装配式钢混灌浆连接组合梁受力性能试验研究

2019-07-25田飞严小卫郑和晖

中国港湾建设 2019年8期

田飞，严小卫，郑和晖

（1.中交第二航务工程局有限公司，湖北武汉 430013；2.长大桥梁建设施工技术交通行业重点实验室，湖北武汉，430013；3.中交二航局第三工程有限公司，江苏镇江 212050）

0 引言

装配式组合梁桥是一种由预制混凝土桥面板和钢梁组成，在工厂预制再运输至施工现场进行快速拼装的一种组合桥梁体系[1]。该类桥梁在后续维护上更为便利，损坏的构件可以及时更换，提高了桥梁结构的耐久性，降低了维护成本[2]。并且该类桥梁易于拆除，拆除阶段的能耗及对环境的影响较小。近年来，钢材品种的丰富和质量的提高，为我国发展组合结构桥梁提供了经济物质条件[3]。

在装配式组合梁的现场施工中，钢梁与预制混凝土桥面板连接形成整体的工序占比较大，连接件的构造是否合理对装配式组合梁的施工效率有较大影响。目前国内外装配式桥梁中常用的连接件形式为群钉连接件，即桥面板预留槽孔，钢梁上焊接栓钉群，桥面板与钢梁叠合后再后浇槽孔形成连接[4]。在群钉连接件的广泛使用中，也暴露出了现场施工时间长、后浇质量不易保证、新老混凝土接缝处易开裂等缺点[5]。针对上述情况，相关学者提出一种钢混灌浆连接新概念，具体为在桥面板底部预留槽道，钢梁顶部设置钢肋板，安装时将钢肋板插入桥面板槽道，在钢混间隙内压注高强灌浆料进行组合，全过程无需混凝土浇筑，依靠灌浆料、桥面板及钢板三者界面间的粘结、摩擦及自锁来满足受力要求。

国内外对于装配式组合梁的研究较多。聂建国等人在有限元静力分析的基础上，根据断裂力学的基本原理推导出了组合梁栓钉的疲劳寿命计算公式，为组合梁的疲劳设计奠定了基础[6]。苏庆田等人通过有限元模型，分析了组合梁连接件剪力突变产生的原因和机理，并推导了计算连接件突变剪力的简化计算方法[7]。Thomann M提出了采用砂浆作为灌浆料的灌浆连接件组合梁，并通过多组推出试验，研究了灌浆连接件的抗剪机理、界面滑移规律以及极限承载力等，给出了灌浆连接件设计的计算方法[8]。Dimitrios Papastergiou进一步通过推出试验，并通过缩尺模型试验研究了该结构的力学性能[9-10]。

总体来说，国内外研究人员已围绕灌浆连接件进行了研究，但均未将高强纤维灌浆料作为连接材料。为此，本文通过缩尺模型试验来进一步研究灌浆连接组合梁的力学性能。

1 试验模型

1.1 灌浆连接件受力机理

与常规栓钉连接件相比，新型自锁式灌浆连接件（图1）的主要特点是：1）钢梁与混凝土之间通过高强灌浆料实现接触传力；2）界面错动会引起横向隆起，混凝土槽道承受横向挤压力。在钢肋板与混凝土接触传力的过程中（图2），近似可认为V=μ·N，其中V为纵向剪力；μ为接触传力系数，与局部构造、界面粗糙程度有关；N为界面压力。此类界面受剪过程中存在自锁现象：随着界面滑移s的增大，界面隆起量u逐渐增大，则混凝土槽道内挤压引起界面压力N增大，进而能够增大连接件的抗剪承载力。随着混凝土槽道横向两侧的挤压力N逐渐增大，混凝土横向拉应力超限引起槽道边角开裂（图3），挤压力得到部分释放并逐渐趋于稳定。最后，纵向剪力超过限值导致界面出现突然剪切破坏。

图1 灌浆连接件示意图Fig.1 Sketch map of grouting connector

图2 钢肋板与灌浆料界面传力示意图Fig.2 Sketch map of interface force between steel rib plate and grouting material

图3 混凝土横向受力示意图Fig.3 Sketch map of concrete transverse force

1.2 试件设计及制作

本文共设计制作2个缩尺试件，每个试件尺寸完全相同，尺寸布置如图4所示。试件编号分别为JL-1，JL-2。钢梁尺寸：钢梁高250 mm，翼缘板宽250 mm；钢板厚度均为12 mm。钢肋板纵向通长焊接在钢梁上翼缘，高度为60 mm，在钢肋板上开有φ30@200 mm的圆孔，且表面铣有深度为2 mm的交叉花纹，钢材为Q345b。

图4 试件尺寸及测试系统布置Fig.4 Specimensdimensionsand test system layout

混凝土宽度为500 mm，板厚为150 mm。板底纵向通长灌浆槽道尺寸为90 mm×120 mm。混凝土板顶部设有间距1 m、尺寸100 mm×100 mm的灌浆槽孔，混凝土板采用强度等级C50，28 d抗压强度为57.9 MPa。

