端板-高強(qiáng)螺栓連接預(yù)制蓋梁與橋墩靜力試驗(yàn)研究

劉謹(jǐn)寧，劉鴻偉，陳娟＊

（1.長(zhǎng)江大學(xué) 城市建設(shè)學(xué)院，湖北 荊州 434023；2.中國(guó)葛洲壩集團(tuán)三峽建設(shè)工程有限公司，湖北 宜昌 443000）

0 引言

隨著可持續(xù)發(fā)展觀的深入以及“綠色施工”的提出，人們對(duì)橋梁工程施工提出了更高的要求，除了要滿足安全性和耐久性的要求以外，還要求縮短施工周期，減少對(duì)周邊環(huán)境的影響，裝配式橋梁以其施工速度快、對(duì)居民生活環(huán)境影響小而快速發(fā)展起來(lái)。在預(yù)制蓋梁和橋墩連接節(jié)點(diǎn)方面，美國(guó)NCHRP展開(kāi)了大量研究[1-4]，主要的節(jié)點(diǎn)連接方式包括鋼筋連接器連接、灌漿波紋管連接、口袋式連接、插入式連接等，其中灌漿波紋管連接技術(shù)已在鋼筋混凝土橋梁工程得到了較好的應(yīng)用，如德克薩斯州貝爾頓湖36號(hào)國(guó)道[1]、華盛頓州交通運(yùn)輸部SR 520/SR 202[2]、距雷哈?伯德湖橋[3]、杭州市上塘高架拆橋段（ZX5-ZX11）高架橋[5]、無(wú)錫鳳翔路高架橋[6]等。我國(guó)《預(yù)制拼裝橋墩技術(shù)規(guī)程》（DGTJ 08-2160-2015）[7]也采用灌漿波紋管連接方法對(duì)裝配式橋梁進(jìn)行拼裝連接，并對(duì)所用材料應(yīng)滿足的要求進(jìn)行了規(guī)定。

灌漿波紋管連接方法需要足夠的空間以充分錨固預(yù)埋波紋管，這種連接方式對(duì)鄰近鋼筋籠布置有一定的要求且施工精度要求高，波紋管內(nèi)灌漿后需要養(yǎng)護(hù)一段時(shí)間才可投入使用。這些因素將限制現(xiàn)有交通，影響周圍居民的生活與環(huán)境。

針對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)裝配式橋梁節(jié)點(diǎn)的研究，本文提出一種裝配式橋梁節(jié)點(diǎn)的新型連接方式，即端板-高強(qiáng)螺栓連接，相較于傳統(tǒng)的灌漿波紋管連接法，該連接方法可以在施工現(xiàn)場(chǎng)將預(yù)制蓋梁和橋墩直接用高強(qiáng)螺栓連接，不需要二次灌漿即可立即使用。連接方法如圖1所示。為初步檢驗(yàn)這種連接的合理性，進(jìn)行了端板-高強(qiáng)螺栓連接的預(yù)制蓋梁與橋墩連接構(gòu)件的靜力試驗(yàn)，并與相應(yīng)的的現(xiàn)澆節(jié)點(diǎn)構(gòu)件進(jìn)行了對(duì)比。

圖1 端板-高強(qiáng)螺栓連接預(yù)制蓋梁和橋墩示意圖

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)及制作

本次試驗(yàn)共制作2個(gè)構(gòu)件，整體現(xiàn)澆式蓋梁與橋墩構(gòu)件和端板-高強(qiáng)螺栓連接預(yù)制蓋梁與橋墩構(gòu)件，構(gòu)件以雙墩橋?yàn)樵停厝≈辽w梁和橋墩反彎點(diǎn)處。為檢驗(yàn)端板-高強(qiáng)螺栓連接的受力性能，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)增大蓋梁的抗彎承載力引導(dǎo)破壞發(fā)生在橋墩端部。

端板-高強(qiáng)螺栓連接預(yù)制蓋梁與橋墩構(gòu)件與整體現(xiàn)澆式蓋梁與橋墩構(gòu)件尺寸和配筋相同，構(gòu)件配筋信息見(jiàn)表1，表1試件編號(hào)中XJ為整體現(xiàn)澆式蓋梁與橋墩構(gòu)件，ZP為端板-高強(qiáng)螺栓連接預(yù)制蓋梁與橋墩構(gòu)件。端板-高強(qiáng)螺栓連接構(gòu)件的尺寸及構(gòu)造如圖2所示。預(yù)制蓋梁下帶一段短柱，短柱中的縱筋焊接在上端板上，橋墩中的縱筋焊接在下端板上。兩塊端板厚度均為30mm，板上開(kāi)有12個(gè)螺栓孔，在下端板中心開(kāi)一個(gè)直徑為100mm的孔用于澆注混凝土。在兩塊端板上各焊接12根短鋼筋，用來(lái)加強(qiáng)混凝土柱與底板的連接，橋墩中的箍筋采用螺旋筋。構(gòu)件制作完成澆筑混凝土養(yǎng)護(hù)28天后采用塔吊將構(gòu)件的兩部分吊裝定位，兩塊端板用10.9級(jí)M20的高強(qiáng)扭剪型螺栓連接，完成預(yù)制蓋梁與橋墩的拼裝。

