UHPC鍵齒+螺栓連接接縫梁抗彎性能試驗研究

張陽 施建群 邵旭東

摘? ?要：為了研究預制UHPC鍵齒+螺栓連接接縫梁的抗彎性能，進行了6根UHPC鍵齒+螺栓連接接縫梁（簡稱接縫梁）和2根UHPC整體梁的彎曲試驗，探討梁底配筋、接縫設置鋼墊板及涂抹環氧樹脂膠等因素對UHPC接縫梁的破壞形式、抗彎承載力、跨中撓度、連接鋼板上下緣應變和接縫相對縱向位移的影響;采用有限元軟件ANSYS分析了長期壓應力作用下UHPC徐變對螺栓預緊力的影響.試驗及分析結果表明：UHPC接縫梁在梁底配筋不同的情況下存在接縫梁剛度突變區梁體受彎破壞和鍵齒楔形破壞引起的接縫破壞2種破壞模式，接縫表面涂抹環氧樹脂膠對接縫梁的抗彎性能影響小，接縫兩側設置鋼墊板可提高接縫的抗彎承載力，減小接縫梁的跨中撓度和接縫的上、下緣相對縱向位移，且對連接鋼板的受彎變形也有一定的改善作用.長期壓應力作用引起的UHPC徐變會導致螺栓預緊力下降，下降幅度可達24.7%.

關鍵詞：超高性能混凝土;鍵齒;螺栓連接;鋼墊板;環氧樹脂;徐變

中圖分類號：U443.32 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

Abstract： To investigate the flexural performance of precast UHPC joint beams with tooth block and bolted connection，flexural test was performed on six UHPC joint beams with tooth block and bolted connection（joint beams for short） and two UHPC beams without joints. The effects of bottom-longitudinal reinforcement， steel subplate， and epoxy glue setting on joint on the failure mode， flexural strength， mid-span deflection， top-bottom-side strain of connecting steel plate and joint top-bottom-side longitudinal relative displacement of these joint beams were discussed. The effect of UHPC creep under long-time compressive stress on the pre-tightening force of bolt was analyzed by finite element software ANSYS. The results show two failure modes of UHPC joint beams with different reinforcement ratio of bottom-longitudinal reinforcement， one of which is flexural rupture of UHPC section in the region where flexural rigidity is changed， and the other is joint failure caused by wedge-shaped failure of tooth block. The effect of joint-painted epoxy glue on the flexural behavior of joint beams is negligible， and steel subplate setting on the side of joint can not only increase the flexural strength of joint and flexural performance of connecting plate， but also reduce the mid-span deflection of joint beams and joint top-bottom-side longitudinal relative displacement. The UHPC creep under long-time compressive stress can reduce the pre-tightening force of bolt by 24.7%.

Key words： Ultra-High Performance Concrete（UHPC）;tooth block;bolted connection;steel subplate;epoxy glue;creep

超高性能混凝土（UHPC，Ultra-High Performance Concrete），又被稱為活性粉末混凝土（RPC，Reactive Powder Concrete），是一種按最大密實度理論級配而成的水泥基復合材料[1]，其不僅具有超高抗壓強度、超高抗拉強度、超強韌性等優異的力學性能，還具備材料密實、腐蝕介質滲透率低的超高耐久性，是過去三十年中最具創新性的水泥基工程材料[2-4].經高溫養護后，UHPC的優越性能才能充分發揮，且高溫養護后其徐變將大幅降低，后期收縮幾乎為零[5-6].將UHPC用于建造橋梁，由于在施工現場對現澆UHPC橋梁構件進行高溫養護不易實施、養護成本較高，因此UHPC更適用于預制拼裝的橋梁結構.

現有的預制UHPC橋梁節段間多采用干接縫或現澆濕接縫連接，如馬來西亞森美蘭州的Kampung Linsum Bridge，其預制UHPC箱梁節段采用干接縫連接，然后通過張拉體內預應力鋼絞線拼裝成橋[7];韓國仙人游人行拱橋，其主拱圈采用UHPC預制節段拱拼接，預制節段間即是采用現澆UHPC 濕接縫連接[8];國內也有學者提出UHPC節段梁的干接縫連接形式并對其進行優化，利用優化結果制作UHPC 雙懸臂牛腿接縫模型進行試驗[9]，根據試驗結果對主跨400 m的UHPC連續箱梁橋進行了初步設計，并對400 mUHPC連續箱梁中體外預應力錨固構造形式進行了較為詳細的有限元分析與優化[10].

