节段预制胶拼构件弯折试验研究

卢文良 王瑞 徐兵

（1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044；2.中国铁建国际集团有限公司，北京 100855）

1 概述

节段预制拼装快速化施工技术被广泛地应用在公路桥梁、铁路桥梁、市政桥梁建设中［1］。标准化预制工艺保证了施工质量，避免现场浇筑对环境的影响，也加快了建设工期。节段预制胶拼桥梁最早在欧洲应用，在我国最早应用于成昆铁路建设中。20世纪60年代修建成昆铁路时，由于工期紧迫，旧庄河一号桥等部分桥梁采用节段预制胶接缝拼装梁（当时称为串联梁）［2］。随着技术发展，采用节段预制胶拼的桥梁工程越来越多，如黄韩侯铁路芝水河特大桥［3］、郑阜铁路周淮特大桥［4］、广州市轨道交通四号线桥梁［5］、上海5号线南段延伸工程高架桥［6］、上海沪闵高架道路二期工程［7］、厦门集美大桥［8］、芜湖长江公路二桥引桥等桥梁工程均采用节段预制拼装法。

节段预制胶拼构件接缝处混凝土与普通钢筋不连续，为受力薄弱截面。TB 10092—2017《铁路桥涵混凝土结构设计规范》没有明确规定胶接缝处混凝土与环氧树脂之间的黏结强度取值。早期设计中，在计算胶接缝的抗裂性时不考虑混凝土与环氧树脂胶的黏结强度，导致结构的预应力度偏高。虽然保证了结构设计安全，但是不经济，阻碍了该技术的推广应用。针对胶接缝处的受力性能，国内外学者展开了相关研究。Koseki等［9］对接缝抗剪性能进行了研究。曹增华［10］进行了环氧树脂胶与混凝土黏结抗拉强度试验。杨树民［11］通过模型梁进行了抗裂性试验和破坏试验。李学斌等［12］采用单纯轴向受拉的模型试件试验，对环氧树脂胶接缝的抗拉极限强度进行了研究。

混凝土材料力学性能具有一定的离散性，其与环氧树脂胶拼接后的接缝黏结机理及接缝力学性能指标离散程度还缺乏深入研究。为研究胶拼构件胶接缝弯折破坏模式和弯折强度，本文设计制作了6个胶拼弯折试件进行静力加载直至破坏，从而为此类型桥梁的抗裂性设计提供试验依据。

2 试验概况

2.1 试件设计

参考GB/T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》相关规定，将3块标准立方体试块用环氧树脂胶黏在一起，形成节段预制胶拼构件，见图1。本次试验共有6个试件，编号为S1—S6。环氧树脂胶包括A，B组分，A组分为黄色胶状改性环氧树脂，B组分为灰色糊状固化剂，2种组分按质量配合比A∶B=2∶1进行配制。

图1 试件尺寸（单位：mm）

2.2 试件制作

混凝土立方体试块采用一工程梁场C50商品混凝土浇筑，同批次立方体试块抗压强度实测最大值为62.3 MPa，最小值为 58.8 MPa，平均值为 60.5 MPa。采用一节段预制拼装桥梁工程中实际应用的环氧树脂胶，其力学及工艺性能符合相关规范要求。

参考相关实际工程案例的接缝处理方式，采用电动钢丝打磨胶接面，挤胶应力取0.3 MPa。待立方体试块养护完成后，对立方体试块进行界面处理，处理完成后擦拭表面使之清洁，以保证混凝土与环氧树脂胶的良好黏结。在待黏结表面均匀涂抹环氧树脂胶，厚度不宜太厚，控制在2～3 mm。通过挤胶工具对构件胶接缝施加临时挤胶应力，挤胶过程中采用S形拉力传感器监控挤胶应力数值，确保拼接时挤胶应力符合要求。挤胶完成后试件在室温下完成接缝胶体固化，7 d后拆除挤胶板。试件制作完成后在常温条件下放置20 d，然后进行弯折试验。

2.3 试件加载

采用WAW-300微控电液伺服万能试验机对试件件进行加载试验。试件跨度为400 mm，支座与加载点中心距离为125 mm。在试件中部标定相应加载位置，精确至1 mm。在2个胶接缝处放置直径25 mm光圆钢筋，并在钢筋上固定加载钢板进行加载（图2）。控制加载速率为0.2 kN/s，直至试件破坏，期间观察试验现象并记录破坏荷载值。