圖2 端板-高強(qiáng)螺栓連接預(yù)制蓋梁與橋墩構(gòu)件尺寸及構(gòu)造圖

表1 試件主要設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 材料特性

本次試驗(yàn)采用荊州市華升新型材料股份有限公司提供的C40商品混凝土，為測(cè)得混凝土的抗壓強(qiáng)度，制作節(jié)點(diǎn)構(gòu)件時(shí)同時(shí)澆注了6個(gè)尺寸為150mm×150mm×150mm立方體試塊，和節(jié)點(diǎn)試件進(jìn)行同等條件養(yǎng)護(hù)。根據(jù)《混凝土強(qiáng)度檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50107-2010）測(cè)得混凝土立方體試塊抗壓強(qiáng)度平均值為48.6 MPa。

根據(jù)《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》（GBT 228.1-2010）采用微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)直徑分別為12mm和28mm的帶肋鋼筋進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，測(cè)得直徑為12mm鋼筋的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為402.3MPa和616.0MPa，直徑為28mm鋼筋的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為432.0MPa和628MPa。

1.3 加載制度

試驗(yàn)在長(zhǎng)江大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，加載裝置如圖3所示。在進(jìn)行一次性破壞單調(diào)加載靜力試驗(yàn)時(shí)，豎向由高精度推力千斤頂施加恒定軸力，水平方向用電液伺服系統(tǒng)采用等幅位移的控制加載方式施加水平荷載，位移幅值從0開(kāi)始以5mm遞增。每級(jí)位移加載時(shí)間間隔為60s的時(shí)間。當(dāng)試件的水平荷載降低到峰值荷載的85%以下或者豎向荷載不能維持穩(wěn)定時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束。

圖3 加載裝置

1.4 測(cè)點(diǎn)布置

縱筋和混凝土的應(yīng)變均由電阻式應(yīng)變片測(cè)得，測(cè)點(diǎn)主要分布在預(yù)制蓋梁下端的混凝土處，具體位置如下：縱筋應(yīng)變片，在鋼筋上的應(yīng)變片逆時(shí)針貼，以靠近作動(dòng)器的鋼筋為第一根，間隔一根鋼筋貼一次，每根鋼筋上貼3個(gè)，即在預(yù)制蓋梁下2cm、7cm、12cm布置應(yīng)變片；混凝土應(yīng)變片，只在加載方向兩側(cè)(東西)預(yù)制蓋梁下端3cm處貼成應(yīng)變花。試驗(yàn)中的應(yīng)變數(shù)據(jù)收集裝置為DH3816靜態(tài)應(yīng)變收集箱。試驗(yàn)過(guò)程中鋼筋和混凝土的應(yīng)變發(fā)展采集出現(xiàn)問(wèn)題，所以未采用相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

端板-高強(qiáng)螺栓連接預(yù)制蓋梁與橋墩構(gòu)件進(jìn)行一次性破壞單調(diào)加載靜力試驗(yàn)現(xiàn)象如下：水平位移為0~20mm時(shí)，混凝土橋墩和預(yù)制蓋梁表面無(wú)明顯現(xiàn)象；水平位移為40mm時(shí)混凝土墩身距預(yù)制蓋梁下端約4cm,9cm與13cm高度處南側(cè)出現(xiàn)3條細(xì)微的裂縫，混凝土柱南側(cè)裂縫開(kāi)始延伸，寬度開(kāi)始加大；水平位移為50mm時(shí)，混凝土柱南側(cè)裂縫寬度繼續(xù)加大，在柱身東西兩側(cè)出現(xiàn)細(xì)微裂縫；水平位移為60~80mm時(shí)，混凝土柱南側(cè)和預(yù)制蓋梁的東西兩側(cè)裂縫間隙繼續(xù)加大；水平位移為90mm時(shí)，試驗(yàn)構(gòu)件承載力下降至最大值的85%以下，結(jié)束試驗(yàn)。構(gòu)件最終破壞見(jiàn)圖4所示：