預制UHPC梁段的現澆濕接縫雖然連接性和整體性較好，但由于施工現場進行高溫養護不易實施，現澆濕接縫UHPC一般多采用自然養護，因此存在自然養護周期較長、預制構件與現澆接縫UHPC因不同養護條件引起的材性和體積穩定性不匹配等問題.預制UHPC構件的快速、安全拼接是UHPC結構設計與受力的關鍵.為了探求增強預制UHPC構件干接縫連接性能的方法，借鑒鋼結構的螺栓連接形式，提出鍵齒+螺栓連接的預制UHPC節段梁干接縫連接方法，采用鍵齒形式接縫的UHPC節段梁通過預埋的螺栓進行拼接，使兩個預制UHPC節段成為整體共同受力.

1? ?鍵齒+螺栓連接接縫設計

UHPC節段梁的鍵齒+螺栓連接接縫構造如圖1所示.

UHPC梁段端部采用單鍵齒形式接縫，在接縫側面區域設置鋼墊板與連接鋼板，形成類似鋼結構中螺栓連接的雙鋼板結構形式，高強雙頭螺桿穿過鋼墊板中對應的螺孔，并與鋼墊板焊接成整體，以期起到固定螺桿和加強接縫的作用，焊接位置為鋼墊板與UHPC表面接觸一側的螺孔周圍.高強螺栓、鋼墊板與UHPC共同澆筑形成整體.待梁段高溫熱養后在接縫表面涂抹環氧樹脂膠，對準節段位置進行節段拼裝，然后套上連接鋼板，用扭矩扳手擰緊螺母形成栓接節段梁.接縫鍵齒尺寸參數根據文獻[9]接縫優化結果確定：鍵齒傾角θ=45°，齒梁高度比H1/H=2/5，深高比a/H2=1/4.螺栓距d1和d2、螺栓線距g、端距a、邊距c、螺栓孔直徑d和螺栓排列均參照規范GB 50017—2003[11]規定要求取值.

預制UHPC節段梁的鍵齒+螺栓連接接縫的優點在于：第一，現場拼接方便快捷、無現澆作業、也無需對接縫進行養護;第二，外置的連接鋼板提高了接縫的抗彎剛度、延性和抗彎承載力.

2? ?接縫抗彎試驗與結果分析

2.1? ?材性試驗

試驗所用超高性能混凝土（UHPC）由水泥、硅灰、石英砂、石英粉、高效減水劑、鋼纖維等組成，其中鋼纖維體積分數為2.5%，包含2%的8 mm長、0.12 mm直徑的平直型鋼纖維和0.5%的13 mm長、0.2 mm直徑的端鉤型鋼纖維.

制作了3種尺寸的UHPC試塊用于UHPC的材性試驗，其中尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊用于UHPC的抗壓強度試驗，尺寸為100 mm×100 mm×300 mm的長方體試塊用于UHPC的抗壓彈性模量試驗，尺寸為100 mm×100 mm×400 mm的長方體試塊用于UHPC的抗折試驗.澆筑時先將RPC干混料倒入臥軸強制式混凝土攪拌機中，干拌約2 min;待干拌完成后，將水按與RPC質量比為8∶100的比例稱量好，然后將稱好的水分2次分別加入攪拌機中，攪拌20 min;最后將RPC拌合物裝入試驗梁模板中，并敲擊模板側面促進RPC拌和物與鋼筋骨架密實接觸.UHPC試塊和試驗梁同時澆筑，且兩者的養護條件相同：試件澆筑后自然養護48 h拆模，然后在90 ～100 ℃的蒸汽中養護48 h，最后常溫放置15 d后進行試驗.UHPC材性試驗如圖2所示.

高強螺栓連接中，鋼板的摩擦系數和扭矩扳手施加的預緊力是影響螺栓連接力學性能的重要因素，而扭矩扳手實際施加的預緊力又由螺栓的扭矩系數決定，故有必要進行相關試驗以明確接縫栓接的摩擦系數和扭矩系數.根據JGJ 82—2011[12]相關規定分別對相同處理工藝的8組高強螺栓和3組螺栓鋼板連接進行扭矩系數試驗和抗滑移試驗，如圖3所示.

