超高性能混凝土濕接縫梁抗彎性能試驗*

鐘 揚,吳 鋒,戴 磊

(1.中交第三航務(wù)工程局有限公司技術(shù)中心，上海 200032；2.中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200032；3.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，港口經(jīng)濟也迎來了新的發(fā)展機遇。高樁梁板式碼頭結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)用范圍日益拓展，但在其上部結(jié)構(gòu)建造過程中，仍存在著大量的現(xiàn)場鋼筋焊接、綁扎以及混凝土現(xiàn)澆工作，施工效率和裝配化程度有待進一步提高[1-2]。

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)是一種高強度、高韌性的新型水泥基材料，與普通混凝土相比，它的抗壓強度、抗拉強度和耐久性更優(yōu)，國外已廣泛應(yīng)用于預(yù)制構(gòu)件的連接[3]。基于這一材料特性，本文設(shè)計一種適用于高樁碼頭上部預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)的節(jié)點連接方式，如圖1所示。將高樁碼頭的現(xiàn)澆梁、板構(gòu)件改成預(yù)制構(gòu)件的形式，在預(yù)制構(gòu)件的端部外伸出若干鋼筋頭，在連接節(jié)點處對鋼筋連接進行優(yōu)化，僅進行簡單搭接，不需要焊接或者綁扎，并通過UHPC后澆接縫連接各預(yù)制構(gòu)件。由于碼頭的受力特點，在節(jié)點位置通常要承受較大的負彎矩荷載，為了保證節(jié)點的結(jié)構(gòu)安全，有必要對UHPC濕接縫的抗彎性能進行研究。

圖1 裝配式碼頭節(jié)點連接

目前，國內(nèi)外關(guān)于預(yù)制混凝土結(jié)構(gòu)UHPC濕接縫的受力有一定的研究。劉超等[4]對新老橋間UHPC拼接縫受力性能的研究表明，UHPC具有出色的裂縫控制能力，增加UHPC接縫自由長度和減小接縫厚度可有效增強接縫彎曲性能。李昭等[5]通過ABAQUS數(shù)值模擬，分析縱向主筋配筋率、UHPC抗拉強度及現(xiàn)澆橋面板混凝土強度等級對UHPC-NC(超高性能混凝土-普通混凝土)組合結(jié)構(gòu)抗彎性能的影響。陳貝等[6]研究不同的 UHPC 濕接縫構(gòu)造形式對預(yù)制拼裝混凝土結(jié)構(gòu)抗彎性能的影響,結(jié)果表明不同接縫構(gòu)造形式的接縫板抗彎拉性能都優(yōu)于完整NC板，且鑿孔、密配筋接縫形式能較大地提高接縫板的抗彎拉性能。張永濤等[7]對預(yù)制橋面板UHPC-U形鋼筋濕接縫的受力性能進行研究，結(jié)果表明UHPC能顯著提高濕接縫的抗裂性能，驗證了采用UHPC減小濕接縫混凝土現(xiàn)澆量、簡化連接工藝的可行性。但上述研究主要是針對UHPC橋梁行業(yè)的應(yīng)用，在港口碼頭中應(yīng)用研究較少。

本文設(shè)計制作7根UHPC濕接縫梁和1根現(xiàn)澆普通混凝土梁，通過靜力試驗研究各梁的抗裂特性、裂縫開展及極限承載力，驗證UHPC濕接縫連接預(yù)制混凝土構(gòu)件、簡化節(jié)點處鋼筋連接方式的可行性。

1 試驗概況

1.1 構(gòu)件設(shè)計

試驗共設(shè)計了8根試驗梁，包括7根UHPC濕接縫梁和1根現(xiàn)澆普通混凝土梁，其中A組為現(xiàn)澆普通混凝土梁，B組為UHPC濕接縫梁。各梁的截面尺寸均為300 mm/400 mm(寬×高)，長度均為2.5 m。梁體采用普通混凝土和UHPC材料，UHPC基體中摻有定量鋼纖維。UHPC接縫長度為0.3 m，縱筋和箍筋均采用HRB400級鋼筋。試件編號、鋼筋布置、配筋率等參數(shù)和尺寸見表1，典型試件A1和B1梁的配筋見圖2。

表1 試驗梁設(shè)計參數(shù)

圖2 試驗梁設(shè)計及配筋

根據(jù)《普通混凝土力學性能試驗方法》[8]和《活性粉末混凝土》[9]，分別對普通混凝土和UHPC進行材料特性試驗。其中，普通混凝土、UHPC抗壓強度試驗分別采用150 mm×150 mm×150 mm、100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊，實測的普通混凝土、UHPC 28 d抗壓強度分別為34.6和118.0 MPa。

