鋼筋交叉搭接橋面板濕接縫軸拉試驗研究

李洞明

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市2000092]

1 概 述

目前隨著預制拼裝技術的發(fā)展和廣泛應用，小箱梁、空心板梁、T 梁、組合梁等預制主梁的橫向濕接縫常采用鋼筋交叉搭接的橋面板濕接縫形式，但是這種連接方式的計算方法有待完善，正常使用性能尚無試驗數據基礎。為此，通過考慮多種濕接縫形式，以鋼筋形狀、接縫材料、接縫寬度、鋼筋縱向間距布置、插銷鋼筋數量等構造參數為變量，制作足尺模型進行軸拉加載試驗。通過試驗探明不同澆筑材料中不同形狀鋼筋的錨固性能，揭示接縫破壞特征，為理論計算方法提供試驗數據，為設計提供參考。

2 發(fā)展趨勢和國內外研究存在的問題

隨著橋梁預制拼裝技術的完善與推廣，預制主梁橫向接縫的承載力、耐久性和構造優(yōu)化成為研究重點之一[1]。鋼筋交叉搭接的現澆混凝土接縫目前已廣泛應用于國內外裝配式小箱梁、空心板梁、T 梁、組合梁的橋面板連接中。盡管預制結構濕接縫已得到廣泛應用，但仍須解決幾個主要問題：

（1）目前U 型鋼筋、直鋼筋和彎鉤搭接長度尚無合適的計算方法，國內外的研究多直接參照末端帶彎鉤的鋼筋搭接長度確定。文獻資料顯示，國內外對幾種形狀鋼筋接縫承載能力的相關研究較少，主要計算方法可歸類為拉壓桿模型[2]、塑性功模型[3-4]、經驗回歸方法[5-6]三種，但相互間計算結果的吻合程度有待驗證。

（2）對于型鋼筋、直鋼筋和彎鉤鋼筋接縫正常使用性能尚無試驗數據基礎。由于界面材料不均勻且強度較弱，接縫界面通常控制構件的開裂特性。裂縫開展的影響因素較多，常規(guī)設計中相關設計缺乏理論驗算和構造對比的依據。

3 試驗主要研究內容

針對鋼筋現澆接縫的性能特點和以往研究的不足進行系列模型試驗，主要研究內容為現澆不同澆筑材料接縫中不同形狀鋼筋的錨固性能和接縫受力性能。

4 試件參數選擇

關于鋼筋搭接的混凝土濕接縫，為保證接縫承載力與延性，判定受拉狀態(tài)下后澆混凝土破壞與接縫鋼筋屈服的界限是研究與設計的關鍵。影響鋼筋接縫受力性能的因素很多，試驗主要考慮了以下5 個因素：

（1）接縫鋼筋搭接長度（含帶彎鉤鋼筋或U 型鋼筋的曲線部分）。濕接縫寬度直接影響普通鋼筋強度錨固長度，既而決定其強度發(fā)揮。接縫設計時應盡量減少現澆混凝土工作量，預留接縫內足夠的工作空間。

（2）接縫橫向鋼筋縱向間距。預制構件鋼筋初始間距、拼裝后兩側鋼筋縱向間距存在較大變異性，可能導致接縫受力機制和破壞模式發(fā)生變化。試驗中采用幾種鋼筋縱向對拼間距予以模擬：同側鋼筋初始間距為20 cm，拼裝后兩側鋼筋縱向間距為10 cm+10 cm或5 cm+15 cm（鋼筋貼近）。

（3）接縫混凝土類型。接縫混凝土材性決定接縫內應力（重）分布特性，影響接縫混凝土抗裂性和混凝土破壞模式。本試驗采用C60 混凝土（以下簡稱“C60NC”）、高性能C80 混凝土（以下簡稱“C80HPC”）、高性能C80 鋼纖維混凝土（以下簡稱“C80SFRC”）和超高性能混凝土（以下簡稱“UHPC”）4 種現澆混凝土類型。