圖4 端板-高強(qiáng)螺栓連接預(yù)制蓋梁與橋墩構(gòu)件破壞圖

整體現(xiàn)澆式蓋梁與橋墩構(gòu)件進(jìn)行一次性破壞單調(diào)加載靜力試驗(yàn)現(xiàn)象如下：水平位移為0~15mm時(shí)，混凝土柱和預(yù)制蓋梁表面無(wú)明顯現(xiàn)象；水平位移為20~30mm時(shí)，混凝土柱身距預(yù)制蓋梁下端約1cm，5cm與19cm高度處南側(cè)出現(xiàn)3條細(xì)微的裂縫；水平位移為40mm時(shí)，混凝土柱南側(cè)裂縫開(kāi)始延伸，寬度開(kāi)始加大；水平位移為50mm時(shí)，混凝土柱南側(cè)裂縫寬度繼續(xù)加大，在柱身東西兩側(cè)出現(xiàn)細(xì)微裂縫；水平位移為60~80mm時(shí)，混凝土柱南側(cè)和預(yù)制蓋梁的東西兩側(cè)裂縫寬度繼續(xù)加大；水平位移為90mm時(shí)，試驗(yàn)構(gòu)件承載力下降至最大值的85%，結(jié)束試驗(yàn)。構(gòu)件最終破壞見(jiàn)圖5所示：

圖5 整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土構(gòu)件破壞圖

對(duì)比現(xiàn)澆式和裝配式兩構(gòu)件的破壞現(xiàn)象可知，端板-高強(qiáng)螺栓連接的預(yù)制蓋梁與橋墩構(gòu)件在單調(diào)靜力荷載作用下的破壞過(guò)程和現(xiàn)澆式構(gòu)件相似，裂縫均出現(xiàn)在靠近蓋梁的橋墩處，在整個(gè)加載過(guò)程中，端板-高強(qiáng)螺栓連接的預(yù)制蓋梁與橋墩構(gòu)件的端板和高強(qiáng)螺栓均未發(fā)生肉眼可見(jiàn)的變形，端板與混凝土連接處沒(méi)有裂縫產(chǎn)生。

2.2 荷載－位移曲線

通過(guò)試驗(yàn)采集的兩個(gè)構(gòu)件在一次性破壞單調(diào)靜力加載作用下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制的水平荷載-位移曲線如圖6所示。

圖6 水平位移-荷載曲線

由圖6可知，整體現(xiàn)澆式蓋梁與橋墩構(gòu)件在水平位移達(dá)到46mm時(shí)，構(gòu)件達(dá)到最大水平推力75.5kN；當(dāng)位移達(dá)到90mm時(shí)，構(gòu)件承載力下降至最大值的85%，結(jié)束試驗(yàn)。端板-高強(qiáng)螺栓連接預(yù)制蓋梁與橋墩構(gòu)件在水平位移達(dá)到55mm時(shí)，構(gòu)件達(dá)到最大水平推力74.6kN；當(dāng)位移達(dá)到90mm時(shí)，試驗(yàn)構(gòu)件承載力下降至最大值的85%，結(jié)束試驗(yàn)。由此可知，在一次性破壞單調(diào)荷載作用下，端板-高強(qiáng)螺栓連接預(yù)制蓋梁與橋墩構(gòu)件和整體現(xiàn)澆式蓋梁與橋墩構(gòu)件的最大水平承載力相差甚微，下降幅度僅為1.2%，說(shuō)明端板-高強(qiáng)螺栓連接方式不會(huì)降低構(gòu)件的水平承載力。

2.3 位移延性

通過(guò)試驗(yàn)得出的構(gòu)件在一次性破壞單調(diào)靜力加載作用下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，算得構(gòu)件延性系數(shù)μ列于表2，計(jì)算公式如下：

式中Δu為試件的極限位移，取85%極限荷載所對(duì)應(yīng)的位移值；Δy為采用能量等值法確定的構(gòu)件屈服位移。

表2 構(gòu)件進(jìn)行一次性破壞單調(diào)加載靜力試驗(yàn)的延性系數(shù)對(duì)比

從表2可知，端板-高強(qiáng)螺栓連接預(yù)制蓋梁與橋墩構(gòu)件的延性系數(shù)和整體現(xiàn)澆式蓋梁與橋墩構(gòu)件的相差很小，兩者的比值為0.99，且均在4以上，說(shuō)明端板-高強(qiáng)螺栓連接方式不會(huì)降低構(gòu)件的延性。

3 結(jié)語(yǔ)

端板-高強(qiáng)螺栓連接的預(yù)制蓋梁和橋墩構(gòu)件在一次性破壞單調(diào)加載時(shí)的破壞過(guò)程、破壞形態(tài)、水平位移-荷載曲線和現(xiàn)澆式構(gòu)件基本相似，兩構(gòu)件水平極限承載力和延性系數(shù)的比值分別為0.97和0.99，相差非常小，說(shuō)明端板-高強(qiáng)螺栓連接方式不會(huì)降低構(gòu)件的水平承載力和延性，初步驗(yàn)證了端板-高強(qiáng)螺栓連接方式的可行性。