UHPC濕接縫梁的加工過程：首先預(yù)制兩端混凝土構(gòu)件，交錯連接預(yù)制梁下部鋼筋并搭設(shè)模板，最后在節(jié)點處澆筑UHPC灌漿材料，養(yǎng)護(圖3)。

在UHPC濕接縫梁的制作過程中，為增加新老混凝土界面的黏結(jié)力，預(yù)制普通混凝土段拆模后用高壓水槍對界面處進行沖洗至粗集料裸露。養(yǎng)護至設(shè)計強度后，再澆筑UHPC灌漿材料。UHPC濕接縫處鋼筋連接方式如圖4所示。

圖3 UHPC濕接縫制作加工

圖4 UHPC濕接縫梁鋼筋簡單搭接

1.2 試驗方案及測試內(nèi)容

試驗采用1 000 kN液壓千斤頂通過分配梁進行加載，加載點間距為0.6 m，UHPC段完全處于梁純彎段中，豎向加載時在加載點處設(shè)置鋼墊板，防止局部混凝土壓壞。試驗加載系統(tǒng)如圖5所示。試驗采用單調(diào)加載，首先按預(yù)估開裂荷載的10%分級加載，加載至構(gòu)件開裂，構(gòu)件出現(xiàn)裂縫后按預(yù)估極限荷載的10%繼續(xù)加載，直到試件達到極限承載力，此時記錄試件的裂縫開展情況。然后放慢加載速度，直至梁破壞。

試驗時梁跨中放置百分表以測量跨中豎向位移，同時梁兩端頂支座處放置百分表以測量支座位移，從而消除支座沉降誤差。并在試驗過程中觀察梁的裂縫開展情況，重點關(guān)注UHPC連接段及梁彎剪段的混凝土開裂情況。試驗加載系統(tǒng)見圖5。

圖5 試驗加載系統(tǒng)(單位：mm)

2 試驗現(xiàn)象及破壞過程

A1梁為現(xiàn)澆普通混凝土梁，表現(xiàn)為典型的彎曲破壞，跨中梁底受拉鋼筋屈服且梁頂受壓區(qū)混凝土被完全壓碎，其破壞特征符合普通混凝土梁破壞理論。

各組UHPC濕接縫梁也表現(xiàn)為彎曲破壞，但破壞特征與現(xiàn)澆梁略有不同。加載初期梁底UHPC接縫處首先出現(xiàn)裂縫，并沿結(jié)合面集中向上發(fā)展。同時在UHPC接縫兩側(cè)有若干斜裂縫產(chǎn)生，從底部向加載點處延伸，而UHPC連接段表現(xiàn)出超強的抗拉性能，無裂縫產(chǎn)生。破壞過程中，B1梁在接縫處斷開，受拉鋼筋被拉斷，鋼筋截面呈錐狀斷口，呈現(xiàn)少筋破壞形式；B2～B7梁的上部混凝土被完全壓碎，受拉區(qū)鋼筋完全屈服，呈現(xiàn)適筋破壞形式，且破壞的區(qū)域出現(xiàn)在普通混凝土段。在整個試驗過程中，UHPC的連接段始終未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，試驗梁的典型破壞特征如圖6所示。

圖6 試驗破壞特征

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 荷載-跨中撓度曲線

試驗梁的荷載-撓度曲線如圖7所示。UHPC 濕接縫梁荷載-撓度曲線發(fā)展趨勢與現(xiàn)澆梁相似，基本可分為3個階段：彈性階段、裂縫發(fā)展階段、持荷至破壞階段。在彈性階段，荷載-跨中撓度曲線斜率最大，變化趨勢近似呈線性關(guān)系，此時混凝土和鋼筋共同承擔受彎拉荷載，試驗梁的抗彎剛度最大；隨著荷載的增加，荷載-撓度曲線進入裂縫發(fā)展階段，曲線斜率逐漸減小，此時受拉區(qū)混凝土開裂，原來由該部分承受的拉力逐漸轉(zhuǎn)移至受拉鋼筋，試驗梁的抗彎剛度比彈性階段有所下降。試驗梁進入持荷至破壞階段，此時的荷載-跨中撓度曲線逐漸趨于平緩，在荷載基本不變的情況下，跨中撓度急劇增加，彎剪段的斜截面出現(xiàn)較大裂縫，試驗梁破壞。

