带底托板回转式钢筋接缝承载能力分析

李宇伶方 曹皓

摘要 回转式钢筋接缝适宜桥梁工业化建造，为简化现浇湿接缝工作，提出一种带底托板的回转式钢筋接缝。文章通过精细化有限元软件，从抗弯剪与抗弯曲两方面对其承载能力及受力情况进行分析，并与传统无底托板回转式钢筋接缝进行对比，结果表明：带底托板回转式钢筋接缝受力性能与传统湿接缝相比，抗弯剪及抗弯曲性能基本保持不變，受力情况基本一致；湿接缝有效工作长度及受力性能与新旧混凝土竖向黏接长度有关，带托板湿接缝的破坏荷载略小于无托板湿接缝。

关键词 回转式钢筋；带底托板接缝；有限元模拟；接缝受力性能；承载能力

中图分类号 U445.471文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）10-0129-03

0 引言

回转式钢筋接缝是通过接缝两侧预制梁板内预留的环形钢筋交替安放，而形成的回转式钢筋结构。这种接缝方式可以避免接缝钢筋的现场焊连，在预制完成后只需在现场快速安放后浇筑混凝土即可完成，其施工效率高，现场操作便利，具有广泛的应用前景。

国内学者对回转式钢筋接缝的研究较为丰富，如通过试验研究和数值分析方法，对预制混凝土桥面板回转式钢筋接缝的受弯性能进行了研究，提出了回转式钢筋接缝承受弯矩荷载作用的抗弯承载力计算模型[1]；研究了配置环形钢筋的梁桥湿接缝承载力计算方法，提出今后仍应从破坏模式及受力机理出发，推导出更适用于环形钢筋湿接缝承载力的计算方法[2]；通过数值分析方法，对预制混凝土桥面板回转式钢筋接缝的受拉性能进行了参数化研究，研究发现接缝受拉承载力随回转式钢筋间距增加而降低，随重合长度及混凝土强度增加而提高[3]。也有学者对带底托板的回转式钢筋疲劳性能进行了研究，如利用试验方法对湿接缝的疲劳性能进行了研究，发现疲劳加载过程中构件的刚度基本未发生变化，且未产生明显裂缝，与对照组相比刚度基本相同[4]。

通过调研发现，目前对回转式钢筋接缝的研究较多，对带底托板的接缝研究较少。因此，需对带底托板回转式钢筋接缝的承载能力进行分析，并与传统无底托板回转式钢筋接缝进行了对比，为相关工程提供理论指导。

1 工程概况

基于现有无托板回转式钢筋接缝尺寸，拟定试件厚度为220 mm，环形钢筋重合长度为140 mm，横向钢筋分布间距为150 mm，接缝宽度为210 mm，两侧预制板长度为900 mm。整个试件尺寸为2 010 mm×720 mm×220 mm，如图1所示：

2 有限元模型建立

建立带底托板与无底托板回转式钢筋接缝模型，其中混凝土采用C50混凝土，钢筋为直径为22 mm的HRB400级钢筋。各部件连接均采用Tie连接，模型约束形式为简支约束，荷载以位移形式进行施加，均向下位移15 mm。以带底托板模型为例，弯剪模型和弯曲模型分别如图2（a）和（b）所示。

3 回转式钢筋弯剪模拟

3.1 带托板湿接缝弯剪模拟

带托板湿接缝的弯剪有限元模拟结果显示：混凝土最先达到极限强度的位置在竖向接缝处，此时混凝土试件上部受拉，下部受压，竖向接缝处的局部最大应力达到2.678 MPa；随着加载的持续，混凝土带底托板处的混凝土也发生破坏，钢筋应力持续增加，最终整个试件混凝土破坏、钢筋屈服。

通过混凝土损伤模拟裂缝发展，如图3所示，从图中可以看出：竖向接缝处最先出现裂缝，之后托板处接缝出现裂缝，随后预制板内也开始出现竖向裂缝；随着荷载的施加，再之后裂缝开始出现横向发展，同时竖向裂缝数量增多，最终混凝土完全破坏；裂缝表现为竖向主裂缝逐渐朝横向发展，细小裂缝的竖向分布较多。

3.2 无托板湿接缝弯剪模拟

无托板湿接缝的弯剪有限元模拟结果显示：混凝土最先达到极限强度的位置在整个下部受拉区，试件底部的局部最大应力达到2.674 MPa；随着持续加载，靠近施加力一侧的接缝处应力逐渐斜向上发展，后续接缝的另一侧应力分布也出现同样变化，钢筋应力持续增长。

通过混凝土损伤模拟裂缝发展，其结果表明：靠近受力点处的竖向接缝最先出现裂缝，之后预制板内同步出现裂缝，随后另一侧竖向接缝开始出现裂缝；随着荷载的施加，裂缝开始出现横向发展，同时竖向裂缝数量增多，且预制板内出现斜向裂缝并逐渐发展，最终混凝土完全破坏；裂缝表现为竖向主裂缝逐渐朝横向发展，斜向裂缝逐渐发展，细小裂缝的竖向分布较多。

