.15 m，梁两端0.2 m处加宽至0.55 m，两节段间纵向间距最小为15 cm；接缝设计参考文献[8-9]，齿键高度为35 cm(不包括上下条带厚度)，纵向深度设为10 cm，最深处垂直段高度为7 cm，接缝上下斜边高度均为10 cm，上下垂直段高度为4 cm；T型UHPC条带厚度为7.5 cm，纵向宽度为0.5 m，其中两预制块条带部分均为17.5 cm，中间连接段间距为15 cm。

表1 试验梁设计Table 1 Specimens numbers编号接缝形式B-1有纵向腰筋UHPC带T形条带菱形接缝B-2无纵向腰筋UHPC带T形条带菱形接缝B-3无纵向腹筋、无接缝完整梁

试验梁采用UHPC 150预混料，其中钢纤维采用圆直型钢纤维，长度为13 mm，直径为0.2 mm，体积掺量为2.0%。梁底配有4根HRB400钢筋，直径16 mm，钢筋中心间距3.5 cm，净保护层厚度2.2 cm，接缝处采用焊接的形式进行搭接钢筋与两边预留钢筋的连接，钢筋搭接长度均大于10 d。试验梁细部尺寸及配筋如图1所示。

(a) B-1梁

完整梁一次浇筑成型，接缝梁则分为两阶段成型。接缝梁预制部分与完整梁浇筑后静停2 d，随后90 ℃～100 ℃蒸汽养护48 h以上，之后则缓慢降至室温；预制构件在接缝结合面处进行简单凿毛湿润后进行对接并搭接钢筋，接着浇筑接缝处UHPC，养护方式与前相同。

分别按照相关技术标准规定的尺寸及数量制作UHPC试件，试件养护方式与试验梁完全一致。之后进行抗压、抗折和弹性模量等材性试验，UHPC的材性试验结果如下：材料种类为UHPC150，立方体抗压强度152.6 MPa,换算抗拉强度8.1 MPa,弹性模量Ec为45.8 GPa，钢筋的材性试验结果如下：种类为HRB400，屈服强度为432.6 MPa,弹性模量为200 GPa,延伸率为23.5%。

1.2 加载方案

试验梁模型两端为简支支承。试验梁的纯弯段均为1.5 m，剪跨比均大于3。试验加载及量测方案如图2所示，采用4点加载方式，千斤顶加载力大小通过振弦式压力传感器进行测试，为了测试试验梁纯弯段的应变变化，在纯弯段内设置5条测线，每条测线上设置5片应变片。在两端支座处以及沿梁长方向共设置5个位移计测量试验梁挠度随荷载的变化。应变数据由静态应变仪采集，测试精度为1个微应变。现场试验设置如图3所示。

图2 试验加载及量测方案(单位：cm)Figure 2 Loading scheme of the test beam(Unit:cm)

图3 现场试验加载装置Figure 3 Set-up of the test beam

2 试验结果及分析

2.1 试件破坏形态

试件的裂缝分布图如图4所示。可以看出，B-1梁主裂缝位于跨中，此外还有沿着接缝界面发展的界面裂缝和纯弯段密集的次裂缝，之后跨中受拉钢筋屈服，UHPC上缘被压碎。B-2梁裂缝首先发端于接缝界面与T型条带相接处，之后接缝界面裂缝向下发展至跨中成为主裂缝，且沿接缝斜面向上发展，纯弯段有多条短细的次裂缝，之后受拉钢筋屈服，UHPC上缘被压碎，主裂缝处仅有少量钢纤维被拔出。B-3梁为无纵向腹筋完整梁，主裂缝也位于跨中，纯弯段有多条短细的次裂缝，破坏模式表现为跨中受拉钢筋屈服，UHPC上缘起皮压碎。

(a) B-1梁破坏状态裂缝分布图

2.2 试件荷载-位移曲线

各试验梁的荷载-位移曲线如图5所示。试验结果汇总如表2所示，可以看出，B-1的开裂荷载和极限荷载略小于B-3，但由于B-1设置了纵向腹筋，其延性好于B-3。

图5 试验梁的荷载-挠度曲线Figure 5 Load-displacement curves of test beams

表2 试验梁结果汇总Table 2 Results of test beams编号破坏荷载/kN初裂荷载/kN破坏荷载之比破坏挠度/mmB-1256.247.90.9052.121B-2197.448.40.6914.272B-3286.187.6123.884

试件的荷载-位移曲线可分为4个阶段：① 弹性阶段。试验梁尚未出现裂缝，曲线线性增加。② 裂缝发展阶段。当加载至极限荷载的0.19～0.30倍时，试件产生初裂缝，曲线斜率开始减小，即随着裂缝的发展，试件抗弯刚度逐渐降低。接缝梁由于接缝的存在，首先在接缝条带界面处出现第一条裂缝，初裂荷载较小。完整梁的刚度较接缝梁大，两接缝梁的刚度相近。③ 屈服阶段。当接缝梁B-1加载至227.0 kN时，跨中受拉纵筋开始屈服，主裂缝迅速向上延伸，宽度快速增加；当接缝梁B-2加载到接近197.4 kN时，底部受拉纵筋屈服，由于没有纵向腰筋，主裂缝宽度快速增加，屈服阶段很短；当完整梁B-3加载到280.5 kN时，跨中底部纵筋开始屈服。④ 破坏阶段。继续加载，各试验梁荷载无法增加，挠度变化很快，伴随钢纤维不断被拔出的“咔咔”声，受压区突然被压碎，并向外崩出碎片，试件破坏。B-1的破坏荷载为256.2 kN，B-2的破坏荷载为197.4 kN，B-3的破坏荷载为286.1 kN，B-1和B-3属于典型受弯梁弯曲破坏，B-2属于受弯梁接缝界面发生错位拉裂破坏。