UHPC、螺栓連接及試驗用鋼筋材性試驗所得數據匯總于表1.

2.2? 鍵齒+螺栓連接接縫梁抗彎試驗

共制作了6根UHPC接縫梁和2根UHPC整體梁用于本次的抗彎試驗研究，試驗梁分為A、B、C 3組，A、B組為鍵齒+螺栓連接接縫梁，C組為整體梁.根據主要試驗參數給試件編號，G代表鋼墊板，L代表連接鋼板，H代表環氧樹脂，J代表接縫梁，Z代表整體梁，其后的數字代表試件梁底配置的受拉鋼筋數量，如表2所示.

UHPC試驗梁長1 800 mm、寬80 mm、高300 mm，接縫螺栓為10.9級M16雙頭螺栓，螺栓設計預緊力為100 kN[11]，實測預緊力均值為101.7 kN，連接鋼板和鋼墊板的螺栓孔直徑為17.5 mm.A組接縫梁構造如圖4（a）所示，接縫梁左右梁段各布置2列螺栓.B組接縫梁僅梁內鋼筋布置與A組不同，構造如圖4（b）所示，梁底3根受拉主筋之間無間距.Z-1截面配筋與A組截面1-1相同，Z-3截面配筋與B組截面1-1相同，且C組鋼筋在跨中連續不中斷，構造如圖4（c）所示.

接縫梁測點布置圖如圖5所示，接縫處連接鋼板應變測點位于與接縫位置對應的鋼板外表面，跨中撓度測點位于接縫底部中點偏左1.5 cm處，梁體支座處頂部各設一個位移測點，接縫上、下緣中點均設一個位移測點用來測量接縫上、下緣的相對縱向位移.整體梁跨中、支點位移測點與接縫梁測點位置對應.試驗梁采用兩點加載，加載示意圖如圖6所示.

2.3? ?試驗結果與分析

2.3.1? ?試件破壞形態及荷載特征值

C組整體梁破壞形式為UHPC梁體受彎破壞，受拉區裂縫向上發展延伸，受壓區頂部UHPC局部壓碎，破壞圖示如圖7所示.

A組接縫梁破壞形式為UHPC梁體受彎破壞，主要開裂及破壞部位位于連接鋼板端部剛度突變區.破壞表現為突變區裂縫充分向上發展延伸，且頂部UHPC局部壓碎，這是因為A組接縫梁受拉鋼筋配置較少，梁體彎曲極限荷載比有鋼板加強的接縫破壞荷載小，因此破壞發生在剛度突變區的UHPC梁體處，破壞圖示如圖8所示.

B組接縫梁首條裂縫出現在剛度突變區，于接縫處破壞，破壞表現為UHPC鍵齒受剪產生楔形裂縫，這是因為B組接縫梁受拉鋼筋配置較多，UHPC梁體的彎曲極限荷載大于鋼板滑移后UHPC鍵齒承受螺栓傳遞的剪力而發生楔形破壞時的荷載，導致破壞發生于梁端接縫處，其破壞圖示如圖9所示.

實測試驗梁荷載特征值如表3所示，λcr及λu表示A、B組接縫梁對應于Z-1、Z-3的開裂荷載和極限荷載差值百分比絕對值.

由表3可知，A、B組接縫梁開裂荷載與對應的C組試驗梁相比相差較小，λcr最大分別為4.9%和5.5%，這是因為A、B組接縫梁首條裂縫均出現在剛度突變區無鋼板加強的梁體處.A、B組接縫梁極限荷載均比對應的C組無接縫梁小，λu最大分別為5.2%和26.6%，所不同的是A組破壞發生在UHPC梁體，接縫未破壞，而B組則是由UHPC鍵齒受剪引起的接縫破壞.

對比可知LJ-3極限荷載遠小于B組其余接縫梁極限荷載，其原因是LJ-3接縫無鋼墊板加強.同理，由GLJ-1、GLJ-3與LJ-1、LJ-3相應荷載特征值對比知，鋼墊板對UHPC梁體開裂、極限荷載影響小，但對接縫極限荷載影響大，GLJ-3相對LJ-3接縫極限荷載提高約25.4%.由以上對比分析知，接縫的抗彎承載力可通過添加鋼墊板來提高.

