装配式桥梁结构中注浆波纹管的力学性能分析

2023-08-30 00:31彭冬成

企业科技与发展 2023年5期

摘要：装配式桥梁结构因施工简单、经济、环保等特点而得到大力推广。文章以某高速ZT6标段装配式预应力混凝土箱梁桥工程为依托，研究不同设计参数下注浆波纹管的结构模式和节点的力学性能。通过调整孔径比和材料性能2个设计参数进行室内力学试验，研究结果表明：在金属波纹管尺寸不变的情况下，孔径比变小，试件的内部空间随之变小，内部约束作用减弱，钢筋的黏结性能变差；当孔径比D/d=2.6时，试件的力学性能较好。通过比较不同特性的灌浆材料，金属波纹管试件的力学性能随着灌浆材料性能的增强而增强，但随着孔径比变小，灌浆材料对试件力学性能的影响变弱。根据工程应用和相关设计要求，最终提出选用“高于一般标准的100 MPa高强度灌浆材料+65 mm波纹管+22 mm钢筋”的施工方法。

关键词：装配式桥梁；灌浆材料；金属波纹管；黏结性能

中图分类号：U414 文献标识码：A 文章编号：1674-0688（2023）05-0068-04

0 引言

装配式桥梁结构施工中的关键难点在于接缝连接［1］。与传统的现浇结构相比，装配式桥梁结构后续的浇筑缝是结构的薄弱环节，存在受力机制不明确、力学性能不足、耐久性差等问题。因此，研究接缝受力机理，提高接缝的力学性能具有现实的应用意义。前人关于钢筋与混凝土之间黏结滑移关系的研究，启发了研究人员通过管道灌浆分析浆液与钢筋之间的黏结滑移效应，进而建立装配式结构设计的研究基础［2］。随着装配式结构概念的普及，许多研究人员从材料性能、结构形式等方面对灌浆节点应用的可行性进行研究［3-4］。包龙生等［5］提出钢筋套筒连接、金属波纹管灌浆连接、承插式、槽式等多种节点结构形式，并应用于工程实践。在结构可行性研究的基础上，研究人员将理论分析与实践经验相结合，通过室内试验，设计全尺寸模型，对高温环境、重复荷载等特殊条件下的节点性能进行评估。此外，开展通过提高剪切黏结力和优化材料提高钢筋和灌浆材料黏结性能的相关研究。金属波纹管灌浆连接由于具有施工简单、成本低、环保等特点，因此受到施工方和研究人员的青睐［6］。目前，对金属波纹管灌浆的力学性能研究还处于起步阶段，金属波纹管对灌浆材料与钢筋之间的约束作用的研究被忽视。因此，本文以某高速ZT6标段装配式预应力混凝土箱梁桥工程为研究对象，分析不同设计参数下注浆波纹管的结构模式和节点的力学性能，以期填补前人研究空白，为同类工程提供借鉴。

1 工程背景

京津冀的核心区域作为我国交通网络建设的核心区，该区域运行过程中存在超载、超速现象。据调查报告显示，部分车辆的装载量超过高速公路允许装载量的10%～35%；小型车辆的行驶速度大多为110～125 km/h，大型货车的速度大多为50～80 km/h。持续超载、超速的行车状况对装配式桥梁结构工程质量提出了更高的要求。

本研究案例为某高速ZT6标段，起点为K70+146，终点为K82+750，全线总长12.6 km。招标段桥梁采用装配式混凝土双“T”梁桥，为全装配式结构，双向8车道，设计速度为120 km/h，整体底板宽度为42 m。大桥下部结构连接处的结构设计采用金属波纹管灌浆连接方式，具体结构如图1所示。

2 试验设计

2.1 试验材料

本研究根据工程要求设计了金属波纹管的灌浆试件，试件主体由3个部分组成：钢筋、灌浆材料和波纹管。钢筋为HRB400，公称直径为20 mm、22 mm、25 mm。灌浆材料A的28 d强度达到100 MPa，灌浆材料B的28 d强度达到65 MPa，C为早强灌浆材料。3种灌浆材料的具体设计参数见表1。内径为65 mm的金属波纹管形状为具有封闭环形波纹的圆形钢管。试验件锚固长度为300 mm。

2.2 试样设计方案

试件的设计参数见表2。试件参数表中的试件编号由3个部分组成，分别代表钢筋的直径、波纹管的直径和灌浆材料的类型，例如20-65-A分别表示钢筋直径为20 mm，波纹管直径为65 mm，采用高强度灌浆材料A完成试件的浇筑。表2中的d为钢筋直径，D为波纹管直径，La为钢筋锚固长度。

在本研究中，每组试件的数量为5个，并对一组5个试件进行加载试验。除去每组试件加载结果中的最大值和最小值，计算其余3个试件的平均值，通過设计平行试验，尽可能避免外部因素造成的误差影响。3种不同设计参数的试样在灌浆后表现出不同的现象：灌浆材料A在浇筑后期表现出良好的流动性，4～5 h后逐渐形成；灌浆材料B在浇筑初期表现出较好的流动性，4～5 h后逐渐形成；灌浆材料C在浇筑初期流动性较好，试样温度迅速升高，产生了较剧烈的水化热反应。

2.3 加载方案

试验中，使用WAW-2000微控电液伺服万能试验机以200 N/s的加载速率进行连续加载。在加载过程中，记录试验前后加载端和自由端标记位置的位移，取平均值作为试件的整体位移。在加载端，拉伸力由万能机读取，控制位移和拉伸力等数据以相同频率同时采集。

