裝配式橋梁結構中注漿波紋管的力學性能分析

2023-08-30 00:31:34彭冬成

企業科技與發展 2023年5期

摘要：裝配式橋梁結構因施工簡單、經濟、環保等特點而得到大力推廣。文章以某高速ZT6標段裝配式預應力混凝土箱梁橋工程為依托，研究不同設計參數下注漿波紋管的結構模式和節點的力學性能。通過調整孔徑比和材料性能2個設計參數進行室內力學試驗，研究結果表明：在金屬波紋管尺寸不變的情況下，孔徑比變小，試件的內部空間隨之變小，內部約束作用減弱，鋼筋的黏結性能變差；當孔徑比D/d=2.6時，試件的力學性能較好。通過比較不同特性的灌漿材料，金屬波紋管試件的力學性能隨著灌漿材料性能的增強而增強，但隨著孔徑比變小，灌漿材料對試件力學性能的影響變弱。根據工程應用和相關設計要求，最終提出選用“高于一般標準的100 MPa高強度灌漿材料+65 mm波紋管+22 mm鋼筋”的施工方法。

關鍵詞：裝配式橋梁；灌漿材料；金屬波紋管；黏結性能

中圖分類號：U414? 文獻標識碼：A? ?文章編號：1674-0688（2023）05-0068-04

0 引言

裝配式橋梁結構施工中的關鍵難點在于接縫連接［1］。與傳統的現澆結構相比，裝配式橋梁結構后續的澆筑縫是結構的薄弱環節，存在受力機制不明確、力學性能不足、耐久性差等問題。因此，研究接縫受力機理，提高接縫的力學性能具有現實的應用意義。前人關于鋼筋與混凝土之間黏結滑移關系的研究，啟發了研究人員通過管道灌漿分析漿液與鋼筋之間的黏結滑移效應，進而建立裝配式結構設計的研究基礎［2］。隨著裝配式結構概念的普及，許多研究人員從材料性能、結構形式等方面對灌漿節點應用的可行性進行研究［3-4］。包龍生等［5］提出鋼筋套筒連接、金屬波紋管灌漿連接、承插式、槽式等多種節點結構形式，并應用于工程實踐。在結構可行性研究的基礎上，研究人員將理論分析與實踐經驗相結合，通過室內試驗，設計全尺寸模型，對高溫環境、重復荷載等特殊條件下的節點性能進行評估。此外，開展通過提高剪切黏結力和優化材料提高鋼筋和灌漿材料黏結性能的相關研究。金屬波紋管灌漿連接由于具有施工簡單、成本低、環保等特點，因此受到施工方和研究人員的青睞［6］。目前，對金屬波紋管灌漿的力學性能研究還處于起步階段，金屬波紋管對灌漿材料與鋼筋之間的約束作用的研究被忽視。因此，本文以某高速ZT6標段裝配式預應力混凝土箱梁橋工程為研究對象，分析不同設計參數下注漿波紋管的結構模式和節點的力學性能，以期填補前人研究空白，為同類工程提供借鑒。

1 工程背景

京津冀的核心區域作為我國交通網絡建設的核心區，該區域運行過程中存在超載、超速現象。據調查報告顯示，部分車輛的裝載量超過高速公路允許裝載量的10%～35%；小型車輛的行駛速度大多為110～125 km/h，大型貨車的速度大多為50～80 km/h。持續超載、超速的行車狀況對裝配式橋梁結構工程質量提出了更高的要求。

本研究案例為某高速ZT6標段，起點為K70+146，終點為K82+750，全線總長12.6 km。招標段橋梁采用裝配式混凝土雙“T”梁橋，為全裝配式結構，雙向8車道，設計速度為120 km/h，整體底板寬度為42 m。大橋下部結構連接處的結構設計采用金屬波紋管灌漿連接方式，具體結構如圖1所示。

