基于UHPC 和CFRP 筋的桥面板湿接缝连接构造及试验分析

■艾四芽 胡梦涵 陈 榕 刘佑伟 郑志东 林万福 刘晓光

（1.福建省交通科技发展集团有限责任公司，福州 350026；2.北京建筑大学，北京 102616；3.福建承昌建设工程有限公司，厦门 361022；4.厦门市政集团有限公司，厦门 361008；5.福州市交通建设集团有限公司，福州 350028；6.福建路港（集团） 有限公司，泉州 362000；7.福建省二建建设集团有限公司，福州 350003））

加快推进高性能、绿色、可持续性桥梁工程建设是提升我国桥梁高效建设与安全运营的重要途径。 预制装配式桥梁具有环境友好，资源节约，减少城市交通拥堵，降低建造环境依赖性，提高桥梁安全性和耐久性等特点。 特别是对于西部地区桥梁工程和跨海长大桥梁工程，其高寒的气候条件、有限的施工平台使预制装配式桥梁建造技术受到建筑业主及政府人员的广泛关注。 目前针对预制装配式桥梁建造技术的研究与应用多集中于下部墩柱结构[1]，主要研究承台/盖梁与桥墩的有效快速连接[2]。实际工程中上部桥面板结构多采用现浇技术，造成施工现场浇筑工作量大，施工条件受天气环境影响严重。 为了最大程度加快施工速度，实现桥梁一体化装配，近年来预制拼装桥面板在桥梁快速建造工程与旧桥改造工程中的应用逐步扩大。 接缝作为预制拼装桥面板连接的主要部位，其施工速度决定了预制拼装桥面板的建造速度；桥面板接缝在车辆荷载作用下承受弯、剪、疲劳等共同作用，极易出现裂缝，造成桥面板接缝内钢筋发生锈蚀，使承载力以及刚度显著下降，桥梁使用寿命极大降低。 因此桥梁服役过程中，预制拼装式桥面板接缝作为极易出现病害的部位，很大程度决定了桥面板使用性能与寿命[3-4]。 现阶段，国内外工程中采用的桥面板接缝形式有干接缝[5]与湿接缝[6]。 干接缝不需要现场浇筑，但是对预制构件的精度要求很高；湿接缝则现场浇筑量小，整体性能好，因此是预制拼装式桥面板普遍采用的接缝形式。 本文针对常见湿接缝（包括焊接钢板湿接缝和预埋普通钢筋湿接缝）、 预应力湿接缝、 高性能材料湿接缝及其性能进行分析。综合各种湿接缝性能的优劣和高性能材料的优越力学性能， 提出一种新型装配式桥面结构连接技术，旨在实现预制拼装桥面板的快速建造以及使用过程中受损桥面板的方便更换，以提高其受力性能和经济性。

1 常见湿接缝及其性能

1.1 焊接钢板湿接缝

焊接钢板湿接缝是在预制桥面板两侧间隔一定距离设置预埋钢板，现场施工时，将预埋钢板进行焊接，最后在预留孔浇筑灌浆料。 焊接钢板湿接缝预留后浇带宽度小， 因此具有现场现浇量小、施工便捷、受施工环境影响较小等优点。 Culmo[7]提出常见的2 种焊接钢板湿接缝的形式，形式一是通过钢板将两侧角钢焊接；形式二是通过连接钢棒焊接两侧预埋钢板。针对形式一，Stanton 等[8]对6 个焊接钢板湿接缝进行试验，并对构造参数进行研究。 针对形式二的2 种焊接钢板湿接缝形式（焊接钢板与栓钉锚固以及焊接钢板与钢筋锚固），Porter 等[9]进行了剪切以及弯曲试验研究（图1），研究发现：焊接钢板与钢筋锚固的连接形式具有较高的抗剪以及抗弯承载力； 焊接钢板与栓钉锚固的抗剪能力优良，但是抗弯能力较弱，其最终破坏形态表现为栓钉拔出破坏[9]。 Julander[10]对形式二的2 种湿接缝形式进行数值模拟的结果与试验结果吻合良好，也为焊接钢板湿接缝的精细化数值模拟方法提供了参考。 此外，由于焊接钢板湿接缝抗弯承载力较低，当预埋钢板间间距过大时极易出现受弯裂缝，从而造成湿接缝开裂甚至发生渗水等问题[11]，因此焊接钢板湿接缝现多应用于小车流量的桥梁。