（4）插銷鋼筋（即核心混凝土加強鋼筋）數量。鋼筋搭接區(qū)域內核心混凝土柱的配筋率可能影響橫向鋼筋對混凝土的銷栓作用，改變接縫整體的受力性能。

（5）鋼筋形狀。鋼筋形狀直接影響鋼筋在接縫材料內的受力性能。本試驗采用的鋼筋形狀為90°彎鉤鋼筋、180°彎鉤鋼筋、直鋼筋、螺帽直鋼筋、U 型鋼筋和焊接直鋼筋。

5 試件設計

試驗共分為5 個系列（46 只試件）：4 個參數化試件系列，1 個對比試件系列（見表1）。其中，參數化試件系列每個試件均有兩個，以減小個體試件的偶然誤差。系列一為C80SFRC 接縫，鋼筋帶180°彎鉤（共8 只）；系列二為UHPC 接縫，鋼筋帶90°彎鉤（共4 只）；系列三為UHPC 接縫，鋼筋無彎鉤（共12只）；系列四為C80HPC 接縫，鋼筋帶180°彎鉤（共12 只）；系列五為對比試件系列（共10 只）。橋面板鋼筋采用直徑20 mm 的HRB400 鋼筋，鋼筋外露長度（錨固長度）為濕接縫寬度S1 減30 mm，鋼筋搭接長度S2 為濕接縫寬度減60 mm，見圖1。插銷鋼筋采用4 根直徑16 mm 的HRB400 鋼筋。UHPC 28 d 壓強度不小于120 MPa，試驗方法標準采用《活性粉末混凝土》（GB/T 31387—2015）。

圖1 試件構造鋼筋示意圖（單位：mm）

表1 試件參數

6 試驗加載裝置

試驗采用千斤頂分級頂升加載，加載系統(tǒng)見圖2。試件下側牛腿通過鋼橫梁和精軋螺紋鋼錨固于地槽中。兩相同規(guī)格的千斤頂通過同一個油泵輸出油壓，保證其力相等。

圖2 加載系統(tǒng)

7 試驗結果與分析

7.1 試驗結果

為了盡可能全面地分析試驗結果，選取了對研究接縫試件靜力性能很重要的兩個參數：接縫開裂時的開裂荷載和試件最后破壞時的破壞荷載。由于界面材料不均勻、強度較弱，開裂荷載反映了接縫界面的開裂特性。達到破壞荷載時，接縫的破壞特征反映了鋼筋錨固性能和接縫受力性能。

試驗結果，見表2。

表2 試驗結果

7.2 結果分析

（1）所有試件接縫界面首先開裂并貫穿。C80SFRC接縫開裂荷載較大，試件開裂時截面平均應力與C60NC 抗拉標準強度之比約為32.8%。UHPC 接縫開裂荷載較小，試件開裂時截面平均應力與C60NC抗拉標準強度之比約為26.5%。C80HPC 接縫開裂荷載較大，試件開裂時截面平均應力與C60NC 抗拉標準強度之比約為49%。

（2）NC-J1 試件在破壞時鋼筋拉斷，驗證了其承載力能夠滿足工程需求，但其接縫寬度500 mm，現澆體量較大，且鋼筋需要焊接，工藝繁雜。

（3）工字型接縫能夠明顯提高接縫的抗裂性。

（4）對于采用C80HPC 材料的接縫，插銷鋼筋能夠顯著提升試件的承載力和延性。無插銷鋼筋時接縫最終破壞呈波浪形（兩側相鄰U 型鋼筋圓端頭連線）拉開，有插銷鋼筋時接縫破壞為混凝土整體碎裂，無插銷鋼筋接縫的破環(huán)荷載為有插銷鋼筋接縫的55%左右。根據無插銷鋼筋接縫對比試件試驗結果，建議不同鋼筋形式的接縫均設置插銷鋼筋（即核心混凝土加強鋼筋）。

（5）接縫使用C80SFRC 材料時，180°彎鉤試件的承載力略大于U 型鋼筋試件。這可能是由于兩個180°彎鉤形成的U 型環(huán)橫向套箍作用更大，增大了核心混凝土的抗剪切能力。

（6）接縫采用C60NC 材料，即28 cm C60NC 接縫+U 型環(huán)鋼筋（NC-J2）時，同樣能夠使鋼筋屈服，但鋼筋屈服后，強度增長相對于其他材料接縫略小些。與之相比，180°彎鉤+C80HPC 的組合能夠較大提高接縫的承載力。

