基于UHPC 和CFRP 筋的橋面板濕接縫連接構造及試驗分析

■艾四芽 胡夢涵 陳 榕 劉佑偉 鄭志東 林萬福 劉曉光

（1.福建省交通科技發展集團有限責任公司，福州 350026；2.北京建筑大學，北京 102616；3.福建承昌建設工程有限公司，廈門 361022；4.廈門市政集團有限公司，廈門 361008；5.福州市交通建設集團有限公司，福州 350028；6.福建路港（集團） 有限公司，泉州 362000；7.福建省二建建設集團有限公司，福州 350003））

加快推進高性能、綠色、可持續性橋梁工程建設是提升我國橋梁高效建設與安全運營的重要途徑。 預制裝配式橋梁具有環境友好，資源節約，減少城市交通擁堵，降低建造環境依賴性，提高橋梁安全性和耐久性等特點。 特別是對于西部地區橋梁工程和跨海長大橋梁工程，其高寒的氣候條件、有限的施工平臺使預制裝配式橋梁建造技術受到建筑業主及政府人員的廣泛關注。 目前針對預制裝配式橋梁建造技術的研究與應用多集中于下部墩柱結構[1]，主要研究承臺/蓋梁與橋墩的有效快速連接[2]。實際工程中上部橋面板結構多采用現澆技術，造成施工現場澆筑工作量大，施工條件受天氣環境影響嚴重。 為了最大程度加快施工速度，實現橋梁一體化裝配，近年來預制拼裝橋面板在橋梁快速建造工程與舊橋改造工程中的應用逐步擴大。 接縫作為預制拼裝橋面板連接的主要部位，其施工速度決定了預制拼裝橋面板的建造速度；橋面板接縫在車輛荷載作用下承受彎、剪、疲勞等共同作用，極易出現裂縫，造成橋面板接縫內鋼筋發生銹蝕，使承載力以及剛度顯著下降，橋梁使用壽命極大降低。 因此橋梁服役過程中，預制拼裝式橋面板接縫作為極易出現病害的部位，很大程度決定了橋面板使用性能與壽命[3-4]。 現階段，國內外工程中采用的橋面板接縫形式有干接縫[5]與濕接縫[6]。 干接縫不需要現場澆筑，但是對預制構件的精度要求很高；濕接縫則現場澆筑量小，整體性能好，因此是預制拼裝式橋面板普遍采用的接縫形式。 本文針對常見濕接縫（包括焊接鋼板濕接縫和預埋普通鋼筋濕接縫）、 預應力濕接縫、 高性能材料濕接縫及其性能進行分析。綜合各種濕接縫性能的優劣和高性能材料的優越力學性能， 提出一種新型裝配式橋面結構連接技術，旨在實現預制拼裝橋面板的快速建造以及使用過程中受損橋面板的方便更換，以提高其受力性能和經濟性。

1 常見濕接縫及其性能

1.1 焊接鋼板濕接縫

焊接鋼板濕接縫是在預制橋面板兩側間隔一定距離設置預埋鋼板，現場施工時，將預埋鋼板進行焊接，最后在預留孔澆筑灌漿料。 焊接鋼板濕接縫預留后澆帶寬度小， 因此具有現場現澆量小、施工便捷、受施工環境影響較小等優點。 Culmo[7]提出常見的2 種焊接鋼板濕接縫的形式，形式一是通過鋼板將兩側角鋼焊接；形式二是通過連接鋼棒焊接兩側預埋鋼板。針對形式一，Stanton 等[8]對6 個焊接鋼板濕接縫進行試驗，并對構造參數進行研究。 針對形式二的2 種焊接鋼板濕接縫形式（焊接鋼板與栓釘錨固以及焊接鋼板與鋼筋錨固），Porter 等[9]進行了剪切以及彎曲試驗研究（圖1），研究發現：焊接鋼板與鋼筋錨固的連接形式具有較高的抗剪以及抗彎承載力； 焊接鋼板與栓釘錨固的抗剪能力優良，但是抗彎能力較弱，其最終破壞形態表現為栓釘拔出破壞[9]。 Julander[10]對形式二的2 種濕接縫形式進行數值模擬的結果與試驗結果吻合良好，也為焊接鋼板濕接縫的精細化數值模擬方法提供了參考。 此外，由于焊接鋼板濕接縫抗彎承載力較低，當預埋鋼板間間距過大時極易出現受彎裂縫，從而造成濕接縫開裂甚至發生滲水等問題[11]，因此焊接鋼板濕接縫現多應用于小車流量的橋梁。