图1 焊接钢板湿接缝的2 种锚固方式

1.2 预埋普通钢筋湿接缝

预埋普通钢筋湿接缝能够实现接缝处钢筋与混凝土良好的锚固性能，减少接缝处长度从而降低现场浇筑量，是目前工程上应用较广泛的接缝构造形式。 根据预埋普通钢筋不同的构造形式将预埋普通钢筋湿接缝分为环形钢筋湿接缝和带端头钢筋湿接缝（图2）。

图2 普通钢筋湿接缝

1.2.1 环形钢筋湿接缝

环形钢筋湿接缝是相邻预制混凝土构件端部环形钢筋在接缝处交错布置， 具有一定重叠长度。此种湿接缝构造简单， 现场不需要绑扎焊接工作，提高施工速度。 Ryu 等[12]通过弯曲静载与疲劳荷载试验，研究不同钢筋直径与湿接缝宽度对环形钢筋湿接缝刚度与强度的影响，试验研究表明：环形钢筋的直径在13～19 mm，湿接缝宽度在250～350 mm时，接缝处的极限承载力和延性能够等同现浇；当接缝处宽度不足时，接缝刚度与强度发生降低。Ma等[13]对环形钢筋进行弯曲静载试验，研究表明：采用弯曲直径为3 倍连接钢筋直径的环形钢筋可以实现接缝处良好连接；环形湿接缝破坏模式均为延性破坏，抗弯承载力高；影响抗弯承载力的因素主要有混凝土强度与钢筋搭接长度。Ma 等[14]提出拉压杆理论分析模型对其抗拉承载力进行预测。 Zhu 等[15]对环形钢筋湿接缝进行疲劳拉伸试验， 研究表明：环形钢筋湿接缝裂缝宽度随着施加荷载增大而增大；随着疲劳次数增加，对微应变影响不大。He 等[16]通过环形钢筋湿接缝试验研究，提出拉压杆分析模型来预测湿接缝的抗弯以及抗拉承载力，并对环形钢筋湿接缝的钢筋间距、搭接长度和灌浆料强度等提出设计建议。 环形钢筋在预制构件两端伸出钢筋长度比较长，会导致运输困难和吊装就位过程难度大，且在使用过程中接缝处易开裂，造成渗水现象。

1.2.2 带端头钢筋湿接缝

带端头钢筋湿接缝是在构件端部钢筋末端增加锚固板以提高湿接缝钢筋的锚固性能。 Li 等[11]通过试验发现带端头钢筋湿接缝具有良好的传力途径， 抗弯性能的影响因素为搭接长度与钢筋间距，并通过弯曲疲劳试验证明该种湿接缝具有良好的抗疲劳性能[17]。 Li 等[18]将带端头钢筋湿接缝的受力机理简化成拉压杆模型，提出带端头钢筋湿接缝的抗拉和抗弯承载力的计算公式。

2 预应力湿接缝

2.1 全长或全宽预应力筋湿接缝

沿全长预应力湿接缝分为沿顺桥向和沿横桥向张拉预应力。 为实现预应力管道的对接，沿全长或者全宽施加预应力湿接缝对桥面板的施工精度要求较高。 值得注意的是，接缝位置的渗水问题会使锚固装置产生锈蚀[7]；沿全长或者全宽施加预应力会造成后期不易局部更换桥面板，且显著提高材料以及施工成本。

