環(huán)形鋼筋互插帶托板濕接縫疲勞性能試驗(yàn)

鄒 宇，劉 超，石雪飛

（1.四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司勘探設(shè)計(jì)分公司，四川 成都 610041；2.同濟(jì)大學(xué)，上海市 200092）

1 概述

配筋現(xiàn)澆濕接縫是橋面板常見(jiàn)的連接形式[1]，常用于鋼混組合橋、預(yù)制T梁和小箱梁橋中。為滿足工業(yè)化建造的要求，本文提出了一種帶托板的環(huán)向鋼筋濕接縫結(jié)構(gòu)，并于生產(chǎn)過(guò)程中在混凝土底部設(shè)置預(yù)制托板的形式作為濕接縫澆筑的底模板。這種連接方式既需要考慮環(huán)形鋼筋的合理構(gòu)造，又需要解決托板的合理結(jié)構(gòu)尺寸。

橋面板結(jié)構(gòu)直接承擔(dān)車輪荷載的往復(fù)作用，其疲勞應(yīng)力較為明顯[2]。針對(duì)疲勞荷載作用下混凝土橋面板的疲勞性能，學(xué)者們進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。樊素[3]對(duì)公路橋梁進(jìn)行試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)我國(guó)中小跨徑公路橋梁耐久性大大降低，存在潛在的安全事故風(fēng)險(xiǎn)。Schlfli等[4]對(duì)混凝土橋面板進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，討論了跨中撓度、鋼筋和混凝土表面應(yīng)變隨加載次數(shù)變化的趨勢(shì)。Lijuan Cheng[5]通過(guò)試驗(yàn)對(duì)混凝土強(qiáng)度、加載頻率和加載幅度等參數(shù)進(jìn)行分析。楊勇等對(duì)FRP-混凝土組合橋面板[6]和鋼板-混凝土組合橋面板[7-8]疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究、黃僑等[9]對(duì)GFRP-混凝土組合橋面板的疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)在疲勞荷載作用下，GFRP-混凝土組合橋面板表現(xiàn)出了良好的變形恢復(fù)能力。馮仲仁等[10]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鋼纖維混凝土試件的疲勞強(qiáng)度比普通混凝土提高了20%左右。唐先習(xí)等[11]研究了鉸接板橋在疲勞荷載作用下的撓度變化規(guī)律。田啟賢等[12]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超高性能混凝土-鋼正交異性橋面體系受力狀態(tài)良好。大量的試驗(yàn)研究表明，橋面板的疲勞性能較好，在疲勞荷載作用下基本沒(méi)有出現(xiàn)剛度和強(qiáng)度下降的現(xiàn)象。而目前的疲勞主要是針對(duì)橋面板進(jìn)行的，對(duì)濕接縫疲勞性能的研究較少。

為研究使用環(huán)形鋼筋搭接的濕接縫的疲勞性能，對(duì)其進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，討論疲勞作用對(duì)接縫性能的影響。針對(duì)接縫在使用過(guò)程中主要承擔(dān)的疲勞應(yīng)力循環(huán)情況，確定合理的疲勞應(yīng)力幅值和疲勞循環(huán)次數(shù)，采用彎曲疲勞加載模式，利用疲勞助動(dòng)器進(jìn)行疲勞加載，以檢驗(yàn)試件的疲勞特性與疲勞壽命。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)所用混凝土為C50，鋼筋為HRB400。其中，預(yù)制板面中①號(hào)鋼筋直徑為12mm，②號(hào)鋼筋直徑為16mm，托板中③號(hào)鋼筋直徑為6mm。試件如圖1所示。

圖1 試件示意圖（單位：mm）

2.2 試驗(yàn)加載方式和測(cè)試內(nèi)容

采用四點(diǎn)加載的方式進(jìn)行疲勞加載，在預(yù)制板底設(shè)置簡(jiǎn)支邊界。加載時(shí)通過(guò)分配梁在中部形成純彎區(qū)，加載點(diǎn)與支點(diǎn)之間的間距為550mm。加載裝置如圖2所示。