B組接縫梁的開裂及破壞荷載均比A組接縫梁的大，主要是因為B組接縫梁梁底受拉鋼筋配置較A組接縫梁多，提高了UHPC梁體的抗彎能力，使梁體的極限承載力超過接縫（由Z-3與B組承載力對比可知），并導致了接縫部位的破壞.

梁GLJ-1、GLJ-3與GLHJ-1、GLHJ-3的荷載特征值對比可知，接縫表面涂抹環氧樹脂膠對接縫梁開裂荷載基本無影響，對接縫梁極限荷載提升較小，最大僅為5.8%，說明接縫表面涂抹環氧樹脂膠對接縫梁抗彎性能影響不大.

2.3.2? ?荷載-跨中撓度曲線

試件荷載-跨中撓度曲線如圖10所示.

試驗梁開裂、極限荷載所對應的跨中撓度如表4所示，其中ζcr表示A、B組接縫梁開裂荷載對應的跨中撓度相對于Z-1、Z-3開裂荷載對應的跨中撓度的差值百分比絕對值.

加載前期A組接縫梁抗彎剛度大于Z-1的抗彎剛度，因此在開裂荷載相近的情況下A組梁的開裂撓度比Z-1的開裂撓度小;加載中期，同荷載水平下Z-1撓度比A組的小，這是因為A組梁裂縫發展集中于剛度突變區，相同荷載作用下裂縫更寬，梁的撓度增幅更大，而Z-1裂縫則是在純彎段范圍內發展，撓度變化較緩;加載后期A組梁撓度與Z-1梁撓度相差較小，主要是因為A組、Z-1梁極限狀態時裂縫均已充分發展，梁的抗彎剛度相近.

由表4可知，Z-3的開裂撓度比B組梁的大，ζcr最大為18.8%;加載中后期，荷載增大使B組接縫鍵齒開裂且裂縫逐漸發展，使得B組接縫梁的抗彎剛度下降，撓度呈非線性增加.由于LJ-3接縫無鋼墊板增強，鍵齒開裂較早，導致其抗彎剛度在相同荷載水平下偏小、撓度偏大，說明鋼墊板可以通過提高接縫梁的抗彎剛度來減小接縫梁的跨中撓度.

A組接縫梁剛度、撓度、承載力均比B組小，說明適當增加接縫梁的配筋可以提高結構的剛度、變形性能以及承載力.

2.3.3? ?荷載-連接鋼板上、下緣應變曲線荷載-連接鋼板應變曲線如圖11所示（應變符號：拉正壓負）.

Q345鋼板屈服強度設計值為310 MPa，彈性模量為206×103 MPa[11]，則其屈服應變最小值約為1 500 με，可知連接鋼板在整個試驗過程中均處于彈性階段.

由連接鋼板上、下緣應變曲線對比知，試驗參數中，鋼墊板對連接鋼板上、下緣應變影響最大，鋼墊板接縫梁GLJ-1、GLJ-3連接鋼板上、下緣極限應變比LJ-1、LJ-3接縫梁的小，相同荷載作用下，GLJ-1、GLJ-3接縫梁連接鋼板上緣應變相比于LJ-1、LJ-3連接鋼板上緣應變最多可減少約52.8%和41.6%，下緣應變最多可減少約45.4%和42.7%，說明鋼墊板在加載過程中也起到了分擔荷載的作用，減小了連接鋼板的彎曲變形.

2.3.4? ?荷載-接縫上、下緣相對縱向位移曲線

荷載-接縫上、下緣相對縱向位移曲線如圖12所示（位移符號：相近為正，相離為負），嚴格意義上講，此處的相對縱向位移不僅包含了接縫兩側UHPC梁體的相對整體位移，也包含了接縫兩側UHPC梁體受拉或受壓產生的壓縮變形和拉伸變形.

荷載較小時，相對縱向位移曲線是一條斜率接近零的曲線;荷載的增大使梁底接縫張開，相對縱向位移增大，且由于接縫頂部UHPC相互擠壓阻礙上緣縱向相對運動，故上緣相對縱向位移小于下緣.