钢梁在工厂先进行加工；混凝土板在试验室进行预制，在灌浆通道模板上涂刷缓凝剂，待混凝土终凝后，对混凝土板上的灌浆通道进行冲毛处理；混凝土板达到设计强度后，将钢梁与混凝土板叠合，对灌浆通道进行密封后灌浆，形成组合梁。高性能纤维增强灌浆料28 d抗压强度为101.5 MPa。

1.3 加载及测试

加载设备为1个1 000 kN的液压伺服千斤顶，1个分配梁。分配梁加载点间距为0.8 m，即试件跨中纯弯段为1.2 m，两侧剪跨区也为0.8 m。

静力加载程序为：1）首先按预估开裂荷载的40%反复加载，进行预载；2）以10 kN的荷载步长加载至预估开裂荷载的80%；3）将荷载步长减小至5 kN，直至试件开裂；4）开裂后以10 kN的荷载步长继续加载寻找0.05 mm、0.1 mm、0.15 mm、0.2 mm 4个特征裂缝；5）裂缝宽度超过0.2 mm后采用位移加载（步长2 mm），直至构件破坏；6）缓慢卸载。

加载过程中，主要测试试件的挠度、钢混界面滑移量、试件的纵向应变等，传感器布置如图4所示。

2 静力试验结果及分析

2.1 试件的破坏形态

JL-1试件及JL-2试件破坏模式相同：在加载初期，试件挠度及应变均线性增长，偶有灌浆料与钢梁摩擦的声响；随着加载力的增大，钢梁下翼缘首先达到屈服，然后加载点处混凝土板下缘出现贯通裂缝，最后灌浆连接件伴随着较大声响突然破坏，承载力急剧下降，试件破坏；此时，试件跨中挠度为20 mm。试件破坏特征详见表1。

表1 试件破坏特征表Table1 Failure characteristic of specimens

2.2 试件的荷载-挠度曲线

在试件跨中梁底布置两个位移计测量加载过程中的挠度，每一级加载完成后，暂停进行测量。两试件的荷载-挠度曲线如图5所示。

图5 荷载挠度曲线Fig.5 Load-deflection curve

由图5可见，两个试验梁刚度基本相同，极限承载力也相近。钢梁下翼缘屈服后，由于钢材进入强化阶段，试件承载力继续上升；但随着组合梁中性轴上升至混凝土板中，混凝土板底出现拉应力，并在超过混凝土抗拉强度后出现裂缝。混凝土开裂后，试件刚度出现明显下降，且钢混界面的滑移量开始快速增长，最终连接件破坏，承载力急剧下降。

由试件的荷载挠度曲线可得出如下结论：1）2片组合梁均表现为受弯破坏形态，即钢梁下翼缘受拉进入屈服，跨中混凝土板压碎破坏。连接件破坏时，组合梁挠跨比为L/180，说明组合梁的变形能力（延性）较好。2）连接件破坏发生时，钢梁全截面受拉屈服，塑性发展充分，说明灌浆连接件受力可靠。连接件在组合梁中的破坏也为脆性破坏。

2.3 试件截面应变分布

在试件纯弯段，沿试件截面竖向布置有应变片，加载力为200 kN、400 kN、600 kN、800 kN时，试件的截面应变分布如图6所示。

图6 JL-2试件截面应变分布Fig.6 Section strain distribution of JL-2

由图6可见，在加载初期，截面应变基本符合平截面假定；随着钢梁底部屈服，中性轴逐渐上升，截面应变分布不再满足平截面假定。随着荷载的增大，交界面上混凝土和钢梁翼缘的应变差值逐渐增大，当加载力为800 kN（F/Fu=0.98）时，应变差达到475με，截面应变沿高度发生了明显的微曲现象，表明交界面上滑移已产生，并随着荷载的持续增加而增大。

2.4 滑移分布规律

组合梁的钢梁与混凝土板界面存在着纵向剪力，连接件在抵抗纵向剪力时会产生变形，钢梁与混凝土板发生相对滑移。滑移分布如图7所示。

图7 试件滑移分布图Fig.7 Slip distribution of specimens

由图7可见，在加载初期（100 kN），组合梁处于弹性阶段，灌浆连接件各个界面紧密贴合，混凝土板与钢梁相对滑移量很小，并且分布很平稳，表明连接件承受的剪力分配较均匀。加载力达到200 kN后，界面滑移量开始明显增大，且滑移量沿梁纵向的分布出现明显的不均匀性，即在剪跨区中间滑移量最大，剪跨区两端滑移量最小。随着加载力增大，滑移量增幅也加大，且不均匀分布越来越明显，最终剪力件超过极限滑移量破坏。剪力件破坏时对应的最大滑移量为0.5 mm。