節段預制拼裝超高性能混凝土梁彎曲試驗

毛佳豪 李立峰，2 房宇超

1.湖南大學土木工程學院，長沙 410082；2.風工程與橋梁工程湖南省重點實驗室，長沙 410082

節段預制拼裝橋梁（簡稱節段梁）具有施工周期短、質量高等優點，在國外已有大量應用［1］。為進一步縮短工期，多采用體外預應力筋和膠接縫節段梁的形式［2-3］。普通混凝土（Normal Concrete，NC）節段梁有自重大、耐久性差等問題，從而限制了其發展。超高性能混凝土（Ultra?high Performance Concrete，UHPC）是一種新型水泥基復合材料，具有超高強度、超高耐久性等優點［4］。用UHPC 代替NC，可將構件設計得更輕?。?］，自重得以減輕，耐久性得以改善。文獻［6］發現在受壓區配置箍筋可有效提高節段梁的延性。文獻［7］發現將受壓區NC 替換為高性能混凝土可改善節段梁的抗彎性能。文獻［8］基于經驗統計的方法提出了節段梁體外預應力極限應力和有效高度的計算方法。文獻［9］基于結構變形的方法推導了節段梁抗彎承載力的計算公式。然而，對UHPC 節段梁僅有少量研究，文獻［10］發現接縫鍵齒構造對抗彎承載力有一定影響。關于體外預應力UHPC 節段梁，國內外尚未有學者進行試驗研究。

本文提出體外預應力UHPC 節段梁，通過3 根體外預應力UHPC梁的模型試驗研究此類新型橋梁的彎曲性能，并驗證其可行性。

1 試驗模型

共設計制作了3 根體外預應力UHPC 簡支梁，分別為1 根整體梁和2 根節段梁。試驗梁參數見表1，各試驗梁幾何尺寸相同。

表1 試驗梁參數

以B?2 為例（圖1），試驗梁全長4.0 m，計算跨徑為3.84 m，采用高0.4 m 的T 形截面。梁頂和梁底分別布置2根預應力筋，梁頂為體內無黏結預應力筋，梁底為體外預應力筋，且布置2 個預應力筋轉向塊。截面底部配置1 根直徑14 mm 縱筋，其余均為直徑6 mm構造配筋。將節段梁的各接縫命名為J1—J4。

圖1 試驗梁構造（單位：mm）

UHPC 為預混料，其中摻有體積分數2.5%的鍍銅鋼纖維。測得其彈性模量和軸心抗壓強度分別為51 153、162 MPa。每束預應力筋采用1 根公稱直徑15.2 mm 的1860 級鋼絞線。名義屈服應力定義為預應力筋本構關系中殘余應變為0.2%時對應的應力，測得鋼絞線名義屈服應力為1 701 MPa。

試驗梁在鋼模板中澆筑，其中節段梁采用長線法制作。澆筑后對試驗梁進行高溫蒸汽養護，然后在節段梁接縫界面均勻涂滿環氧樹脂，對各梁段施加預壓應力。待環氧樹脂膠硬化后，分階段張拉預應力筋。在實驗室中靜置，等待加載。

2 試驗過程

對試驗梁進行四點彎曲試驗，加載現場布置如圖2 所示。通過手搖式千斤頂加載，在千斤頂上方和預應力筋錨固端布置壓力傳感器，分別記錄荷載和預應力。通過線性位移傳感器記錄試驗梁的撓度，共布置5個，分別位于2個支座、跨中、J2和J3的位置。

圖2 四點彎曲加載布置（單位：mm）

加載前期為荷載控制，以10 ～ 20 kN 為一個荷載步，后期試驗梁剛度下降明顯，改為位移控制加載，以2～5 mm為一個荷載步。待每級荷載穩定后記錄試驗數據。所有試驗梁達到荷載峰值時，預應力筋應力接近1 800 MPa。出于安全考慮，未加載至預應力筋斷裂。當荷載下降后，繼續加載2 ～ 4 個荷載步即停止試驗。

