超高性能混凝土湿接缝梁抗弯性能试验*

2020-07-25钟扬,吴锋,戴磊

水运工程 2020年7期

钟扬,吴锋,戴磊

(1.中交第三航务工程局有限公司技术中心，上海 200032；2.中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032；3.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京 210098)

随着我国经济的快速发展，港口经济也迎来了新的发展机遇。高桩梁板式码头结构形式的应用范围日益拓展，但在其上部结构建造过程中，仍存在着大量的现场钢筋焊接、绑扎以及混凝土现浇工作，施工效率和装配化程度有待进一步提高[1-2]。

超高性能混凝土(ultra-high performance concrete，UHPC)是一种高强度、高韧性的新型水泥基材料，与普通混凝土相比，它的抗压强度、抗拉强度和耐久性更优，国外已广泛应用于预制构件的连接[3]。基于这一材料特性，本文设计一种适用于高桩码头上部预制混凝土结构的节点连接方式，如图1所示。将高桩码头的现浇梁、板构件改成预制构件的形式，在预制构件的端部外伸出若干钢筋头，在连接节点处对钢筋连接进行优化，仅进行简单搭接，不需要焊接或者绑扎，并通过UHPC后浇接缝连接各预制构件。由于码头的受力特点，在节点位置通常要承受较大的负弯矩荷载，为了保证节点的结构安全，有必要对UHPC湿接缝的抗弯性能进行研究。

图1 装配式码头节点连接

目前，国内外关于预制混凝土结构UHPC湿接缝的受力有一定的研究。刘超等[4]对新老桥间UHPC拼接缝受力性能的研究表明，UHPC具有出色的裂缝控制能力，增加UHPC接缝自由长度和减小接缝厚度可有效增强接缝弯曲性能。李昭等[5]通过ABAQUS数值模拟，分析纵向主筋配筋率、UHPC抗拉强度及现浇桥面板混凝土强度等级对UHPC-NC(超高性能混凝土-普通混凝土)组合结构抗弯性能的影响。陈贝等[6]研究不同的 UHPC 湿接缝构造形式对预制拼装混凝土结构抗弯性能的影响,结果表明不同接缝构造形式的接缝板抗弯拉性能都优于完整NC板，且凿孔、密配筋接缝形式能较大地提高接缝板的抗弯拉性能。张永涛等[7]对预制桥面板UHPC-U形钢筋湿接缝的受力性能进行研究，结果表明UHPC能显著提高湿接缝的抗裂性能，验证了采用UHPC减小湿接缝混凝土现浇量、简化连接工艺的可行性。但上述研究主要是针对UHPC桥梁行业的应用，在港口码头中应用研究较少。

本文设计制作7根UHPC湿接缝梁和1根现浇普通混凝土梁，通过静力试验研究各梁的抗裂特性、裂缝开展及极限承载力，验证UHPC湿接缝连接预制混凝土构件、简化节点处钢筋连接方式的可行性。

1 试验概况

1.1 构件设计

试验共设计了8根试验梁，包括7根UHPC湿接缝梁和1根现浇普通混凝土梁，其中A组为现浇普通混凝土梁，B组为UHPC湿接缝梁。各梁的截面尺寸均为300 mm/400 mm(宽×高)，长度均为2.5 m。梁体采用普通混凝土和UHPC材料，UHPC基体中掺有定量钢纤维。UHPC接缝长度为0.3 m，纵筋和箍筋均采用HRB400级钢筋。试件编号、钢筋布置、配筋率等参数和尺寸见表1，典型试件A1和B1梁的配筋见图2。

表1 试验梁设计参数

图2 试验梁设计及配筋

根据《普通混凝土力学性能试验方法》[8]和《活性粉末混凝土》[9]，分别对普通混凝土和UHPC进行材料特性试验。其中，普通混凝土、UHPC抗压强度试验分别采用150 mm×150 mm×150 mm、100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块，实测的普通混凝土、UHPC 28 d抗压强度分别为34.6和118.0 MPa。

UHPC湿接缝梁的加工过程：首先预制两端混凝土构件，交错连接预制梁下部钢筋并搭设模板，最后在节点处浇筑UHPC灌浆材料，养护(图3)。

在UHPC湿接缝梁的制作过程中，为增加新老混凝土界面的黏结力，预制普通混凝土段拆模后用高压水枪对界面处进行冲洗至粗集料裸露。养护至设计强度后，再浇筑UHPC灌浆材料。UHPC湿接缝处钢筋连接方式如图4所示。

图3 UHPC湿接缝制作加工

图4 UHPC湿接缝梁钢筋简单搭接

1.2 试验方案及测试内容

试验采用1 000 kN液压千斤顶通过分配梁进行加载，加载点间距为0.6 m，UHPC段完全处于梁纯弯段中，竖向加载时在加载点处设置钢垫板，防止局部混凝土压坏。试验加载系统如图5所示。试验采用单调加载，首先按预估开裂荷载的10%分级加载，加载至构件开裂，构件出现裂缝后按预估极限荷载的10%继续加载，直到试件达到极限承载力，此时记录试件的裂缝开展情况。然后放慢加载速度，直至梁破坏。

试验时梁跨中放置百分表以测量跨中竖向位移，同时梁两端顶支座处放置百分表以测量支座位移，从而消除支座沉降误差。并在试验过程中观察梁的裂缝开展情况，重点关注UHPC连接段及梁弯剪段的混凝土开裂情况。试验加载系统见图5。

