節(jié)段預(yù)制拼裝超高性能混凝土梁彎曲試驗(yàn)

毛佳豪 李立峰，2 房宇超

1.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410082；2.風(fēng)工程與橋梁工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙 410082

節(jié)段預(yù)制拼裝橋梁（簡(jiǎn)稱節(jié)段梁）具有施工周期短、質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)外已有大量應(yīng)用［1］。為進(jìn)一步縮短工期，多采用體外預(yù)應(yīng)力筋和膠接縫節(jié)段梁的形式［2-3］。普通混凝土（Normal Concrete，NC）節(jié)段梁有自重大、耐久性差等問題，從而限制了其發(fā)展。超高性能混凝土（Ultra?high Performance Concrete，UHPC）是一種新型水泥基復(fù)合材料，具有超高強(qiáng)度、超高耐久性等優(yōu)點(diǎn)［4］。用UHPC 代替NC，可將構(gòu)件設(shè)計(jì)得更輕薄［5］，自重得以減輕，耐久性得以改善。文獻(xiàn)［6］發(fā)現(xiàn)在受壓區(qū)配置箍筋可有效提高節(jié)段梁的延性。文獻(xiàn)［7］發(fā)現(xiàn)將受壓區(qū)NC 替換為高性能混凝土可改善節(jié)段梁的抗彎性能。文獻(xiàn)［8］基于經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的方法提出了節(jié)段梁體外預(yù)應(yīng)力極限應(yīng)力和有效高度的計(jì)算方法。文獻(xiàn)［9］基于結(jié)構(gòu)變形的方法推導(dǎo)了節(jié)段梁抗彎承載力的計(jì)算公式。然而，對(duì)UHPC 節(jié)段梁僅有少量研究，文獻(xiàn)［10］發(fā)現(xiàn)接縫鍵齒構(gòu)造對(duì)抗彎承載力有一定影響。關(guān)于體外預(yù)應(yīng)力UHPC 節(jié)段梁，國(guó)內(nèi)外尚未有學(xué)者進(jìn)行試驗(yàn)研究。

本文提出體外預(yù)應(yīng)力UHPC 節(jié)段梁，通過3 根體外預(yù)應(yīng)力UHPC梁的模型試驗(yàn)研究此類新型橋梁的彎曲性能，并驗(yàn)證其可行性。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

共設(shè)計(jì)制作了3 根體外預(yù)應(yīng)力UHPC 簡(jiǎn)支梁，分別為1 根整體梁和2 根節(jié)段梁。試驗(yàn)梁參數(shù)見表1，各試驗(yàn)梁幾何尺寸相同。

表1 試驗(yàn)梁參數(shù)

以B?2 為例（圖1），試驗(yàn)梁全長(zhǎng)4.0 m，計(jì)算跨徑為3.84 m，采用高0.4 m 的T 形截面。梁頂和梁底分別布置2根預(yù)應(yīng)力筋，梁頂為體內(nèi)無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，梁底為體外預(yù)應(yīng)力筋，且布置2 個(gè)預(yù)應(yīng)力筋轉(zhuǎn)向塊。截面底部配置1 根直徑14 mm 縱筋，其余均為直徑6 mm構(gòu)造配筋。將節(jié)段梁的各接縫命名為J1—J4。

圖1 試驗(yàn)梁構(gòu)造（單位：mm）

UHPC 為預(yù)混料，其中摻有體積分?jǐn)?shù)2.5%的鍍銅鋼纖維。測(cè)得其彈性模量和軸心抗壓強(qiáng)度分別為51 153、162 MPa。每束預(yù)應(yīng)力筋采用1 根公稱直徑15.2 mm 的1860 級(jí)鋼絞線。名義屈服應(yīng)力定義為預(yù)應(yīng)力筋本構(gòu)關(guān)系中殘余應(yīng)變?yōu)?.2%時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，測(cè)得鋼絞線名義屈服應(yīng)力為1 701 MPa。

試驗(yàn)梁在鋼模板中澆筑，其中節(jié)段梁采用長(zhǎng)線法制作。澆筑后對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)，然后在節(jié)段梁接縫界面均勻涂滿環(huán)氧樹脂，對(duì)各梁段施加預(yù)壓應(yīng)力。待環(huán)氧樹脂膠硬化后，分階段張拉預(yù)應(yīng)力筋。在實(shí)驗(yàn)室中靜置，等待加載。

2 試驗(yàn)過程

對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，加載現(xiàn)場(chǎng)布置如圖2 所示。通過手搖式千斤頂加載，在千斤頂上方和預(yù)應(yīng)力筋錨固端布置壓力傳感器，分別記錄荷載和預(yù)應(yīng)力。通過線性位移傳感器記錄試驗(yàn)梁的撓度，共布置5個(gè)，分別位于2個(gè)支座、跨中、J2和J3的位置。

圖2 四點(diǎn)彎曲加載布置（單位：mm）

加載前期為荷載控制，以10 ～ 20 kN 為一個(gè)荷載步，后期試驗(yàn)梁剛度下降明顯，改為位移控制加載，以2～5 mm為一個(gè)荷載步。待每級(jí)荷載穩(wěn)定后記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。所有試驗(yàn)梁達(dá)到荷載峰值時(shí)，預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力接近1 800 MPa。出于安全考慮，未加載至預(yù)應(yīng)力筋斷裂。當(dāng)荷載下降后，繼續(xù)加載2 ～ 4 個(gè)荷載步即停止試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 荷載-撓度曲線

荷載-最大撓度曲線見圖3。可知，A?1、B?1和B?2的極限荷載分別為326.9、288.0、270.0 kN，B?1 和B?2的極限荷載比A?1分別低11.9%和17.4%。B?1和B?2的最大撓度均大于A?1，且最大撓度出現(xiàn)在J3位置。

