装配式梁桥桥面板湿接缝凿毛粗糙度量化研究

鄢稳定 邬晓光 胡科坚 魏赛东

1.广西容梧高速公路有限公司，南宁 530012；2.长安大学桥梁与隧道陕西省重点实验室，西安 710064

装配式梁桥主要施工工序包括预制构件、吊装拼接与接缝处理。接缝处理作为桥梁建设中关键一步，是梁间形成整体受力体系不可或缺的部分。目前，普遍采用的连接方式为现浇刚接［1］。现浇刚接湿接缝一般先对新旧混凝土黏结面进行凿毛处理再浇筑，其凿毛质量对湿接缝的连接强度影响很大。根据装配式混凝土梁桥病害调查数据［2-4］可知，桥面板湿接缝黏结面的纵向开裂问题仍然存在，均发生在黏结面底缘。由于缺乏混凝土凿毛方面的规范标准，加之混凝土振捣不足，导致湿接缝黏结面抗拉强度过低从而引起开裂。

新旧混凝土黏结面粗糙度是影响其黏结强度的主要影响因素之一［5-7］，在实际施工中，混凝土凿毛粗糙度仅凭经验控制，无法保证湿接缝黏结面施工质量。本文基于高压水射流凿毛技术，通过试验研究新旧混凝土黏结面抗拉强度与粗糙度的关系，并结合40 m 跨径简支T 梁桥桥面板湿接缝黏结面的受力状态，确定合理凿毛粗糙度。

1 湿接缝黏结面凿毛处理方法

湿接缝混凝土黏结面凿毛常采用的方法有划毛、人工及机械凿毛。划毛是采用钢刷或铁钩对混凝土表面进行划痕粗糙处理，须在混凝土终凝前进行，这种凿毛方法不能有效去除混凝土表面的水泥乳皮，且作业时会扰动周围混凝土，导致局部混凝土损伤。人工凿毛即使用钢钎、铁锤对混凝土表面进行敲打，凿毛效率低，劳动强度高，且凿毛均匀性差。机械凿毛是采用电动凿毛锤或气动凿毛锤进行作业，比人工凿毛效率明显提高，但在施工过程中不仅会产生噪声粉尘污染，而且与人工凿毛一样，不能有效去除局部已开裂的混凝土，降低了湿接缝新旧混凝土的黏结强度。

近年来，高压水射流凿毛技术（简称冲毛）在混凝土凿毛作业方面逐渐被推广应用。其原理是利用高速水流的冲击作用去除部分表层混凝土。该技术不仅可以避免老式凿毛方法的诸多缺点，而且操作简单便捷，处理面湿润洁净，可以提高湿接缝黏结面强度［5］。

2 基于高压冲毛技术的黏结面抗拉强度试验

2.1 试验设计

为了研究湿接缝新旧混凝土黏结面抗拉强度与冲毛粗糙度的关系，选用高压水射流凿毛技术对混凝土黏结面进行粗糙化处理；采用灌砂法测量凿毛面粗糙度，即以灌砂平均深度h来表征粗糙度；通过试块标准劈裂试验获取黏结面抗拉强度。

制备冲毛试块时，选用150 mm×150 mm×75 mm的C50 混凝土 试块，同时预 留150 mm × 150 mm ×150 mm立方体对照组试块，冲毛试块和对照组试块均同批浇筑。冲毛试块在浇筑15 h 后完成脱模，此时混凝土强度较低，适合冲毛。将冲毛压力30、35、40 MPa和冲毛时间30、60、90、120 s 交叉组合，构成12 组冲毛试块，且每组包含3个试块，共计36个试块，以丰富混凝土冲毛面粗糙度多样性。试块冲毛完毕后测量其粗糙度，自然条件下养生28 d 后浇筑另一半混凝土，形成立方体黏结面劈裂试块。所有试块自然养生28 d后，进行黏结面劈裂试验。

试验采用的混凝土配合比与实际工程预制T梁相同，拌和材料为P·O 42.5普通硅酸盐水泥、粒径4.75 mm以下的机制砂、5~20 mm的石灰岩级配碎石、RX⁃1⁃320型聚羧酸减水剂、Ⅰ级粉煤灰等，具体配合比见表1。冲毛设备采用最大压强为50 MPa的高压射流机，其喷头为扇形喷嘴。

表1 C50混凝土配合比 kg·m-3

2.2 试验过程及现象

对试块进行冲毛时不仅要均匀冲毛，还应保证冲毛施工参数基本一致。喷枪轴线方向距离试块冲毛面10 cm，并与试块表面形成50°的夹角。另外通过计时装置严格控制冲毛时间。试块冲毛完成后不能立刻测量粗糙度，待其自然风干后方可采用灌砂法测量。