图5 试验加载系统(单位：mm)

2 试验现象及破坏过程

A1梁为现浇普通混凝土梁，表现为典型的弯曲破坏，跨中梁底受拉钢筋屈服且梁顶受压区混凝土被完全压碎，其破坏特征符合普通混凝土梁破坏理论。

各组UHPC湿接缝梁也表现为弯曲破坏，但破坏特征与现浇梁略有不同。加载初期梁底UHPC接缝处首先出现裂缝，并沿结合面集中向上发展。同时在UHPC接缝两侧有若干斜裂缝产生，从底部向加载点处延伸，而UHPC连接段表现出超强的抗拉性能，无裂缝产生。破坏过程中，B1梁在接缝处断开，受拉钢筋被拉断，钢筋截面呈锥状断口，呈现少筋破坏形式；B2～B7梁的上部混凝土被完全压碎，受拉区钢筋完全屈服，呈现适筋破坏形式，且破坏的区域出现在普通混凝土段。在整个试验过程中，UHPC的连接段始终未出现开裂现象，试验梁的典型破坏特征如图6所示。

图6 试验破坏特征

3 试验结果及分析

3.1 荷载-跨中挠度曲线

试验梁的荷载-挠度曲线如图7所示。UHPC 湿接缝梁荷载-挠度曲线发展趋势与现浇梁相似，基本可分为3个阶段：弹性阶段、裂缝发展阶段、持荷至破坏阶段。在弹性阶段，荷载-跨中挠度曲线斜率最大，变化趋势近似呈线性关系，此时混凝土和钢筋共同承担受弯拉荷载，试验梁的抗弯刚度最大；随着荷载的增加，荷载-挠度曲线进入裂缝发展阶段，曲线斜率逐渐减小，此时受拉区混凝土开裂，原来由该部分承受的拉力逐渐转移至受拉钢筋，试验梁的抗弯刚度比弹性阶段有所下降。试验梁进入持荷至破坏阶段，此时的荷载-跨中挠度曲线逐渐趋于平缓，在荷载基本不变的情况下，跨中挠度急剧增加，弯剪段的斜截面出现较大裂缝，试验梁破坏。

图7 试验梁荷载-挠度曲线

3.2 裂缝开展及分布

为了研究各组试验梁加载过程中的裂缝开展情况，试验时的裂缝分布如图8所示。A1梁纯弯区段两侧面产生的主裂缝数量为12条;B1梁纯弯区段两侧面产生的主裂缝数量为7条;B2～B4梁分别为7、9、9条;B5～B7梁分别为8、9、9条;比较配筋率相同的B5～B7梁和A1梁的裂缝数量，可以发现B5～B7梁裂缝数量比A1梁少，表明UHPC后浇连接可以减少构件主裂缝的产生。同时比较UHPC湿接缝梁和现浇梁的裂缝分布情况，现浇梁初裂位置发生在跨中底部，而UHPC湿接缝梁裂缝首先出现在新旧混凝土的结合界面，表明UHPC湿接缝梁的UHPC与普通混凝土界面处黏结力较差，更容易开裂。进入裂缝开展阶段，UHPC湿接缝梁的裂缝发展情况基本相似，裂缝均匀分布在UHPC后浇接缝的外侧，缝宽均匀，但UHPC段整个过程中均无裂缝产生，表明UHPC材料的抗裂性能较好。达到极限承载力时，不同配筋率的UHPC湿接缝梁最大裂缝位置也有所不同，随着配筋率的增加，最大缝宽位置从UHPC界面处移动到普通混凝土段，表明在一定程度上配筋率的增加能抑制接缝处裂缝的发展速度。

图8 试验梁的裂缝分布

为了进一步研究试验梁裂缝变化规律，绘制了各组UHPC湿接缝梁在达到极限承载力之前的界面处裂缝宽度随荷载的变化曲线，如图9所示。

由图9可知，在裂缝发展初始阶段，各组UHPC湿接缝梁界面处裂缝宽度随着荷载变化不大，之后由于梁受拉区普通混凝土完全退出工作，裂缝宽度随着荷载的增加开始迅速增加，表现为曲线斜率的增大。当各组试验梁达到极限承载力时，B1～B4梁界面处的裂缝宽度均超过1.5 mm，而B5～B7梁的裂缝宽度只有0.6 mm左右。说明B5～B7梁接缝处的裂缝发展速度较慢，表明在提高受拉区配筋率的情况下，界面处的裂缝发展可以得到很好的控制。

图9 UHPC梁接缝处的裂缝宽度变化

3.3 极限承载力

由于抗弯承载力是码头梁、板结构设计时的重要控制荷载，因此有必要对UHPC湿接缝梁的抗弯承载力影响因素进行分析。试验中梁的极限承载力通过受拉主筋处裂缝宽度达到1.5 mm确定，统计出抗弯承载力试验值与计算值对比情况见表2。

表2 抗弯承载力试验值与计算值对比

由表2可知，各组UHPC湿接缝梁抗弯承载力试验值较理论计算值均有一定程度的提升，最大提升幅度达到了26%。这表明在整体结构的受力方面，UHPC湿接缝梁的抗弯承载力要优于现浇混凝土梁，UHPC后浇连接的结构抗弯承载力满足工程要求。比较各组UHPC湿接缝梁的抗弯承载力试验值，在相同加载情况下，UHPC湿接缝处的配筋率越高，梁抗弯承载力越大。