圖2 加載示意圖（單位：mm）

疲勞試驗(yàn)總體上分為疲勞試驗(yàn)和疲勞過(guò)程中的靜載試驗(yàn)。

疲勞試驗(yàn)具體加載流程如下：

（1）疲勞前純彎靜力性能試驗(yàn)：加載幅值為3.6t，加載幅度為0.72t/級(jí)。

（2）50萬(wàn)次（累計(jì)50萬(wàn)次）疲勞加載，加載幅值為1.5~2.6t，加載頻率為8Hz。

（3）累計(jì)50萬(wàn)次疲勞加載后純彎靜力試驗(yàn)：加載幅值為3.6t，加載幅度為0.72t/級(jí)。

（4）50萬(wàn)次（累計(jì)100萬(wàn)次）疲勞加載，加載幅值為1.5~3.6t，加載頻率為8Hz。

（5）累計(jì)100萬(wàn)次疲勞加載后純彎靜力試驗(yàn)：加載幅值為5.4t，加載幅度為0.72t/級(jí)。

（6）100萬(wàn)次（累計(jì)200萬(wàn)次）疲勞加載，加載幅值為1.5~3.6t，加載頻率為8Hz。

（7）疲勞加載后的純彎靜力試驗(yàn)：加載幅度為0.72t/級(jí)，加載至出現(xiàn)裂縫后用位移控制加載，直至破壞。

為了測(cè)試疲勞加載過(guò)程中試件跨中處的撓度，在跨中和跨中附近處對(duì)稱布置6個(gè)位移計(jì)。為了測(cè)試靜載加載過(guò)程中濕接縫側(cè)面混凝土應(yīng)變和鋼筋應(yīng)變，在試件跨中沿高度等間距布置3個(gè)應(yīng)變片，在跨中位置處底面每根受拉鋼筋都布置1個(gè)應(yīng)變片。

為了對(duì)比試件疲勞加載前后的受力情況，本試驗(yàn)設(shè)置對(duì)照組，對(duì)同樣的構(gòu)件進(jìn)行靜力加載。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1動(dòng)撓度

本試驗(yàn)的采樣頻率為100Hz。由于數(shù)據(jù)過(guò)多，本文中給出195萬(wàn)～200萬(wàn)次疲勞加載動(dòng)撓度結(jié)果，如圖3所示。圖中紅色框中為加載結(jié)束前幾秒動(dòng)撓度數(shù)據(jù)，中間紅線為耦合后的曲線。圖4為試件跨中處動(dòng)撓度與加載次數(shù)的曲線。動(dòng)撓度包括最大動(dòng)撓度、最小動(dòng)撓度和撓度差。從圖中可以看出，隨著疲勞加載次數(shù)的增加，最大動(dòng)撓度和最小動(dòng)撓度均有增加的趨勢(shì)，但是幅度很??；試件最大動(dòng)撓度和最小動(dòng)撓度差值基本未變。

圖3 加載195萬(wàn)～200萬(wàn)次跨中動(dòng)撓度測(cè)量結(jié)果

圖4 加載過(guò)程中撓度與疲勞加載次數(shù)關(guān)系

在疲勞加載過(guò)程中，構(gòu)件未產(chǎn)生明顯裂縫，底部托板未出現(xiàn)掉落現(xiàn)象。

3.2 疲勞過(guò)程中的靜載試驗(yàn)

在疲勞加載前、加載至50萬(wàn)次和100萬(wàn)次時(shí)，分別進(jìn)行一次純彎加載試驗(yàn)。所有靜載試驗(yàn)跨中處撓度-荷載曲線如圖5所示。從圖中可以看出，3次靜載試驗(yàn)得到的試件跨中處撓度-荷載曲線基本一致。

圖5 疲勞加載前和加載中靜載試驗(yàn)跨中撓度-荷載曲線

3.3 疲勞后靜載試驗(yàn)

3.3.1 破壞形態(tài)與撓度

200萬(wàn)次疲勞加載之后進(jìn)行加載破壞試驗(yàn)。加載過(guò)程中，撓度-荷載曲線如圖6所示。破壞時(shí)構(gòu)件情況如圖7（a）所示。對(duì)照組構(gòu)件破壞時(shí)情況如圖7（b）所示。

圖6 疲勞后靜載試驗(yàn)跨中撓度-荷載曲線

圖7 試驗(yàn)構(gòu)件破壞狀態(tài)

加載破壞的過(guò)程大致為：當(dāng)荷載加載至50kN時(shí)，濕接縫和預(yù)制橋面板交界處產(chǎn)生了裂縫。當(dāng)荷載增加到140kN時(shí)，兩個(gè)加載點(diǎn)正下方的下緣產(chǎn)生裂縫，裂縫發(fā)展迅速，試件跨中撓度增長(zhǎng)迅速，即圖6中A處。當(dāng)荷載增加到160kN后，跨中處產(chǎn)生裂縫，加載點(diǎn)正下方附近也開(kāi)始產(chǎn)生裂縫，且裂縫發(fā)展迅速，撓度有突增現(xiàn)象，即圖6中B處。當(dāng)荷載加載到180kN后，多條裂縫同時(shí)產(chǎn)生，發(fā)展較快，跨中處撓度迅速增大，即圖6中C處。當(dāng)荷載增加到240kN后，濕接縫和預(yù)制橋面板交界處裂縫迅速發(fā)展，跨中處頂面混凝土被壓碎，構(gòu)件破壞，主裂縫位于交界面處，如圖7（a）所示，跨中處撓度持續(xù)增大，荷載不再增加，即圖6中D處。此時(shí)跨中處位移為21.3mm，試件底部托板未脫落。