2.2 局部预应力筋湿接缝

局部预应力筋湿接缝是仅在湿接缝附近范围内施加预应力，即将预应力筋管道做成曲线型且锚固装置设置于桥面板上部便于局部预应力筋张拉（图3）。此种新型接缝形式不仅具有节省材料成本、施工便利的优点，而且可以实现后期局部更换受损桥面板。Porter 等[6]通过弯曲静载试验对锚固区间距为610 mm 与914 mm 的局部预应力筋湿接缝进行研究，试验结果发现，锚固区间距大的开裂弯矩和抗弯承载力大。 Roberts[19]通过负弯矩静载试验发现锚固区间距为914 mm 的局部预应力筋湿接缝抗弯承载力比全长预应力筋湿接缝略小，但是能够满足设计使用要求； 通过抗剪试验发现锚固区间距为914 mm 的局部预应力湿接缝受剪破坏时，失效模式不理想：锚固板被拉入混凝土中，锚固区域受损，可以通过增大锚固区间距解决。 Wells 等[20]进行1829 mm 局部预应力筋湿接缝抗弯和抗剪试验，结果发现：锚固区间距为1829 mm 的局部预应力湿接缝大于全长预应力筋湿接缝正（负）弯矩承载力，抗剪刚度大于AASHTO LFRD 规范计算的抗剪刚度且抗剪失效模式理想。 综上所述，局部预应力筋湿接缝具有明显的力学性能与耐久性优势，后期可开展局部预应力筋湿接缝与其他连接形式结合的连接方式的研究，进一步降低接缝处预应力筋使用量并增强其力学性能。

图3 局部预应力筋湿接缝

3 高性能材料湿接缝及其性能

3.1 超高性能混凝土（UHPC）在湿接缝中的应用

由于超高性能混凝土（UHPC）具有高强度、高延性、高耐久性与高环保的特点，逐渐应用于桥梁湿接缝中，其可以减小湿接缝宽度，简化湿接缝构造，提高接缝处的耐久性能。 Hussein 等[21]研究发现UHPC 湿接缝与其他灌浆料接缝相比， 拥有更高的剪切承载力。 Graybeal 等[22]通过静载和疲劳试验发现，UHPC 湿接缝无论作为横缝还是纵缝均表现出良好的性能，能够满足甚至超过使用传统灌浆料的桥 面 板 接 缝 性 能。 Hartwell 等[23]及Kolisko 等[24]对UHPC 湿接缝进行负弯矩试验， 发现UHPC 作为湿接缝不仅可以节约原材料，简化接缝处构造，且具有良好的力学性能，并提出相应设计方法以及施工建议。 国外已有UHPC 湿接缝在桥面板的实际应用，例如：美国纽约23 号公路桥与31 号公路桥[25]；加拿大Rainy Lake Bridge 与Wabigoon River Bridge[26]。然而针对UHPC 湿接缝的应用以及设计方法还缺乏深入研究。

3.2 FRP 筋在湿接缝中的应用

FRP 筋是近年来兴起的一种高性能材料，具有高耐腐蚀性和抗拉强度。 桥面板在车辆荷载作用下极易出现裂缝， 产生渗水现象造成桥面板钢筋锈蚀，使桥面板延性以及承载力明显降低。 因此很多学者提出将FRP 筋作为普通受力钢筋和预应力筋使用，以提高预制拼装桥面板的耐久性。 Arafa 等[27]将FRP 筋作为普通钢筋，UHPC 作为接缝处灌浆料的桥面板进行负弯矩和剪力试验，分析接缝的破坏模式， 发现该桥面板具有很好的连续性与整体性，并且接缝处具有充足的强度。 Weber 等[28]提出将CFRP 筋作为预应力筋用于全长张拉预应力筋湿接缝中，试验发现：随着初始预应力增大，各力学性能均有所增大；当初始预应力增大到一定程度，极限荷载趋于稳定。 目前，FRP 筋湿接缝形式已经在美国Beaver Creek Bridge 与犹他州6 号公路中得到应用[29]。