试块冲毛过程中发现表面已有硬化的水泥砂浆，随着冲毛压强的加大以及冲毛时间的延长，其逐渐被破坏冲散，骨料碎石显露面积逐渐变大，试块表面越来越凹凸不平，见图1。

图1 冲毛试块

将冲毛试块浇筑形成立方体黏结试块后，依据JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》［8］进行劈裂试验。试验采用顶面为半径75 mm 的弧形钢垫条，木制三合板垫层的尺寸为20 mm（宽）×3 mm（厚）×180 mm（长），万能试验机加载速度控制在0.06 MPa∕s。试验前用记号笔在试块中部标注黏结面位置线，加载时保持速率不变直至试件破坏，记录破坏极限荷载F。混凝土黏结面劈裂抗拉强度fts的计算公式为

式中，A为试块黏结面面积，mm2。

2.3 试验结果分析

冲毛试验与劈裂抗拉试验结果见表2。表中每个试验组由3 个试块组成，组编号第一位数字1、2、3 分别代表冲毛压力为40、35、30 MPa；第二位数字1、2、3、4分别代表冲毛时间为30、60、90、120 s。

表2 冲毛试验与劈裂试验结果

对各组试块的粗糙度取平均值绘制不同冲毛压力下粗糙度即灌砂平均深度h随时间t的变化曲线，见图2。可知，随着冲毛压力及时间的增加，处理面粗糙度不断增大，但增幅不断减小，冲毛压力为40 MPa 时增幅减小尤其明显。原因是试验采用的冲毛压力只能使部分混凝土水泥砂浆被冲散，而粗骨料石灰石未被破坏；前期处理面水泥砂浆较多，但随着冲毛的不断进行逐渐变少，粗骨料裸露面积增大，高压水冲射作用越来越小，造成粗糙度增长幅度逐渐趋于平缓。

图2 不同冲毛压力下冲毛时间与粗糙度的关系曲线

粗糙度并不是越大越好，若要获取更大的粗糙度，就需要提高水压，必然使得部分粗骨料被击碎，造成黏结面骨料减少，进而削减新旧混凝土间黏结面的黏结强度。文献［5］采用喷砂法处理混凝土黏结面，发现粗糙度为4 ~ 5 mm 时黏结强度达到最大；文献［9］发现采用高压水枪处理黏结面时，只凿除细集料的处理方式获得的黏结抗拉强度更高。因此，本文粗糙度取4.13 mm。

为了更好地研究混凝土黏结面劈裂抗拉强度与粗糙度的关系，根据36个试块的劈裂试验结果绘制散点图，见图3。

图3 劈裂抗拉强度与粗糙度的关系曲线

由图3可知，随着粗糙度的增大，混凝土立方体黏结面劈裂抗拉强度逐渐增大，且大致呈线性增长趋势。

采用MATLAB 软件进行线性回归，得到拟合曲线为

为了定量检验拟合曲线的优劣，采用统计学中的确定系数来度量函数的拟合优度，确定系数的范围为［0，1］，其值越接近1，说明函数的拟合效果越好，计算式为

式中：R2为确定系数；SSE为拟合数据和原始数据误差的平方和；SST为原始数据与其均值之差的平方和。

通过MATLAB 软件计算得到R2= 0.925 5，说明式（2）可作为经验公式采用，得到不同粗糙度下劈裂抗拉强度实测值与拟合值的差值ft′s，见图4。可知，实测值与拟合值的差值范围为［-0.085，0.077］。为了确保应用该经验公式时计算结果偏安全，取-0.085作为误差调整值，修正式（2）后得到黏结面劈裂抗拉强度与粗糙度的经验公式为fts=0.212 3h+1.968-0.085=0.212 3h+1.883。

图4 不同粗糙度下劈裂抗拉强度实测值与拟合值的差值

由于桥梁工程中多采用混凝土轴心抗拉强度ft进行计算，因此将混凝土黏结面劈裂抗拉强度乘以换算系数0.9［10］可换算成轴心抗拉强度，得到轴心抗拉强度与粗糙度的经验公式为

采用式（4）计算混凝土黏结面粗糙度或抗拉强度时，因试验样本区间有限，建议粗糙度在试验范围内（1.75~4.13 mm）取值，以确保计算结果的精确性。

3 装配式梁桥湿接缝黏结面冲毛粗糙度计算

3.1 工程概况

贵州省某地区装配式预应力混凝土简支T梁桥的设计荷载等级为公路⁃Ⅰ级，按部分预应力A类构件设计。标准跨径40 m，桥面宽度12.25 m，由5 片T 梁组成，主梁间距2.5 m，桥跨方向共设置7道横隔板，主梁间通过宽度为0.8 m 的现浇湿接缝连成整体。上部主体结构采用C50 混凝土，其弹性模量为34.5 GPa，泊松比为0.2，重度为25 kN∕m3。沿桥跨方向采用线性变截面设计，跨中横断面见图5。