2 試驗設計

2.1 試驗材料

本研究根據工程要求設計了金屬波紋管的灌漿試件，試件主體由3個部分組成：鋼筋、灌漿材料和波紋管。鋼筋為HRB400，公稱直徑為20 mm、22 mm、25 mm。灌漿材料A的28 d強度達到100 MPa，灌漿材料B的28 d強度達到65 MPa，C為早強灌漿材料。3種灌漿材料的具體設計參數見表1。內徑為65 mm的金屬波紋管形狀為具有封閉環形波紋的圓形鋼管。試驗件錨固長度為300 mm。

2.2 試樣設計方案

試件的設計參數見表2。試件參數表中的試件編號由3個部分組成，分別代表鋼筋的直徑、波紋管的直徑和灌漿材料的類型，例如20-65-A分別表示鋼筋直徑為20 mm，波紋管直徑為65 mm，采用高強度灌漿材料A完成試件的澆筑。表2中的d為鋼筋直徑，D為波紋管直徑，La為鋼筋錨固長度。

在本研究中，每組試件的數量為5個，并對一組5個試件進行加載試驗。除去每組試件加載結果中的最大值和最小值，計算其余3個試件的平均值，通過設計平行試驗，盡可能避免外部因素造成的誤差影響。3種不同設計參數的試樣在灌漿后表現出不同的現象：灌漿材料A在澆筑后期表現出良好的流動性，4～5 h后逐漸形成；灌漿材料B在澆筑初期表現出較好的流動性，4～5 h后逐漸形成；灌漿材料C在澆筑初期流動性較好，試樣溫度迅速升高，產生了較劇烈的水化熱反應。

2.3 加載方案

試驗中，使用WAW-2000微控電液伺服萬能試驗機以200 N/s的加載速率進行連續加載。在加載過程中，記錄試驗前后加載端和自由端標記位置的位移，取平均值作為試件的整體位移。在加載端，拉伸力由萬能機讀取，控制位移和拉伸力等數據以相同頻率同時采集。

3 測試結果分析

3.1 試件破壞模式

大部分灌漿試件的破壞模式主要由灌漿材料的壓碎、鋼筋的斷裂和鋼筋的撥出引起。本試驗試件的破壞模式主要有2種：鋼筋拉伸破壞和鋼筋滑移破壞，并伴有灌漿材料損傷現象。試樣的失效形態如圖2所示。

在試件加載初始階段，外力主要由加載端附近的黏結力承擔。隨著加載程度的變化，荷載力沿錨固長度向自由端傳遞，鋼筋的應力也逐漸從加載端向整個試件傳遞［如圖2（a）所示］。當鋼筋與灌漿材料之間的黏結力達到極限時，試件的鋼筋發生滑動，達到試件的極限破壞荷載［如圖2（b）所示］。灌漿材料和鋼筋之間的機械咬合齒的剪切破壞，在鋼筋和灌漿材料之間形成一個光滑穩定的滑移破壞面，最終導致試件損壞［如圖2（c）所示］。

3.2 基于不同孔徑比的灌漿波紋管連接的機械性能分析

波紋管的直徑為65 mm，選擇公稱直徑為20 mm、22 mm和25 mm的HRB400鋼筋，研究不同孔徑比對金屬波紋管灌漿試件力學性能的影響（如圖3所示）。

由圖3可知，對于灌漿材料A而言，鋼筋直徑越大，承受的荷載也越大。當鋼筋直徑為25 mm時，最大荷載為251 kN。不同直徑鋼筋的最大位移分別為46 mm、39 mm、37 mm；對于灌漿材料B，最大荷載為246 kN，較灌漿材料A的最大荷載下降1.99%；灌漿材料C的鋼筋直徑為20 mm和22 mm的荷載位移曲線較為相似，最大荷載僅為140 kN，試件最大位移分別為46 mm、46 mm、38 mm。試驗結果表明，僅改變試件孔徑比，用不同灌漿材料澆筑的試件的力學性能隨著孔徑比的變化呈現出相似的變化趨勢。當錨固長度不變時，極限黏結強度隨著孔徑比的增大而增強。當孔徑比達到D/d=2.6時，鋼筋的錨固性能為最佳。