4 基于UHPC 和CFRP 筋的桥面板湿接缝连接构造与拼装方案

4.1 新型装配式桥面结构连接构造

由前文可知：（1）焊接栓钉湿接缝具有优越的抗剪性能；采用预应力筋连接可以有效提高桥面板抗裂性能、耐久性以及整体性；（2）沿全长布置预应力筋的连接方式存在后期不易局部更换受损桥面板，预应力筋成本高，经济性难保证等问题；（3）局部张拉预应力筋连接方式抗剪性能不佳，剪切荷载作用下破坏模式为锚板被拉入混凝土中，锚固区域受损，裂缝就转变为接缝的脱粘失效；相反，焊接预埋钢板湿接缝的抗剪能力优良，但是抗弯能力较弱。因此，为了提出一种建造速度快、受力性能好、经济性优越且使用过程中便于更换受损桥面板的连接方式，本文提出将预埋焊接栓钉优越抗剪性能与弯曲预应力筋湿接缝良好抗弯性能相结合，采用预埋焊接栓钉与弯曲预应力筋湿接缝组合的预制拼装桥面板的连接方式（图4）。 提出的接缝形式可使预制拼装桥面板接缝具有优良抗弯和抗剪性能，同时可实现建造速度快、现场浇筑量小、成本低、力学性能良好，且长期使用中方便加固补强的目标，可以作为横缝和纵缝用于钢混组合梁桥等桥型。

图4 预制拼装桥面板接缝的构造

4.2 新型装配式桥面结构拼装流程

图5 是基于UHPC 和CFRP 筋的桥面板湿接缝连接构造的拼装流程。 （1）绑扎预制构件的钢筋笼，并支模板，将预埋栓钉和预应力管道在模板中完成就位，浇筑普通混凝土；（2）预制构件的普通混凝土通过养护达到预期强度后，将2 块预制混凝土桥面板进行拼装就位；（3）采用钢棒将预埋螺钉焊接在一起；（4）在预埋焊接栓钉湿接缝和预应力湿接缝的预留孔中浇筑UHPC，并采用湿布覆盖，并在室温中进行养护；（5）当UHPC 达到目标强度时，将CFRP 筋穿过预应力管道，用千斤顶进行张拉；（6）预应力管道中灌注普通强度的灌浆料， 完成基于UHPC 和CFRP 筋的桥面板拼装。

图5 新型装配式桥面结构湿接缝拼装流程

5 用于桥面板湿接缝的UHPC 和CFRP 筋力学性能分析

预制拼装桥面板连接的构造形式及尺寸已经确定，为了最终确定预制拼装桥面板的连接方式，还需要确定各个连接部分所使用的材料。 目前工程中后浇段常采用普通灌浆料， 预应力筋采用钢绞线。 随着材料加工以及机械制造工艺的提高，具有超高抗压以及抗拉强度的UHPC 逐渐作为接缝处的后浇材料应用于预制拼装结构中；此外具有超高强度的钢筋以及耐腐蚀性强的CFRP 筋逐渐作为钢筋以及预应力筋应用于实际桥梁工程中。 为了根据各个部件的受力特点选取合适的材料，最大程度的发挥所选材料优势， 下面分别对CFRP 筋以及UHPC 的力学性能进行试验研究。

5.1 CFRP 筋力学性能试验

CFRP 筋具有优越的抗腐蚀以及抗拉能力，但是CFRP 筋的抗剪性能极差。 因此直接将CFRP 筋加持于试验机的夹头中会造成CFRP 筋受剪破坏。在CFRP 筋两端制作粘结型锚具， 将钢管与CFRP筋通过粘结剂固定；利用钢管良好的抗剪性能弥补CFRP 筋抗剪能力的劣势， 进而测得CFRP 筋的抗拉性能。 CFRP 筋粘结型锚具如图6 所示。 在DN15镀锌管的两端用封口封闭，上侧钢管两端预留排气孔，用注射器注射固结胶粘结镀锌管与CFRP 筋。