3.3.2 濕接縫側(cè)面應(yīng)變測(cè)量結(jié)果

加載過(guò)程中，應(yīng)變片布置和測(cè)得結(jié)果如圖8所示。

1～3號(hào)應(yīng)變片位于濕接縫和預(yù)制橋面板交界處附近，4～6號(hào)應(yīng)變片位于濕接縫跨中截面處。從圖8中可以看出，在加載初期，濕接縫側(cè)面應(yīng)變隨荷載線性增加。當(dāng)荷載增加到80kN時(shí)，3號(hào)應(yīng)變片測(cè)得應(yīng)變值超過(guò)100με，認(rèn)為開(kāi)始出現(xiàn)裂縫；當(dāng)荷載增加到120kN時(shí)，濕接縫與預(yù)制橋面板交界處的3號(hào)應(yīng)變片測(cè)得應(yīng)變突變，說(shuō)明此處裂縫突然增大，位于跨中處下側(cè)的6號(hào)應(yīng)變片測(cè)得應(yīng)變值超過(guò)100με，認(rèn)為此處產(chǎn)生了裂縫；當(dāng)荷載增加到180kN時(shí)，2號(hào)和5號(hào)應(yīng)變片測(cè)得結(jié)果由壓應(yīng)變突然轉(zhuǎn)變?yōu)槔瓚?yīng)變，而且迅速增大，說(shuō)明裂縫向上發(fā)展至2號(hào)和5號(hào)應(yīng)變片處。

圖8 疲勞后靜載試驗(yàn)跨中處側(cè)面應(yīng)變-荷載曲線

4 結(jié)果分析

4.1 構(gòu)件剛度分析

從圖3中可以看出，在疲勞加載情況下，跨中處的動(dòng)撓度一直處于一個(gè)平穩(wěn)的范圍內(nèi)。最大動(dòng)撓度和最小動(dòng)撓度有略微增加，增幅在9%左右。最大動(dòng)撓度與最小動(dòng)撓度差值基本沒(méi)有變化，說(shuō)明在疲勞加載過(guò)程中，試件的抗彎剛度基本沒(méi)有變化。

在疲勞加載前、加載過(guò)程中和加載后都進(jìn)行了四點(diǎn)彎曲的靜載試驗(yàn)。四次靜載試驗(yàn)的跨中處撓度-荷載曲線基本一致，說(shuō)明試件的彎曲剛度沒(méi)有因?yàn)槠诩虞d次數(shù)增加而發(fā)生變化。

4.2 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

在所有疲勞加載過(guò)程中，構(gòu)件均未出現(xiàn)明顯的裂縫。

將疲勞后靜載試驗(yàn)與對(duì)照組試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)兩組試驗(yàn)都是先在濕接縫和預(yù)制橋面板之間產(chǎn)生裂縫，最終破壞時(shí)，主裂縫也位于該處。但在頂面處，對(duì)照組出現(xiàn)了剝離現(xiàn)象，而疲勞后靜載試驗(yàn)中頂面混凝土被壓碎。

在疲勞后靜載試驗(yàn)中，開(kāi)裂荷載為50kN，極限承載力為69.0kN·m，破壞時(shí)撓度為21.3mm；在對(duì)照組試驗(yàn)中，開(kāi)裂荷載為45kN，極限承載力為65.5kN·m，破壞時(shí)撓度為25.3mm。對(duì)比可得，開(kāi)裂荷載相差11%，極限承載力相差5.3%，破壞時(shí)撓度相差18.8%。

5 結(jié) 論

為研究環(huán)向鋼筋濕接縫連接形式的合理構(gòu)造和受力特點(diǎn)，本文對(duì)帶顯示托板的濕接縫橋面板試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

（1）在幅值為1.5~2.6t，頻率為8Hz的循環(huán)疲勞荷載作用下，環(huán)向鋼筋互插濕接縫的抗彎剛度基本不會(huì)降低，且無(wú)明顯的裂縫。

（2）在200萬(wàn)次疲勞荷載作用后，構(gòu)件的破壞形式未發(fā)生變化，仍在濕接縫與預(yù)制板交界面處發(fā)生破壞，其極限承載力未發(fā)生大的變化。

（3）在疲勞荷載作用下，托板未出現(xiàn)脫落的現(xiàn)象，說(shuō)明鋼筋網(wǎng)可以有效防止托板脫落。