通過分析可知，黏結強度隨孔徑比的增大而增強，主要是由于鋼筋的直徑增大，導致鋼筋表面與灌漿材料的接觸面積增大，造成兩者之間的摩擦力增大。直徑較大的鋼筋一側月牙肋面積增大，在灌漿過程中容易與月牙肋貼合，鋼筋月牙肋對灌漿材料形成斜向壓力，提高了黏結強度［7］。此外，隨著鋼筋直徑的增大，試件內部空間減小，金屬波紋管的周向約束作用增大［8］，對灌漿材料的變形有較強的抑制作用。研究表明，在金屬波紋管直徑不變的情況下，隨著鋼筋直徑增大，金屬波紋管灌漿試件的力學性能明顯增強。

3.3 基于不同特性灌漿材料的波紋管連接灌漿的機械性能分析

選擇灌漿材料A、B、C澆筑試件，研究不同灌漿材料對金屬波紋管灌漿試件力學性能的影響，試件的加載結果如圖4所示。當鋼筋直徑為20 mm時，不同灌漿材料的最大荷載分別為226 kN、211 kN、119 kN，并且3種灌漿材料的最大位置均在45 mm附近。當鋼筋直徑為22 mm時，灌漿材料A試件的強度達到最大值（243 kN），同時可觀察到灌漿材料A和B的破壞荷載曲線均大于灌漿材料C，灌漿材料C的最大荷載僅為120 kN，遠低于灌漿材料A的強度。當鋼筋直徑為25 mm時，最大荷載為242 kN。試驗結果表明，在一定孔徑比條件下，灌漿材料C不能滿足使用要求，其破壞荷載只能達到其他2種灌漿材料的1/2。用灌漿材料A澆筑的金屬波紋管灌漿試件的力學性能和耐久性都比較好，但隨著孔徑比的減小，灌漿材料對試件性能影響越來越小。當孔徑比小于2.6時，灌漿材料A和B對試件性能的影響大大減弱。

綜上所述，選用65 mm的波紋管和22 mm的鋼筋及灌漿材料A可最大滿足工程力學性能要求。

4 結論

根據實驗結果，本文得出以下結論。

（1）在金屬波紋管尺寸不變的情況下，孔徑比變小，金屬波紋管試樣的內部空間隨之變小，內部約束作用變弱。當D/d=2.6時，試件的性能較好。

（2）比較不同特性的灌漿材料，當灌漿材料的特性增強時，金屬波紋管試件的性能也隨之增強，但隨著孔徑比變小，灌漿材料對試件性能的影響變弱。

（3）根據工程應用和相關設計的要求，提出“高于一般標準的100 MPa高強度灌漿材料+65 mm波紋管+22 mm鋼筋”的方法為最佳施工方法。該結構設計可以在金屬波紋管的最佳約束條件下，最大限度地提高節點的力學性能。

5 參考文獻

［1］徐亞洲，魏克倫，李明濤.基于并筋-灌漿波紋管連接的預制橋墩-蓋梁節點抗震性能研究［J］.土木工程學報，2023，56（2）：12-22.

［2］石巖，張智超，鐘正午，等.預制裝配式橋墩連接類型及抗震性能研究綜述［J］.世界地震工程，2022，38（2）：205-219.

［3］胡野.裝配式結構漿錨搭接節點質量研究［J］.工程質量，2020，38（11）：39-44.

［4］鐘瓊，霍靜思，王海濤，等.預制裝配式組合梁栓釘連接件抗剪性能試驗研究［J］.建筑鋼結構進展，2018，20（2）：13-19，27.

［5］包龍生，陶天陽，劉杰，等.基于改進沖擊回波法的裝配式混凝土橋墩套筒灌漿檢測理論研究［J］.沈陽建筑大學學報（自然科學版），2021，37（6）：1082-1089.