接縫梁表現為梁體受彎破壞時，由圖12可知，環氧樹脂和鋼墊板對接縫相對縱向位移的影響較小;接縫梁表現為接縫破壞時，鋼墊板對接縫相對縱向位移影響較為明顯，有鋼墊板接縫（GLJ-3）的上、下緣相對縱向位移均比無鋼墊板接縫（LJ-3）的小.相同荷載作用下，GLJ-3接縫的上、下緣相對縱向位移相比于LJ-3最多可減少約70.1%和70.4%.

3? ?UHPC徐變影響分析

本試驗UHPC接縫主要靠螺栓連接，UHPC在壓應力長期作用下的徐變變形會使螺栓預緊力減小，不利于UHPC接縫梁的抗彎性能，因此本節采用有限元軟件ANSYS對持續十年壓應力作用下UHPC徐變對單個高強螺栓預緊力的影響進行分析.

參考文獻[13]的方法，利用ANSYS的蠕變Creep準則[14]，并采用應變強化的顯式蠕變模型模擬混凝土的徐變，其方程為

式中：ε為t時刻的混凝土應變;σ為t時刻混凝土應力;T為t時刻的環境溫度;C1～C4為顯式蠕變常數.基于線性徐變且忽略溫度影響，由徐變系數定義，有

在每個時間步長內，徐變速率? ? ?被假定為常數，則在ANSYS分析中可通過改變常數C1來實現混凝土徐變的模擬，其中普通混凝土的徐變系數可由規范JTG D62-2004[15]得到，而對于UHPC的徐變系數，根據文獻[16]中的試驗對比驗證結果，取為同條件下C50混凝土徐變系數的15%.

單個螺栓的UHPC徐變模型如圖13所示，高強螺栓及UHPC的材料屬性與試驗梁有限元模型所采用的一致，分析中通過改變UHPC厚度和UHPC所受壓應力兩個參數來研究UHPC徐變產生的影響.

不同厚度（50～200 mm）UHPC徐變作用下壓應力作用時間-高強螺栓預緊力曲線如圖14所示（壓應力為10 MPa）;50 mm厚UHPC產生的徐變作用下壓應力作用時間-高強螺栓預緊力曲線如圖15所示（壓應力為5～30 MPa）.

由圖14知，同一壓應力作用下（10 MPa），不同UHPC厚度中的螺栓預緊力隨著壓應力作用時間增大呈減小趨勢，且UHPC越厚螺栓預緊力減小幅度越大，200 mm厚的UHPC十年徐變所引起的螺栓預緊力降幅最大，為14.4%.由圖15可知，50 mm厚UHPC中的螺栓預緊力在不同壓應力作用下，隨著作用時間增加均呈現減小趨勢，且壓應力越大，減小幅度越大，所受壓應力為30 MPa的UHPC十年徐變引起的螺栓預緊力降幅最大，為24.7%.可知，在UHPC十年徐變對螺栓預緊力的影響中，壓應力大小和UHPC厚度均會導致螺栓預緊力的減少，且壓應力大小對螺栓預緊力產生的影響比UHPC厚度產生的影響要大，在實際設計中建議將螺栓預緊力乘以0.75的折減系數以考慮UHPC徐變的不利影響.

4? ?結? ?論

通過試驗，對UHPC鍵齒+螺栓連接接縫梁的抗彎性能進行了研究，并采用ANSYS分析了UHPC徐變對螺栓預緊力的影響，得到以下幾點主要結論：

1）UHPC接縫梁存在有兩種受彎破壞模式，一種表現為剛度突變區UHPC梁體受彎破壞，另一種則是由UHPC鍵齒受剪產生楔形破壞引起的接縫破壞，且隨著梁底受拉鋼筋配筋率的提高，接縫梁的破壞模式將由第一種向第二種轉化.

2）接縫涂抹環氧樹脂對UHPC接縫梁的抗彎

性能無顯著影響.接縫兩側設置鋼墊板對接縫的抗彎承載力有明顯的提高作用，且鋼墊板能減小接縫梁的跨中撓度和接縫的縱向相對位移，降低連接鋼板的受彎變形，在實際設計中可考慮在接縫兩側設置鋼墊板以提高抗彎性能.

3）壓應力作用引起的UHPC徐變會導致螺栓預緊力下降，且壓應力大小比UHPC厚度更能引起螺栓預緊力的下降.在實際設計中建議螺栓預緊力乘以0.75的折減系數以考慮UHPC徐變的不利影響.

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