圖3 荷載-最大撓度曲線

結(jié)合圖3及試驗(yàn)現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)梁在加載全過程中具有如下特點(diǎn)：

1）加載初期所有試驗(yàn)梁均處于線彈性階段。A?1、B?1 和B?2 的抗彎剛度分別為29 244、28 279、22 941 kN·m2，B?1 和B?2 分別為A?1 的97%和79%。澆筑和拼裝時(shí)的制作誤差導(dǎo)致B?2 剛度較低，屬于偶然因素。因此，可認(rèn)為正常情況下，由于環(huán)氧樹脂膠將節(jié)段梁的各梁段粘接為一個(gè)整體，節(jié)段梁和整體梁在彈性階段內(nèi)的抗彎剛度非常接近，在此階段可將節(jié)段梁視為整體梁。

2）整體梁初期開裂表現(xiàn)為大量細(xì)小裂縫，此時(shí)剛度沒有明顯下降。當(dāng)UHPC 基體開裂后，鋼纖維仍能在裂縫界面?zhèn)鬟f拉力，故出現(xiàn)大量細(xì)小裂縫，且剛度下降較小。整體梁后期開裂表現(xiàn)為出現(xiàn)數(shù)條主裂縫，此時(shí)鋼纖維從UHPC 基體中被拔出，故剛度開始迅速下降。最終，當(dāng)預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力超過名義屈服應(yīng)力后，荷載幾乎不再增加，甚至開始緩慢下降。

3）節(jié)段梁接縫張開后剛度立刻下降，但荷載和撓度仍呈線性變化。直至接縫張開高度發(fā)展至頂板，預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力達(dá)到名義屈服應(yīng)力，荷載開始緩慢下降，與整體梁后期表現(xiàn)相似。

試驗(yàn)梁破壞模式均為頂部UHPC 壓潰，底部預(yù)應(yīng)力筋屈服。B?2試件極限狀態(tài)見圖4。

圖4 B?2試件極限狀態(tài)

3.2 裂縫分布

當(dāng)荷載為170 kN 時(shí)，整體梁A?1 的跨中和轉(zhuǎn)向塊附近首次出現(xiàn)2 條正截面裂縫。當(dāng)荷載繼續(xù)增加，純彎段內(nèi)不斷出現(xiàn)新裂縫，且裂縫寬度隨荷載緩慢增加。直到荷載超過210 kN 后，幾乎不再出現(xiàn)新裂縫，但已有裂縫的寬度仍在增加。當(dāng)荷載達(dá)到240 kN 時(shí)，轉(zhuǎn)向塊附近的彎剪段出現(xiàn)數(shù)條斜裂縫。同時(shí)，純彎段出現(xiàn)4條主裂縫，且寬度迅速增加，其他裂縫的寬度幾乎不再變化，甚至略有減小。最終，在極限狀態(tài)下，最大裂縫寬度達(dá)到15 mm。

B?1 和B?2 分別于荷載為170 kN 和155 kN 時(shí)，在接縫附近首次出現(xiàn)局部裂縫，與A?1 首先出現(xiàn)正截面裂縫的類型有所不同。荷載繼續(xù)增加，B?1和B?2幾乎沒有出現(xiàn)正截面裂縫，而在J2和J3附近不斷出現(xiàn)局部裂縫，且接縫張開寬度和高度不斷增加，最終接縫張開寬度超過35 mm。

試驗(yàn)梁的裂縫分布見圖5。對(duì)于整體梁，紅色裂縫表示主裂縫；對(duì)于節(jié)段梁，紅色接縫與黑色接縫分別表示加載過程中接縫張開與未張開。可見節(jié)段梁的裂縫數(shù)量明顯少于整體梁。

圖5 試驗(yàn)梁的裂縫分布

3.3 荷載-預(yù)應(yīng)力曲線

荷載-預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力曲線見圖6。可知：①整體梁梁底筋的荷載-應(yīng)力關(guān)系呈三段線性關(guān)系，第1個(gè)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)開裂荷載，第2 個(gè)拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)出現(xiàn)主裂縫的荷載。而節(jié)段梁呈兩段線性關(guān)系，拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)接縫張開時(shí)的荷載。②從開始加載至破壞，各試驗(yàn)梁梁頂筋的應(yīng)力呈減小趨勢(shì)，但變化幅度較小。梁底筋的應(yīng)力有顯著增加，增長(zhǎng)幅度超過700 MPa。

圖6 荷載-預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力曲線

JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》在計(jì)算極限狀態(tài)下的抗彎承載力時(shí)，忽略體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量。對(duì)于體外預(yù)應(yīng)力UHPC 梁，試驗(yàn)測(cè)得預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量超過700 MPa，若依據(jù)規(guī)范則計(jì)算結(jié)果可能過于保守。在計(jì)算此類橋梁的極限抗彎承載能力時(shí)，可適當(dāng)考慮體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量，其具體取值須依靠更多的模型試驗(yàn)和理論推導(dǎo)。

4 結(jié)論

1）在接縫張開前，膠接縫UHPC 節(jié)段梁的抗彎剛度和整體梁非常接近，在此階段可將節(jié)段梁視為整體梁考慮。

2）在接縫張開后UHPC 節(jié)段梁的剛度迅速下降，應(yīng)盡量避免出現(xiàn)接縫張開。

3）極限狀態(tài)下，體外預(yù)應(yīng)力UHPC 梁的梁底預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力增量超過700 MPa。在計(jì)算極限抗彎承載能力時(shí)可以適當(dāng)考慮梁底體外預(yù)應(yīng)力筋的應(yīng)力增量。