圖1 焊接鋼板濕接縫的2 種錨固方式

1.2 預埋普通鋼筋濕接縫

預埋普通鋼筋濕接縫能夠實現接縫處鋼筋與混凝土良好的錨固性能，減少接縫處長度從而降低現場澆筑量，是目前工程上應用較廣泛的接縫構造形式。 根據預埋普通鋼筋不同的構造形式將預埋普通鋼筋濕接縫分為環形鋼筋濕接縫和帶端頭鋼筋濕接縫（圖2）。

圖2 普通鋼筋濕接縫

1.2.1 環形鋼筋濕接縫

環形鋼筋濕接縫是相鄰預制混凝土構件端部環形鋼筋在接縫處交錯布置， 具有一定重疊長度。此種濕接縫構造簡單， 現場不需要綁扎焊接工作，提高施工速度。 Ryu 等[12]通過彎曲靜載與疲勞荷載試驗，研究不同鋼筋直徑與濕接縫寬度對環形鋼筋濕接縫剛度與強度的影響，試驗研究表明：環形鋼筋的直徑在13～19 mm，濕接縫寬度在250～350 mm時，接縫處的極限承載力和延性能夠等同現澆；當接縫處寬度不足時，接縫剛度與強度發生降低。Ma等[13]對環形鋼筋進行彎曲靜載試驗，研究表明：采用彎曲直徑為3 倍連接鋼筋直徑的環形鋼筋可以實現接縫處良好連接；環形濕接縫破壞模式均為延性破壞，抗彎承載力高；影響抗彎承載力的因素主要有混凝土強度與鋼筋搭接長度。Ma 等[14]提出拉壓桿理論分析模型對其抗拉承載力進行預測。 Zhu 等[15]對環形鋼筋濕接縫進行疲勞拉伸試驗， 研究表明：環形鋼筋濕接縫裂縫寬度隨著施加荷載增大而增大；隨著疲勞次數增加，對微應變影響不大。He 等[16]通過環形鋼筋濕接縫試驗研究，提出拉壓桿分析模型來預測濕接縫的抗彎以及抗拉承載力，并對環形鋼筋濕接縫的鋼筋間距、搭接長度和灌漿料強度等提出設計建議。 環形鋼筋在預制構件兩端伸出鋼筋長度比較長，會導致運輸困難和吊裝就位過程難度大，且在使用過程中接縫處易開裂，造成滲水現象。

1.2.2 帶端頭鋼筋濕接縫

帶端頭鋼筋濕接縫是在構件端部鋼筋末端增加錨固板以提高濕接縫鋼筋的錨固性能。 Li 等[11]通過試驗發現帶端頭鋼筋濕接縫具有良好的傳力途徑， 抗彎性能的影響因素為搭接長度與鋼筋間距，并通過彎曲疲勞試驗證明該種濕接縫具有良好的抗疲勞性能[17]。 Li 等[18]將帶端頭鋼筋濕接縫的受力機理簡化成拉壓桿模型，提出帶端頭鋼筋濕接縫的抗拉和抗彎承載力的計算公式。

2 預應力濕接縫

2.1 全長或全寬預應力筋濕接縫

沿全長預應力濕接縫分為沿順橋向和沿橫橋向張拉預應力。 為實現預應力管道的對接，沿全長或者全寬施加預應力濕接縫對橋面板的施工精度要求較高。 值得注意的是，接縫位置的滲水問題會使錨固裝置產生銹蝕[7]；沿全長或者全寬施加預應力會造成后期不易局部更換橋面板，且顯著提高材料以及施工成本。