B-1～B-3梁出现0.05 mm裂缝时的名义应力分别为14.0、13.1、20.8 MPa，可以看出完整梁名义应力明显高于接缝梁，主要原因是接缝梁界面钢纤维不连续，界面粘结刚度小，层间开裂错位导致对应的名义应力比完整梁小至少30%，但由于初裂主要发生在T型条带下缘，有无纵向腰筋对接缝梁初裂裂缝的开展影响较小，对应名义应力接近。

2.3 试件荷载-应变关系

本文选择各试件的跨中测线应变数据进行分析，荷载-跨中应变关系如图6所示。由于部分应变片穿过开裂裂缝被破坏，所以部分数据缺失。由图6可知，在初裂之前，试验梁的截面应变基本为直线，上部受压区为压应变，下部受拉区为拉应变，基本符合平截面假定，但初裂后，应变值发生突变。

(a) B-1梁

3 试验梁的抗弯承载力计算

3.1 承载力计算思路

对于UHPC结构的抗弯承载力计算，国内外均有研究[11-12]，UHPC承载力计算与普通混凝土承载力计算最大的区别在于UHPC结构一般不能忽略受拉区UHPC对抗拉强度的贡献。故完整梁的抗弯承载力为：

(1)

其中，x代表等效受压区高度；as代表受拉钢筋中心至下边缘距离；h代表试件高度；b代表试件宽度；h0代表试件有效高度；As代表受拉钢筋面积；ft代表UHPC抗拉强度；fc代表UHPC抗压强度；fs代表钢筋屈服强度。

对于UHPC接缝结构，由于接缝界面处的钢纤维不连续，不能充分利用UHPC的抗拉能力，本文旨在根据试验结果提出两种破坏模式，以准确预测UHPC带T形条带菱形接缝梁的极限抗弯承载力。无腰筋UHPC带T形条带菱形接缝梁的主裂缝沿接缝界面发展至跨中底部，故只考虑UHPC条带处的抗拉贡献。有腰筋UHPC带T形条带菱形接缝梁的接缝界面由于设置了纵向腰筋，连接性能较好，UHPC间层间错位及裂缝开展被抑制，且主裂缝发生在非接缝处，破坏时，底部纵筋屈服，且受拉区UHPC达到其抗拉强度。

3.2 基本假定

a.UHPC接缝界面处的应变符合平截面假定。

b.忽略剪力作用对构件的轴向和弯曲变形的影响。

c.不考虑钢筋和混凝土之间的相对滑移对截面极限承载力的影响。

3.3 承载力计算公式

(a) 无腰筋UHPC带T形条带菱形接缝梁

根据图7所示计算示意图，由平衡条件可得到UHPC带T形条带菱形接缝梁的承载力计算公式。

无腰筋UHPC带T形条带菱形接缝梁的抗弯承载力如下：

(2)

有腰筋UHPC带T形条带菱形接缝梁的抗弯承载力如下：

(3)

为了简化计算，将UHPC的压应力图等效替换为矩形，取等效系数α=0.92。

3.4 对比分析

用上述公式计算试验梁的承载力，公式中各参数取试验实测值，fc取实测值152.6 MPa，ft取实测值8.1 MPa，fS取实测值432.6 MPa；计算值与试验值对比见表3。

表3 抗弯承载力试验值与计算值对比Table 3 Comparison of test and calculation接缝形态计算值/(kN·m)试验值/(kN·m)计算值试验值完整梁213.8286.10.75无腰筋带T形条带菱形接缝155.4197.40.79有腰筋带T形条带菱形接缝252.5256.20.99

由表3可知，可选用文献[12]的方法预测完整梁的抗弯承载力，本文提出的计算公式可分别预测有、无腰筋UHPC带T形条带菱形接缝梁的抗弯承载力。

4 结论

本文根据模型试验及理论计算分析结果，可得出以下结论：

a.从破坏形态可看出，B-1、B-3的主裂缝均位于跨中，破坏模式为跨中底部受拉钢筋屈服、UHPC上缘被压碎的典型弯曲破坏，主裂缝处均有大量钢纤维被拔出；B-2的主裂缝由接缝界面裂缝向下发展至跨中T型条带，主裂缝处仅有少量钢纤维被拔出，破坏模式表现为受弯梁接缝界面的错位拉裂及T型条带的钢筋屈服与UHPC拉裂破坏。

b.B-1、B-2接缝梁与B-3完整梁相比，B-3梁的抗弯承载力和开裂荷载均较大，B-2的延性最小，B-1梁由于设置了纵向腰筋，其延性甚至要大于B-3完整梁。

c.完整梁的抗弯承载力可采用文献[12]的建议方法进行预测，UHPC带T形条带菱形接缝梁的抗弯承载力可以采用本文建议的有、无腰筋抗弯承载力计算公式进行预测。