3.3 带托板与无托板的弯剪受力对比

将带托板湿接缝弯剪荷载位移曲线与无托板湿接缝弯剪荷载位移曲线进行对比，如图4所示。从图中可以看出，带托板与无托板的湿接缝试件抗弯剪能力基本相同；荷载位移曲线表现出弹性阶段及应力重分配阶段基本重合的形态，其最终混凝土完全破坏；钢筋屈服时其位移均处在11 mm附近，基本一致。从中可以推断出，其带托板的湿接缝对结构受力的影响并不大，几乎可以忽略。而图中带托板与无托板表现出的最大荷载差距，为带托板湿接缝的接缝处有一段新老混凝土未连接，其工作长度为新老混凝土的连接厚度，小于无托板的湿接缝试件。

4 回转式钢筋纯弯模拟

4.1 带托板湿接缝纯弯模拟

带托板湿接缝纯弯有限元模拟结果表明：混凝土最先达到极限强度处为竖向接缝处，局部最大应力达到2.46 MPa；持续加载，接缝处的破坏逐渐向上发展，其后带托板预制构件底部混凝土出现受拉破坏；随后托板处混凝土开始发生破坏，钢筋应力不断增大，最终托板处新老混凝土接触面破坏开裂，此时局部最大应力可达2.9 MPa，大于C50混凝土受拉强度标准值。

通过混凝土损伤模拟裂缝发展，如图5所示。从图中可以看出：竖向接缝处最先出现裂缝，之后预制板开始出现竖向裂缝，托板处接缝也开始出现裂缝，并从倒角处逐渐朝湿接缝内部斜向发展，后转为竖向裂缝；随着荷载的施加，裂缝开始出现横向发展，同时竖向裂缝数量增多，最终混凝土完全破坏；裂缝表现为竖向主裂缝逐渐横向发展，细小裂缝的竖向分布较多。

4.2 无托板湿接缝纯弯模拟

无托板湿接缝纯弯有限元模拟结果表明：混凝土最先达到极限强度的位置在整个下部受拉区，且应力分布较均匀，试件底部最大局部應力达到2.673 MPa；持续加载，接缝处最大应力逐渐向上发展，混凝土试件破坏深入湿接缝内部；应力分布图显示，钢筋应力不断增加，混凝土局部最大应力大于C50混凝土受拉强度标准值。

通过混凝土损伤模拟裂缝发展，其结果表明：接缝两侧最先出现竖向裂缝，之后预制板内出现裂缝，随后竖向裂缝逐渐增多；随着荷载的施加，裂缝开始出现横向发展，同时竖向裂缝数量增多，且预制板内出现斜向裂缝并逐渐发展，最终混凝土完全破坏；裂缝表现为竖向主裂缝逐渐斜向发展，细小裂缝的竖向分布较多。

4.3 带托板与无托板的纯弯受力对比

将带托板湿接缝纯弯荷载位移曲线与无托板湿接缝纯弯荷载位移曲线进行对比，如图6所示。从图中可以看出，有无托板的湿接缝试件抗弯曲能力基本相同；荷载位移曲线表现出弹性阶段及应力重分配阶段基本重合的形态，其最终混凝土完全破坏；钢筋屈服时其位移均处在12 mm附近，基本一致。从中可以推断出，其带托板的湿接缝对结构受力的影响并不大，几乎可以忽略。而图中带托板与无托板表现出的最大荷载差距，为带托板湿接缝的接缝处有一段新老混凝土未连接，其工作长度为新老混凝土的连接厚度，小于无托板的湿接缝试件。

5 结束语

通过精细化有限元软件对比分析带底托板的回转式钢筋接缝与无底托板的回转式钢筋接缝的抗弯剪和抗弯曲性能，发现两者的受力性能与承载能力的差别或联系，最终得出如下结论：

（1）带底托板的回转式钢筋接缝与无底托板的回转式钢筋接缝相比，其试件弹性阶段与混凝土开裂，钢筋应力重分配阶段一致，表现在荷载位移曲线上为两者曲线基本重合，可见带托板的回转式钢筋接缝其受力情况与无托板回转式钢筋接缝基本相同，其承载能力极限状态的破坏规律一致。

（2）带托板与无托板试件表现出的最大荷载差异情况表明，带托板湿接缝的接缝处有一段新老混凝土未连接，带托板湿接缝破坏荷载略小于无托板湿接缝。

（3）在结构设计过程中对于带托板湿接缝，可不将托板厚度计入接缝位置的有效高度范围进行设计。

参考文献

[1]曹皓， 石雪飞， 胡可. 预制混凝土桥面板采用回转式钢筋接缝的受弯性能研究[J]. 公路， 2020（10）： 181-186.

[2]林上顺， 暨邦冲， 何永波， 等. 配置环形钢筋的梁桥湿接缝承载力计算方法比较研究[J]. 工业建筑， 2022（1）： 83-89+58.

[3]刘志权， 胡可， 石雪飞， 等. 预制混凝土桥面板回转式钢筋接缝的受拉性能参数分析[J]. 公路， 2021（3）： 153-157.

[4]邹宇， 刘超， 石雪飞. 环形钢筋互插带托板湿接缝疲劳性能试验[J]. 城市道桥与防洪， 2021（5）： 135-138+18.