图2 试件加载图示

3 试验结果与分析

3.1 试验现象

6个试件加载过程中的试验现象基本相同。由于试件尺寸较小，加载过程较短。试件受力达到破坏荷载时发出“砰”的一声巨响，且沿着某截面断裂。破坏过程比较急促，没有明显征兆。裂缝发展情况见图3。可知，试验破坏类型可分为3种：Ⅰ型为混凝土破坏（试件S1，S4和S5）；Ⅱ型为内聚破坏（试件S2和S3）；Ⅲ型为界面破坏（试件S6）。

混凝土破坏（Ⅰ型）的断裂面位于两胶接缝之间，裂缝穿过整个截面，其中，试件S1和S4沿着跨中位置断裂，试件S5裂缝穿过胶接缝。断裂面较为清晰，断口处几乎无胶体。混凝土破坏断面如图4所示。

图3 裂缝发展情况

图4 混凝土破坏断裂面

胶接缝附近混凝土内聚破坏（Ⅱ型）的断裂面基本穿过整个截面，破坏沿着胶接面一侧发生。断裂位置基本位于接缝附近5 mm范围内，且断裂面附近有分叉破坏面和少量碎片。内聚破坏断面如图5所示。

图5 内聚破坏断裂面

界面破坏（Ⅲ型）为沿着胶接面破坏，如图6所示。此类破坏的原因是胶接缝的环氧树脂胶与混凝土黏结力较低，未形成良好的接缝。

图6 界面破坏断裂面

3.2 试件弯折强度

根据破坏荷载P计算试件的弯折强度，即

弯折试验结果见表1。可知，6个试件的弯折强度最大值与最小值的比值约为2，有一定的离散性。

表1 弯折试验结果

采用与本次试验所用混凝土同批次材料，制作立方体试件，完成了1组劈裂试验，实测劈裂强度为3.68 MPa。参考文献［13］关于混凝土弯折强度与劈裂强度的建议回归公式，可计算本次试验混凝土整体弯折强度约为6.0 MPa，与实测值接近。结合表1可知，只要胶接缝黏结正常，试件的弯折强度为素混凝土试件弯折强度平均值的85%；界面破坏时强度最低，但也大于3.0 MPa。

3.3 破坏形态分析

试件荷载-位移曲线见图7。荷载和位移通过万能试验机自带的检测传感器获得。可知，除试件S6的破坏荷载较低外，其余试件的弯折破坏荷载在43～50 kN。加载初期，曲线基本呈线性变化；当位移超过1.0 mm时，试件内部损伤发展，曲线呈现明显的非线性特点；当位移超过1.5 mm时，试件内部损伤进一步加重直至破坏，断裂时的最大位移为2.2 mm。

图7 试件荷载-位移曲线

试件S2和S3的断裂位置在胶接缝附近，断裂面处的结构胶附着大量未含粗骨料的表层砂浆。混凝土试件表层主要是含有较少粗骨料的砂浆，胶接缝的弯折强度取决于胶接缝附近混凝土表层的抗拉强度，强度比混凝土破坏值有所降低。

在相同试验条件下，试件S6的破坏荷载为26.56 kN，远小于其余试件的平均破坏荷载48.84 kN。试件S6制作时环氧树脂胶配合搅拌与涂抹挤胶时间间隔略长，导致部分胶与混凝土的黏结质量较差。实际工程中应严格避免胶接缝破坏。

4 结论

1）节段预制胶拼试件弯折破坏为脆性破坏。当保证胶拼质量时，二者可较好地协同工作。试件的弯折强度在4.8～6.0 MPa，平均值为5.4 MPa，胶接缝具有较好的弯折强度。

2）试件内聚破坏位置位于胶接缝附近，其平均弯折强度为素混凝土试件弯折强度平均值的85%。强度下降与胶接面粗糙度、基体强度、胶拼质量等因素密切相关。

3）混凝土与环氧树脂胶黏结过程中应规范操作，否则胶接缝强度下降明显，在实际工程中应严格保证施工质量。

4）铁路节段预制胶拼桥梁抗裂性设计中，在严格要求施工质量的基础上，可以适当考虑环氧树脂胶与混凝土的黏结强度，降低结构预应力度。