3 测试结果分析

3.1 试件破坏模式

大部分灌浆试件的破坏模式主要由灌浆材料的压碎、钢筋的断裂和钢筋的拨出引起。本试验试件的破坏模式主要有2种：钢筋拉伸破坏和钢筋滑移破坏，并伴有灌浆材料损伤现象。试样的失效形态如图2所示。

在试件加载初始阶段，外力主要由加载端附近的黏结力承担。随着加载程度的变化，荷载力沿锚固长度向自由端传递，钢筋的应力也逐渐从加载端向整个试件传递［如图2（a）所示］。当钢筋与灌浆材料之间的黏结力达到极限时，试件的钢筋发生滑动，达到试件的极限破坏荷载［如图2（b）所示］。灌浆材料和钢筋之间的机械咬合齿的剪切破坏，在钢筋和灌浆材料之间形成一个光滑稳定的滑移破坏面，最终导致试件损坏［如图2（c）所示］。

3.2 基于不同孔径比的灌浆波纹管连接的机械性能分析

波纹管的直径为65 mm，选择公称直径为20 mm、22 mm和25 mm的HRB400钢筋，研究不同孔径比对金属波纹管灌浆试件力学性能的影响（如图3所示）。

由图3可知，对于灌浆材料A而言，钢筋直径越大，承受的荷载也越大。当钢筋直径为25 mm时，最大荷载为251 kN。不同直径钢筋的最大位移分别为46 mm、39 mm、37 mm；对于灌浆材料B，最大荷载为246 kN，较灌浆材料A的最大荷载下降1.99%；灌浆材料C的钢筋直径为20 mm和22 mm的荷载位移曲线较为相似，最大荷载仅为140 kN，试件最大位移分别为46 mm、46 mm、38 mm。试验结果表明，仅改变试件孔径比，用不同灌浆材料浇筑的试件的力学性能随着孔径比的变化呈现出相似的变化趋势。当锚固长度不变时，极限黏结强度随着孔径比的增大而增强。当孔径比达到D/d=2.6时，钢筋的锚固性能为最佳。

通过分析可知，黏结强度随孔径比的增大而增强，主要是由于钢筋的直径增大，导致钢筋表面与灌浆材料的接触面积增大，造成两者之间的摩擦力增大。直径较大的钢筋一侧月牙肋面积增大，在灌浆过程中容易与月牙肋贴合，钢筋月牙肋对灌浆材料形成斜向压力，提高了黏结强度［7］。此外，随着钢筋直径的增大，试件内部空间减小，金属波纹管的周向约束作用增大［8］，对灌浆材料的变形有较强的抑制作用。研究表明，在金属波纹管直径不变的情况下，随着钢筋直径增大，金属波纹管灌浆试件的力学性能明显增强。

3.3 基于不同特性灌浆材料的波纹管连接灌浆的机械性能分析

选择灌浆材料A、B、C浇筑试件，研究不同灌浆材料对金属波纹管灌浆试件力学性能的影响，试件的加载结果如图4所示。当钢筋直径为20 mm时，不同灌浆材料的最大荷载分别为226 kN、211 kN、119 kN，并且3种灌浆材料的最大位置均在45 mm附近。当钢筋直径为22 mm时，灌浆材料A试件的强度达到最大值（243 kN），同时可观察到灌浆材料A和B的破坏荷载曲线均大于灌浆材料C，灌浆材料C的最大荷载仅为120 kN，远低于灌浆材料A的强度。当钢筋直径为25 mm时，最大荷载为242 kN。试验结果表明，在一定孔径比条件下，灌浆材料C不能满足使用要求，其破坏荷载只能达到其他2种灌浆材料的1/2。用灌浆材料A浇筑的金属波纹管灌浆试件的力学性能和耐久性都比较好，但随着孔径比的减小，灌浆材料对试件性能影响越来越小。当孔径比小于2.6时，灌浆材料A和B对试件性能的影响大大减弱。

综上所述，选用65 mm的波纹管和22 mm的钢筋及灌浆材料A可最大满足工程力学性能要求。

4 结论

根据实验结果，本文得出以下结论。

（1）在金属波纹管尺寸不变的情况下，孔径比变小，金属波纹管试样的内部空间随之变小，内部约束作用变弱。当D/d=2.6时，试件的性能较好。

（2）比较不同特性的灌浆材料，当灌浆材料的特性增强时，金属波纹管试件的性能也随之增强，但随着孔径比变小，灌浆材料对试件性能的影响变弱。

（3）根据工程应用和相关设计的要求，提出“高于一般标准的100 MPa高强度灌浆材料+65 mm波纹管+22 mm钢筋”的方法为最佳施工方法。该结构设计可以在金属波纹管的最佳约束条件下，最大限度地提高节点的力学性能。

5 参考文献

［1］徐亚洲，魏克伦，李明涛.基于并筋-灌浆波纹管连接的预制桥墩-盖梁节点抗震性能研究［J］.土木工程学报，2023，56（2）：12-22.

［2］石岩，张智超，钟正午，等.预制装配式桥墩连接类型及抗震性能研究综述［J］.世界地震工程，2022，38（2）：205-219.

［3］胡野.装配式结構浆锚搭接节点质量研究［J］.工程质量，2020，38（11）：39-44.

［4］钟琼，霍静思，王海涛，等.预制装配式组合梁栓钉连接件抗剪性能试验研究［J］.建筑钢结构进展，2018，20（2）：13-19，27.

［5］包龙生，陶天阳，刘杰，等.基于改进冲击回波法的装配式混凝土桥墩套筒灌浆检测理论研究［J］.沈阳建筑大学学报（自然科学版），2021，37（6）：1082-1089.