2.2 局部預應力筋濕接縫

局部預應力筋濕接縫是僅在濕接縫附近范圍內施加預應力，即將預應力筋管道做成曲線型且錨固裝置設置于橋面板上部便于局部預應力筋張拉（圖3）。此種新型接縫形式不僅具有節省材料成本、施工便利的優點，而且可以實現后期局部更換受損橋面板。Porter 等[6]通過彎曲靜載試驗對錨固區間距為610 mm 與914 mm 的局部預應力筋濕接縫進行研究，試驗結果發現，錨固區間距大的開裂彎矩和抗彎承載力大。 Roberts[19]通過負彎矩靜載試驗發現錨固區間距為914 mm 的局部預應力筋濕接縫抗彎承載力比全長預應力筋濕接縫略小，但是能夠滿足設計使用要求； 通過抗剪試驗發現錨固區間距為914 mm 的局部預應力濕接縫受剪破壞時，失效模式不理想：錨固板被拉入混凝土中，錨固區域受損，可以通過增大錨固區間距解決。 Wells 等[20]進行1829 mm 局部預應力筋濕接縫抗彎和抗剪試驗，結果發現：錨固區間距為1829 mm 的局部預應力濕接縫大于全長預應力筋濕接縫正（負）彎矩承載力，抗剪剛度大于AASHTO LFRD 規范計算的抗剪剛度且抗剪失效模式理想。 綜上所述，局部預應力筋濕接縫具有明顯的力學性能與耐久性優勢，后期可開展局部預應力筋濕接縫與其他連接形式結合的連接方式的研究，進一步降低接縫處預應力筋使用量并增強其力學性能。

圖3 局部預應力筋濕接縫

3 高性能材料濕接縫及其性能

3.1 超高性能混凝土（UHPC）在濕接縫中的應用

由于超高性能混凝土（UHPC）具有高強度、高延性、高耐久性與高環保的特點，逐漸應用于橋梁濕接縫中，其可以減小濕接縫寬度，簡化濕接縫構造，提高接縫處的耐久性能。 Hussein 等[21]研究發現UHPC 濕接縫與其他灌漿料接縫相比， 擁有更高的剪切承載力。 Graybeal 等[22]通過靜載和疲勞試驗發現，UHPC 濕接縫無論作為橫縫還是縱縫均表現出良好的性能，能夠滿足甚至超過使用傳統灌漿料的橋 面 板 接 縫 性 能。 Hartwell 等[23]及Kolisko 等[24]對UHPC 濕接縫進行負彎矩試驗， 發現UHPC 作為濕接縫不僅可以節約原材料，簡化接縫處構造，且具有良好的力學性能，并提出相應設計方法以及施工建議。 國外已有UHPC 濕接縫在橋面板的實際應用，例如：美國紐約23 號公路橋與31 號公路橋[25]；加拿大Rainy Lake Bridge 與Wabigoon River Bridge[26]。然而針對UHPC 濕接縫的應用以及設計方法還缺乏深入研究。

3.2 FRP 筋在濕接縫中的應用

FRP 筋是近年來興起的一種高性能材料，具有高耐腐蝕性和抗拉強度。 橋面板在車輛荷載作用下極易出現裂縫， 產生滲水現象造成橋面板鋼筋銹蝕，使橋面板延性以及承載力明顯降低。 因此很多學者提出將FRP 筋作為普通受力鋼筋和預應力筋使用，以提高預制拼裝橋面板的耐久性。 Arafa 等[27]將FRP 筋作為普通鋼筋，UHPC 作為接縫處灌漿料的橋面板進行負彎矩和剪力試驗，分析接縫的破壞模式， 發現該橋面板具有很好的連續性與整體性，并且接縫處具有充足的強度。 Weber 等[28]提出將CFRP 筋作為預應力筋用于全長張拉預應力筋濕接縫中，試驗發現：隨著初始預應力增大，各力學性能均有所增大；當初始預應力增大到一定程度，極限荷載趨于穩定。 目前，FRP 筋濕接縫形式已經在美國Beaver Creek Bridge 與猶他州6 號公路中得到應用[29]。