3 試驗結果與分析

3.1 荷載-撓度曲線

荷載-最大撓度曲線見圖3?？芍珹?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，且最大撓度出現在J3位置。

圖3 荷載-最大撓度曲線

結合圖3及試驗現象發現試驗梁在加載全過程中具有如下特點：

1）加載初期所有試驗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%。澆筑和拼裝時的制作誤差導致B?2 剛度較低，屬于偶然因素。因此，可認為正常情況下，由于環氧樹脂膠將節段梁的各梁段粘接為一個整體，節段梁和整體梁在彈性階段內的抗彎剛度非常接近，在此階段可將節段梁視為整體梁。

2）整體梁初期開裂表現為大量細小裂縫，此時剛度沒有明顯下降。當UHPC 基體開裂后，鋼纖維仍能在裂縫界面傳遞拉力，故出現大量細小裂縫，且剛度下降較小。整體梁后期開裂表現為出現數條主裂縫，此時鋼纖維從UHPC 基體中被拔出，故剛度開始迅速下降。最終，當預應力筋應力超過名義屈服應力后，荷載幾乎不再增加，甚至開始緩慢下降。

3）節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展至頂板，預應力筋應力達到名義屈服應力，荷載開始緩慢下降，與整體梁后期表現相似。

試驗梁破壞模式均為頂部UHPC 壓潰，底部預應力筋屈服。B?2試件極限狀態見圖4。

圖4 B?2試件極限狀態

3.2 裂縫分布

當荷載為170 kN 時，整體梁A?1 的跨中和轉向塊附近首次出現2 條正截面裂縫。當荷載繼續增加，純彎段內不斷出現新裂縫，且裂縫寬度隨荷載緩慢增加。直到荷載超過210 kN 后，幾乎不再出現新裂縫，但已有裂縫的寬度仍在增加。當荷載達到240 kN 時，轉向塊附近的彎剪段出現數條斜裂縫。同時，純彎段出現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，在極限狀態下，最大裂縫寬度達到15 mm。

B?1 和B?2 分別于荷載為170 kN 和155 kN 時，在接縫附近首次出現局部裂縫，與A?1 首先出現正截面裂縫的類型有所不同。荷載繼續增加，B?1和B?2幾乎沒有出現正截面裂縫，而在J2和J3附近不斷出現局部裂縫，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。

試驗梁的裂縫分布見圖5。對于整體梁，紅色裂縫表示主裂縫；對于節段梁，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?？梢姽澏瘟旱牧芽p數量明顯少于整體梁。

圖5 試驗梁的裂縫分布

3.3 荷載-預應力曲線

荷載-預應力筋應力曲線見圖6?？芍孩僬w梁梁底筋的荷載-應力關系呈三段線性關系，第1個拐點對應開裂荷載，第2 個拐點對應出現主裂縫的荷載。而節段梁呈兩段線性關系，拐點對應接縫張開時的荷載。②從開始加載至破壞，各試驗梁梁頂筋的應力呈減小趨勢，但變化幅度較小。梁底筋的應力有顯著增加，增長幅度超過700 MPa。

圖6 荷載-預應力筋應力曲線

JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》在計算極限狀態下的抗彎承載力時，忽略體外預應力筋的應力增量。對于體外預應力UHPC 梁，試驗測得預應力筋應力增量超過700 MPa，若依據規范則計算結果可能過于保守。在計算此類橋梁的極限抗彎承載能力時，可適當考慮體外預應力筋的應力增量，其具體取值須依靠更多的模型試驗和理論推導。

4 結論

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

2）在接縫張開后UHPC 節段梁的剛度迅速下降，應盡量避免出現接縫張開。

3）極限狀態下，體外預應力UHPC 梁的梁底預應力筋應力增量超過700 MPa。在計算極限抗彎承載能力時可以適當考慮梁底體外預應力筋的應力增量。