图5 跨中横断面（单位：mm）

3.2 湿接缝黏结面受力分析

3.2.1 实体有限元分析模型

采用MIDAS Fea软件按照实际尺寸建立全桥实体模型，不考虑桥面铺装参与结构受力。单元网格划分时，采用六面体为主导的三维实体单元，并通过控制单元纵横比，提高单元网格划分质量，确保有限元计算结果的精确性。模型支座通过创建局部刚性连接单元，采用一般支撑进行边界条件模拟。模型施加的荷载包括自重、桥面铺装恒载以及轮载。其中桥面铺装恒载为3.88 kN∕m2；轮载参考公路⁃Ⅰ级车辆荷载，选用前后间距为1.4 m 的70 kN 轮载，并考虑到16 cm桥面铺装的扩散作用，以宽为0.92 m、长为0.52 m 的矩形均布面荷载表示轮载。轮载作用位置为图6阴影部分，图中虚线分别表示主梁及横隔板中心线，横隔板按照从前往后顺序依次编号。

图6 轮载作用位置（单位：mm）

3.2.2 有限元计算结果

1）直接荷载作用计算结果

自重、桥面铺装荷载以及轮载作用下，轮载附近局部横向应力云图见图7。由图7（a）可知，轮载作用的湿接缝黏结面附近区域横向应力较大，呈椭圆形分布，且前轮与后轮的中间区域出现应力叠加；由图7（b）可知，湿接缝黏结面顶缘受压、底缘受拉，且从相邻横隔板两边至轮载中心处应力逐渐增大，在前后轮载中心处分别达到最大，其中底缘最大拉应力为1.72 MPa。

图7 局部和轮载附近横向应力云图

2）梯度升温作用计算结果

根据文献［11-12］可知，日照温差引起的温度梯度升温对桥面板底部横向拉应力影响较大，因此应考虑竖向日照温差作用对桥梁湿接缝受力的影响。根据文献［13］施加梯度升温荷载，铺装层底层为水泥混凝土，顶层为沥青混凝土，计算采用的竖向温度梯度曲线可不考虑底层现浇混凝土，见图8（a）；若考虑10 cm 厚混凝土现浇层层对温度梯度的削减作用，则桥面板顶面温度为6.7 ℃，其以下部分线性降温，竖向温度梯度曲线见图8（b）。

图8 竖向温度梯度曲线

参考图6，选取轮载作用附近相邻横隔板间的湿接缝650 cm 范围进行局部受力分析，发现两类温度梯度作用下，湿接缝均为顶面受压、底面受拉。湿接缝黏结面底缘横向拉应力见图9，图中湿接缝纵向位置以③号横隔板中心线为起始点。可知，湿接缝底缘横向拉应力从横隔板两边到中央逐渐增大，且在距离横隔板约150 cm 时增速趋于平缓，此后出现较长的应力持平段。考虑混凝土现浇层对温度梯度的影响后，梯度升温作用下湿接缝底缘最大横向拉应力由1.58 MPa 降低至0.51 MPa，拉应力变化十分明显，说明在计算湿接缝梯度温度作用时，应考虑桥面铺装混凝土现浇层对温度梯度的削减作用。

图9 湿接缝黏结面底缘横向拉应力

3.3 湿接缝黏结面冲毛粗糙度计算

直接荷载对桥面板湿接缝黏结面底缘产生的最大横向拉应力为1.72 MPa，温度梯度升温对湿接缝黏结面底缘产生的最大拉应力为0.51 MPa，故黏结面最大拉应力总和为2.23 MPa。为避免混凝土黏结面开裂，应保证黏结面抗拉强度高于2.23 MPa，即ft=0.191 07h+1.694 7＞2.23，得到h＞2.80 mm。

这说明当黏结面冲毛粗糙度大于2.80 mm 时，本文装配式T梁桥桥面板湿接缝黏结面的抗拉强度方能满足要求，其他装配式梁桥可参照此方法确定湿接缝合理冲毛粗糙度。

4 结论

1）冲毛粗糙度并不是越大越好，破坏粗骨料会降低新旧混凝土黏结抗拉强度，建议采用只凿除细集料的冲毛处理方式。

2）新旧混凝土黏结面粗糙度与抗拉强度的变化曲线在试验范围内大致呈线性增长趋势，根据试验数据拟合出的冲毛粗糙度与黏结面抗拉强度的经验公式可用于湿接缝黏结面量化凿毛，防止黏结面开裂。

3）利用经验公式计算装配式梁桥桥面板湿接缝黏结面冲毛粗糙度时，除了应计算直接荷载作用产生的横向拉应力，还应考虑梯度升温作用对黏结面产生的拉应力，以及桥面铺装混凝土现浇层对温度梯度的削减影响。