图6 CFRP 筋锚具示意图

为了确定锚具所用镀锌管的长度，设计3 种长度镀锌管的试件共6 个（L*=400、450、500 mm）。 3 种长度试件的破坏模式如图7 所示。 可以看出：镀锌管长度为400 mm 和450 mm 时，镀锌管与CFRP筋之间发生明显滑移现象，CFRP 筋破坏不明显，说明钢管与CFRP 筋之间并没有充分粘结；当镀锌管长度为500 mm 时， 钢管与CFRP 筋之间并没有发生滑移现象，CFRP 筋呈现放射状破坏形态。 因此，采用500 mm 镀锌管的CFRP 筋粘结型锚具可以实现镀锌管与CFRP 筋之间的粘结，验证该种锚具的可行性。 采用上述提出的CFRP 筋粘结型锚具进行拉伸试验，测量CFRP 筋的抗拉性能。 CFRP 筋的抗拉力学性能以及应力—应变曲线如表1 和图8 所示。 可以看出CFRP 筋在拉伸荷载作用下应力—应变关系从加载到破坏呈线弹性。 极限抗拉强度达到2702 MPa，弹性模量为129.9 GPa。 CFRP 筋的极限抗拉强度远大于普通强度钢筋以及超高强钢筋的抗拉强度，弹性模量相对于普通强度钢筋和超高强钢筋较小。

图7 3 种长度锚具的CFRP 筋破坏模式

图8 CFRP 筋应力—应变曲线

表1 CFRP 筋受拉性能

5.2 UHPC 力学性能试验

本文采用的UHPC 由预拌料、 水和钢纤维组成，不包含粗骨料。钢纤维的直径为0.2 mm，长度为16 mm。 水与预拌料的重量比以及钢纤维与预拌料的质量比分别为0.092 和0.07。 按照厂家规定搅拌顺序进行搅拌，采用强制式搅拌机确保钢纤维均匀分布，在普通常温条件下养护。

5.2.1 UHPC 的受压性能

为了研究UHPC 的抗压性能，按照规范进行抗压试验[30]。 分别在3、7、14 和28 d 后测试100 mm×100 mm×100 mm 立方体来确定UHPC 的抗压强度（图9）。 可以看出：UHPC 的平均抗压强度在1～3 d增长迅速。第7 d 抗压强度能够达到28 d 抗压强度的80%。 在28 d 时测得的UHPC 的极限立方体抗压强度（fcu）和弹性模量分别为122.7 MPa 和54.3 GPa。因此，相较于普通强度混凝土，UHPC 具有优越的抗压强度，并且抗压强度早期增长快。

图9 UHPC 立方体平均抗压强度

5.2.2 UHPC 的受拉性能

UHPC 的拉伸性能在浇筑后28 d 时采用300 mm×75 mm×20 mm 的试样进行测试 （图10）。试件两面均配有引伸计，上下自动引伸计之间的间距为100 mm，自动引伸计测量夹片标距间的变形量。加载速度为0.2 mm/min。 极限应变由应力下降到峰值应力的80%的应变确定。 试验结果发现（表2）：UHPC 的平均拉伸峰值应力和峰值应变分别为9.46 MPa 和0.086%。 因此，由于钢纤维的加入使得UHPC 具有优越的拉伸性能。

图10 UHPC 拉伸应力—应变曲线

表2 UHPC 受拉性能

6 结语

本文针对新型装配式桥面结构连接方式，对常见湿接缝、预应力湿接缝、高性能材料湿接缝的构造形式和力学性能进行分析。 此外，基于UHPC 和CFRP 力学性能试验， 提出一种新型装配式桥面结构连接技术。 得到如下主要结论：（1）焊接钢板湿接缝抗剪性能优越，但抗弯性能较差；局部预应力湿接缝具有良好抗弯性能， 但抗剪破坏模式并不理想。 （2）CFRP 筋抗腐蚀性能好，适合用于预制拼装桥面板易发生渗水的接缝位置；CFRP 筋抗拉强度达到2700 MPa，与普通强度与超高强度钢筋相比，CFRP 筋具有超高抗拉性能。 因此，可以将CFRP 筋作为预应力筋使用，充分发挥CFRP 筋优越的拉伸性能与抗锈蚀能力。 （3）UHPC 具有优越的抗压、抗拉性能，且具有明显早强性。 UHPC 造价较高，将其作为接缝的灌浆料，充分发挥其优越的性能且最大限度降低使用量，使之经济上具有竞争性，即实现接缝处力学性能与经济性的兼顾。 （4）对于提出的新型装配式桥面结构连接技术在弯矩、剪力和疲劳荷载作用下的力学性能，将通过模型试验和实际工程在后续工作中进行深入研究。