4 基于UHPC 和CFRP 筋的橋面板濕接縫連接構造與拼裝方案

4.1 新型裝配式橋面結構連接構造

由前文可知：（1）焊接栓釘濕接縫具有優越的抗剪性能；采用預應力筋連接可以有效提高橋面板抗裂性能、耐久性以及整體性；（2）沿全長布置預應力筋的連接方式存在后期不易局部更換受損橋面板，預應力筋成本高，經濟性難保證等問題；（3）局部張拉預應力筋連接方式抗剪性能不佳，剪切荷載作用下破壞模式為錨板被拉入混凝土中，錨固區域受損，裂縫就轉變為接縫的脫粘失效；相反，焊接預埋鋼板濕接縫的抗剪能力優良，但是抗彎能力較弱。因此，為了提出一種建造速度快、受力性能好、經濟性優越且使用過程中便于更換受損橋面板的連接方式，本文提出將預埋焊接栓釘優越抗剪性能與彎曲預應力筋濕接縫良好抗彎性能相結合，采用預埋焊接栓釘與彎曲預應力筋濕接縫組合的預制拼裝橋面板的連接方式（圖4）。 提出的接縫形式可使預制拼裝橋面板接縫具有優良抗彎和抗剪性能，同時可實現建造速度快、現場澆筑量小、成本低、力學性能良好，且長期使用中方便加固補強的目標，可以作為橫縫和縱縫用于鋼混組合梁橋等橋型。

圖4 預制拼裝橋面板接縫的構造

4.2 新型裝配式橋面結構拼裝流程

圖5 是基于UHPC 和CFRP 筋的橋面板濕接縫連接構造的拼裝流程。 （1）綁扎預制構件的鋼筋籠，并支模板，將預埋栓釘和預應力管道在模板中完成就位，澆筑普通混凝土；（2）預制構件的普通混凝土通過養護達到預期強度后，將2 塊預制混凝土橋面板進行拼裝就位；（3）采用鋼棒將預埋螺釘焊接在一起；（4）在預埋焊接栓釘濕接縫和預應力濕接縫的預留孔中澆筑UHPC，并采用濕布覆蓋，并在室溫中進行養護；（5）當UHPC 達到目標強度時，將CFRP 筋穿過預應力管道，用千斤頂進行張拉；（6）預應力管道中灌注普通強度的灌漿料， 完成基于UHPC 和CFRP 筋的橋面板拼裝。

圖5 新型裝配式橋面結構濕接縫拼裝流程

5 用于橋面板濕接縫的UHPC 和CFRP 筋力學性能分析

預制拼裝橋面板連接的構造形式及尺寸已經確定，為了最終確定預制拼裝橋面板的連接方式，還需要確定各個連接部分所使用的材料。 目前工程中后澆段常采用普通灌漿料， 預應力筋采用鋼絞線。 隨著材料加工以及機械制造工藝的提高，具有超高抗壓以及抗拉強度的UHPC 逐漸作為接縫處的后澆材料應用于預制拼裝結構中；此外具有超高強度的鋼筋以及耐腐蝕性強的CFRP 筋逐漸作為鋼筋以及預應力筋應用于實際橋梁工程中。 為了根據各個部件的受力特點選取合適的材料，最大程度的發揮所選材料優勢， 下面分別對CFRP 筋以及UHPC 的力學性能進行試驗研究。

5.1 CFRP 筋力學性能試驗

CFRP 筋具有優越的抗腐蝕以及抗拉能力，但是CFRP 筋的抗剪性能極差。 因此直接將CFRP 筋加持于試驗機的夾頭中會造成CFRP 筋受剪破壞。在CFRP 筋兩端制作粘結型錨具， 將鋼管與CFRP筋通過粘結劑固定；利用鋼管良好的抗剪性能彌補CFRP 筋抗剪能力的劣勢， 進而測得CFRP 筋的抗拉性能。 CFRP 筋粘結型錨具如圖6 所示。 在DN15鍍鋅管的兩端用封口封閉，上側鋼管兩端預留排氣孔，用注射器注射固結膠粘結鍍鋅管與CFRP 筋。