圖7 試驗梁荷載-撓度曲線

3.2 裂縫開展及分布

為了研究各組試驗梁加載過程中的裂縫開展情況，試驗時的裂縫分布如圖8所示。A1梁純彎區(qū)段兩側(cè)面產(chǎn)生的主裂縫數(shù)量為12條;B1梁純彎區(qū)段兩側(cè)面產(chǎn)生的主裂縫數(shù)量為7條;B2～B4梁分別為7、9、9條;B5～B7梁分別為8、9、9條;比較配筋率相同的B5～B7梁和A1梁的裂縫數(shù)量，可以發(fā)現(xiàn)B5～B7梁裂縫數(shù)量比A1梁少，表明UHPC后澆連接可以減少構(gòu)件主裂縫的產(chǎn)生。同時比較UHPC濕接縫梁和現(xiàn)澆梁的裂縫分布情況，現(xiàn)澆梁初裂位置發(fā)生在跨中底部，而UHPC濕接縫梁裂縫首先出現(xiàn)在新舊混凝土的結(jié)合界面，表明UHPC濕接縫梁的UHPC與普通混凝土界面處黏結(jié)力較差，更容易開裂。進入裂縫開展階段，UHPC濕接縫梁的裂縫發(fā)展情況基本相似，裂縫均勻分布在UHPC后澆接縫的外側(cè)，縫寬均勻，但UHPC段整個過程中均無裂縫產(chǎn)生，表明UHPC材料的抗裂性能較好。達到極限承載力時，不同配筋率的UHPC濕接縫梁最大裂縫位置也有所不同，隨著配筋率的增加，最大縫寬位置從UHPC界面處移動到普通混凝土段，表明在一定程度上配筋率的增加能抑制接縫處裂縫的發(fā)展速度。

圖8 試驗梁的裂縫分布

為了進一步研究試驗梁裂縫變化規(guī)律，繪制了各組UHPC濕接縫梁在達到極限承載力之前的界面處裂縫寬度隨荷載的變化曲線，如圖9所示。

由圖9可知，在裂縫發(fā)展初始階段，各組UHPC濕接縫梁界面處裂縫寬度隨著荷載變化不大，之后由于梁受拉區(qū)普通混凝土完全退出工作，裂縫寬度隨著荷載的增加開始迅速增加，表現(xiàn)為曲線斜率的增大。當各組試驗梁達到極限承載力時，B1～B4梁界面處的裂縫寬度均超過1.5 mm，而B5～B7梁的裂縫寬度只有0.6 mm左右。說明B5～B7梁接縫處的裂縫發(fā)展速度較慢，表明在提高受拉區(qū)配筋率的情況下，界面處的裂縫發(fā)展可以得到很好的控制。

圖9 UHPC梁接縫處的裂縫寬度變化

3.3 極限承載力

由于抗彎承載力是碼頭梁、板結(jié)構(gòu)設(shè)計時的重要控制荷載，因此有必要對UHPC濕接縫梁的抗彎承載力影響因素進行分析。試驗中梁的極限承載力通過受拉主筋處裂縫寬度達到1.5 mm確定，統(tǒng)計出抗彎承載力試驗值與計算值對比情況見表2。

表2 抗彎承載力試驗值與計算值對比

由表2可知，各組UHPC濕接縫梁抗彎承載力試驗值較理論計算值均有一定程度的提升，最大提升幅度達到了26%。這表明在整體結(jié)構(gòu)的受力方面，UHPC濕接縫梁的抗彎承載力要優(yōu)于現(xiàn)澆混凝土梁，UHPC后澆連接的結(jié)構(gòu)抗彎承載力滿足工程要求。比較各組UHPC濕接縫梁的抗彎承載力試驗值，在相同加載情況下，UHPC濕接縫處的配筋率越高，梁抗彎承載力越大。

4 結(jié)論

1)UHPC濕接縫梁和現(xiàn)澆梁都表現(xiàn)為彎曲破壞，受彎破壞模式接近。各試驗梁的荷載-撓度曲線分為彈性、裂縫發(fā)展和持荷至破壞3個階段，當配筋構(gòu)造相同時，UHPC濕接縫梁抗彎剛度和現(xiàn)澆梁基本一致。

2)在配筋率足夠大的情況下，UHPC濕接縫梁界面處的裂縫發(fā)展可以得到很好的控制。

3)本次試驗接縫界面只進行了簡單鑿毛處理，接縫處新老混凝土的黏結(jié)性能表現(xiàn)不佳，后續(xù)試驗建議在接縫處布置短鋼筋以增加該位置的抗裂性能，避免集中裂縫。

4)從整體結(jié)構(gòu)的受力看，UHPC濕接縫梁的抗彎能力不弱于通長鋼筋的現(xiàn)澆混凝土梁，表明節(jié)點連接處鋼筋簡單搭接的方案是可行的。同時，UHPC濕接縫處配筋率的增加能提高梁的抗彎承載能力。