（7）使用UHPC 接縫材料的情況下，直鋼筋構造的承載力＜90°彎鉤構造的承載力＜螺帽直鋼筋構造的承載力＜U 型鋼筋構造的承載力。

（8）采用C80SFRC 材料的情況下，螺帽直鋼筋構造的承載力小于180°彎鉤鋼筋構造的承載力。

（9）在C80HPC 中加入鋼纖維的SFRC 能夠提高此類接縫構造的承載力。

（10）在使用UHPC 材料的情況下，相比直鋼筋構造，采用90°彎鉤鋼筋能夠提升試件的承載力。

（11）鋼筋縱向布置對接縫承載力的影響。系列一C80SFRC 接縫，鋼筋正位布置（10 cm+10 cm）試件的承載力比偏位布置（15 cm+5 cm）更大，平均大13%。系列三UHPC 接縫，鋼筋正位布置試件的承載力比偏位布置略大，平均大5%。系列四C80HPC 接縫，鋼筋正位布置與偏位布置的承載力沒有顯現出明顯相關趨勢。根據試驗結果，實際工程中，鋼筋縱向按正位布置。

8 濕接縫系列化設計參數建議

根據試驗結果，并考慮施工因素，對橋面板鋼筋（HRB400）直徑d=20 mm 的濕接縫設計參數建議如下:

（1）對于系列一鋼筋帶180°彎鉤的C80SFRC 試件，接縫的承載力與鋼筋搭接長度呈正相關，同時正位布置試件的承載力比偏位布置更大，建議此類型構造接縫寬度不小于300 mm（12.5d+50 mm），鋼筋搭接長度不小于250 mm（12.5d）。根據系列五對比試件5 的結果，采用C80SFRC 材料的U 型鋼筋接縫構造的接縫寬度同樣建議不小于300 mm（12.5d+50 mm），鋼筋搭接長度不小于250 mm（12.5d）；對比試件9，即采用C80SFRC 材料的鋼筋+螺帽接縫構造，接縫寬度也建議不小于300 mm（12.5d+50 mm），鋼筋搭接長度不小于250 mm（12.5d）。

（2）對于系列二鋼筋帶90°彎鉤的UHPC 試件，接縫的承載力與鋼筋搭接長度也呈正相關，同時正位布置試件的承載力也比偏位布置略大。建議此類型構造的接縫寬度不小于250 mm（10d+50 mm）、鋼筋搭接長度不小于200 mm（10d）。

（3）對于系列三鋼筋無彎鉤的UHPC 試件，接縫承載力與鋼筋搭接長度同樣也呈正相關，同時正位布置的試件承載力同樣比偏位布置略大。建議此類型構造的接縫寬度不小于250 mm（10d+50 mm），鋼筋搭接長度不小于200 mm（10d）。根據系列五對比試件8 結果，采用UHPC 材料的U 型鋼筋接縫構造的接縫寬度建議不小于200 mm（7.5d+50 mm），鋼筋搭接長度不小于150 mm（7.5d）；對比試件10，即采用UHPC 材料的鋼筋+ 螺帽接縫構造，接縫寬度也建議不小于200 mm（7.5d+50 mm），鋼筋搭接長度不小于150 mm（7.5d）。

（4）對于系列四鋼筋帶180°彎鉤的C80HPC 試件，接縫的承載力與鋼筋搭接長度一樣呈正相關，接縫的承載力與鋼筋縱向布置無明顯相關性。建議此類型構造接縫寬度不小于300 mm（12.5d+50 mm），鋼筋搭接長度不小于250 mm（12.5d）。根據系列五對比試件6 結果，采用C80HPC 材料的U 型鋼筋接縫構造的接縫寬度建議不小于300 mm（12.5d+50 mm），鋼筋搭接長度不小于250 mm（12.5d）。

（5）根據系列五對比試件7 結果，采用C60NC、U 型鋼筋構造的接縫也能夠滿足屈服條件，相比其他材料混凝土，建議接縫寬度大于300 mm（12.5d+50 mm）、鋼筋搭接長度大于250 mm（12.5d）。

9 結 語

通過濕接縫軸拉試驗研究了不同縫寬、鋼筋.式、接縫材料組合下橋面板濕接縫的性能，探明了不同澆筑材料中不同形狀鋼筋的錨固性能，揭示了接縫破壞特征，為理論計算方法提供了試驗數據，并提出了系列化設計參數，為設計提供參考，保證了濕接縫的安全性和耐久性，促進了橋梁預制拼裝技術的發(fā)展。