圖6 CFRP 筋錨具示意圖

為了確定錨具所用鍍鋅管的長度，設計3 種長度鍍鋅管的試件共6 個（L*=400、450、500 mm）。 3 種長度試件的破壞模式如圖7 所示。 可以看出：鍍鋅管長度為400 mm 和450 mm 時，鍍鋅管與CFRP筋之間發生明顯滑移現象，CFRP 筋破壞不明顯，說明鋼管與CFRP 筋之間并沒有充分粘結；當鍍鋅管長度為500 mm 時， 鋼管與CFRP 筋之間并沒有發生滑移現象，CFRP 筋呈現放射狀破壞形態。 因此，采用500 mm 鍍鋅管的CFRP 筋粘結型錨具可以實現鍍鋅管與CFRP 筋之間的粘結，驗證該種錨具的可行性。 采用上述提出的CFRP 筋粘結型錨具進行拉伸試驗，測量CFRP 筋的抗拉性能。 CFRP 筋的抗拉力學性能以及應力—應變曲線如表1 和圖8 所示。 可以看出CFRP 筋在拉伸荷載作用下應力—應變關系從加載到破壞呈線彈性。 極限抗拉強度達到2702 MPa，彈性模量為129.9 GPa。 CFRP 筋的極限抗拉強度遠大于普通強度鋼筋以及超高強鋼筋的抗拉強度，彈性模量相對于普通強度鋼筋和超高強鋼筋較小。

圖7 3 種長度錨具的CFRP 筋破壞模式

圖8 CFRP 筋應力—應變曲線

表1 CFRP 筋受拉性能

5.2 UHPC 力學性能試驗

本文采用的UHPC 由預拌料、 水和鋼纖維組成，不包含粗骨料。鋼纖維的直徑為0.2 mm，長度為16 mm。 水與預拌料的重量比以及鋼纖維與預拌料的質量比分別為0.092 和0.07。 按照廠家規定攪拌順序進行攪拌，采用強制式攪拌機確保鋼纖維均勻分布，在普通常溫條件下養護。

5.2.1 UHPC 的受壓性能

為了研究UHPC 的抗壓性能，按照規范進行抗壓試驗[30]。 分別在3、7、14 和28 d 后測試100 mm×100 mm×100 mm 立方體來確定UHPC 的抗壓強度（圖9）。 可以看出：UHPC 的平均抗壓強度在1～3 d增長迅速。第7 d 抗壓強度能夠達到28 d 抗壓強度的80%。 在28 d 時測得的UHPC 的極限立方體抗壓強度（fcu）和彈性模量分別為122.7 MPa 和54.3 GPa。因此，相較于普通強度混凝土，UHPC 具有優越的抗壓強度，并且抗壓強度早期增長快。

圖9 UHPC 立方體平均抗壓強度

5.2.2 UHPC 的受拉性能

UHPC 的拉伸性能在澆筑后28 d 時采用300 mm×75 mm×20 mm 的試樣進行測試 （圖10）。試件兩面均配有引伸計，上下自動引伸計之間的間距為100 mm，自動引伸計測量夾片標距間的變形量。加載速度為0.2 mm/min。 極限應變由應力下降到峰值應力的80%的應變確定。 試驗結果發現（表2）：UHPC 的平均拉伸峰值應力和峰值應變分別為9.46 MPa 和0.086%。 因此，由于鋼纖維的加入使得UHPC 具有優越的拉伸性能。

圖10 UHPC 拉伸應力—應變曲線

表2 UHPC 受拉性能

6 結語

本文針對新型裝配式橋面結構連接方式，對常見濕接縫、預應力濕接縫、高性能材料濕接縫的構造形式和力學性能進行分析。 此外，基于UHPC 和CFRP 力學性能試驗， 提出一種新型裝配式橋面結構連接技術。 得到如下主要結論：（1）焊接鋼板濕接縫抗剪性能優越，但抗彎性能較差；局部預應力濕接縫具有良好抗彎性能， 但抗剪破壞模式并不理想。 （2）CFRP 筋抗腐蝕性能好，適合用于預制拼裝橋面板易發生滲水的接縫位置；CFRP 筋抗拉強度達到2700 MPa，與普通強度與超高強度鋼筋相比，CFRP 筋具有超高抗拉性能。 因此，可以將CFRP 筋作為預應力筋使用，充分發揮CFRP 筋優越的拉伸性能與抗銹蝕能力。 （3）UHPC 具有優越的抗壓、抗拉性能，且具有明顯早強性。 UHPC 造價較高，將其作為接縫的灌漿料，充分發揮其優越的性能且最大限度降低使用量，使之經濟上具有競爭性，即實現接縫處力學性能與經濟性的兼顧。 （4）對于提出的新型裝配式橋面結構連接技術在彎矩、剪力和疲勞荷載作用下的力學性能，將通過模型試驗和實際工程在后續工作中進行深入研究。