24 m节段拼装活性粉末混凝土简支箱梁抗弯性能试验研究

2021-03-19孙明德李壮高日苏永华班新林

铁道建筑 2021年2期

孙明德李壮高日苏永华班新林

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081；2.国泰土地整理集团有限公司，北京 100873；3.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044）

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）作为一种新型的高性能水泥基复合材料，具有高强度、高韧性、高耐久性、体积稳定性好等优点［1-2］，可以减轻自重、增加跨度、减小尺寸，增强结构抵抗运营荷载的有效性［3-5］。由于RPC 制备要求高，且需要高温蒸汽养护才能充分发挥优良性能。因此，一般在工厂制造RPC 梁，再运输到现场进行节段拼装。节段拼装是将预制的节段梁通过预应力钢束张拉组成整体，施工进度快，具有较好的经济优势［6-7］。魏亚雄等［8］对一座4×30 m的预应力RPC装配式箱梁的整体和局部受力性能进行了分析；查彦宇［9］建立72 m 活性粉末混凝土预制节段拼装体外预应力简支箱梁有限元模型，分析了其抗弯特性；王苇等［10］对24 m节段拼装模型梁的拼装工艺、刚度和抗裂安全系数进行了研究。

本文对1 孔节段拼装RPC 箱梁进行抗弯试验，研究其破坏形态、荷载-挠度曲线、裂缝的发展和分布情况，可为节段拼装RPC箱梁的工程应用提供参考。

1 试验概况

1.1 试验设计

预应力RPC 箱梁全长25.1 m，计算跨径24 m，包含9 个梁段，节段长2.75～2.80 m，跨中腹板、底板和顶板厚度均为18 cm，支点附近加厚，箱梁腹板设RPC剪力键。24 m箱梁跨中截面见图1。

图1 24 m箱梁跨中截面（单位：cm）

试验梁采用后张法节段拼装施工，采用短线法预制，腹板预应力采用双排8 根7-7φ5 钢绞线，底板采用单排6 根7-7φ5 钢绞线，腹板和底板钢束锚下张拉控制应力分别为1 339，1 321 MPa，压浆水泥强度M50。构造钢筋采用HRB400钢筋，钢筋直径10 mm。

1.2 试验梁制作

活性粉末混凝土配合比见表1。RPC 材料包括：粒径为0.16～1.25 mm 的石英砂，42.5 普通硅酸盐水泥，比表面积为242 000 m2/kg 的微硅粉、聚羧酸高效减水剂、钢纤维（直径0.22 mm，长12～15 mm，抗拉强度≥2 800 MPa）。

表1 活性粉末混凝土配合比 kg·m-3

由于节段梁体积较大，RPC 和易性差，在浇筑试验梁时采用附着式振动器和振动棒相结合的振捣方式。浇筑后洒水，常温养护24 h 后拆模，采用蒸汽养护，升降温速度不应大于10 ℃/h，恒温（70±5）℃养护时间不应少于48 h。

养护完成后对节段进行拼装，具体流程为：打磨节段的胶粘结合面，在结合面涂抹树脂胶；节段拼装和临时锚固，临时锚固接缝面的预压应力不小于0.3 MPa；所有节段拼装完成后张拉预应力筋。

1.3 加载装置

试验采用纵向5排分配梁的加载方式加载（图2），排间距4 m，分配梁的加载点位于腹板中心处的顶板，采用4 000 kN 液压千斤顶施加荷载F。加载前对试验梁进行预加载，正式加载采用单调分级加载，直至试件破坏。

图2 试验加载装置

1.4 测试方案

测试内容包括测量试验荷载、挠度、应变和裂缝，以及预应力张拉测试。测点截面如图3所示。

图3 测试截面（单位：mm）

1）试验荷载：通过布置于千斤顶上的压力传感器测得试验荷载。

2）预应力张拉测试：通过摩阻试验测得管道摩擦系数μ和管道每米偏差系数k；张拉前在跨中梁底贴混凝土应变片，测量张拉后实际应变。

3）挠度：在截面1布置3个百分表，在截面2布置2个百分表，测量试验梁在各级荷载作用下的挠度变化。

4）混凝土应变：在截面1 沿梁高度粘贴11 个应变片，梁底粘帖5 个应变片，测量混凝土应变；在截面3设置5 个钢弦传感器，测量胶结缝处的应变，在截面4梁底粘贴5个应变片，测得的应变作为对比值。

5）裂缝：记录各级荷载下裂缝宽度和间距，并在试验梁上描绘裂缝分布与开展情况。

2 试验结果

2.1 材料试验与力学性能

RPC 试块与模型梁在相同条件下养护。抗压强度试件为100 mm×100 mm×100 mm 的立方体试块，轴心抗压强度试件为100 mm×100 mm×300 mm的棱柱体试块，抗折强度试件为100 mm×100 mm×400 mm的梁试块，试块数量各3 个。试验后得到基本力学性能参数：抗压强度为128 MPa，轴心抗压强度为96.2 MPa，抗折强度为20.1 MPa。

2.2 预应力张拉测试结果

采用2台穿心式压力传感器测定试验梁的预应力损失，选择腹板和底板各2 束预应力筋进行管道摩阻试验，测得预应力钢束与孔道壁的摩阻系数μ=0.23，管道每米偏差系数k=0.001，满足设计要求。

预应力钢束张拉完成后，得到箱梁底板下缘应变为446 × 10-6，在自重和预应力作用下产生的压应力为-19.62 MPa。

2.3 抗弯试验结果

试验梁跨中荷载-跨中挠度曲线见图4。

图4 试验梁跨中荷载-挠度曲线

由图4可知：

1）荷载从0 加载到419 kN（单点加载值，以下同）时，荷载-挠度曲线呈线性增长，试验梁处于弹性阶段。

2）加载至651 kN 时，跨中节段两侧的胶接缝在正面和反面均出现1条裂缝，裂缝宽度为0.01～0.02 mm，梁体刚度降低，荷载-挠度曲线出现拐点。继续加载，已有裂缝宽度慢慢增大，没有新裂缝产生。

3）加载至884 kN 时，跨中节段正面出现3 条裂缝，反面没有产生裂缝；继续加载，试验梁正面纯弯区段的裂缝增多，反面没有产生裂缝，距离跨中4.2 m 处的胶接缝开裂。

4）加载至反力架单点加载最大承载力1 039 kN时，试验梁的预应力筋没有屈服，顶板没有压碎。跨中节段两侧胶结缝开裂宽度分别为5.00，4.54 mm。跨中节段正面腹板有11条裂缝，反面腹板没有产生裂缝，卸载后裂缝闭合。

2.4 应变测试结果

跨中应变沿截面高度分布情况见图5。可知，试验梁在整个加载过程的应变沿梁高呈线性分布，截面符合平截面假定。

图5 跨中应变沿截面高度分布情况

试验梁截面混凝土应变见图6。可知，胶结缝开裂时，截面3 处应变急剧增大，截面4 处混凝土应变增幅很小。

图6 试验梁截面混凝土应变

3 有限元分析

3.1 设计荷载

采用有限元软件建立节段拼装梁模型进行计算分析，可得：预应力钢束张拉完成后，箱梁跨中底板下缘在自重和预应力作用下产生的压应力为-18.2 MPa。对试验梁逐级加载到设计荷载419 kN 时，得到纵向正应力云图和荷载-挠度曲线，见图7。可知：①荷载从0加载至419 kN时，试验梁截面处于全截面受压状态，且荷载-挠度曲线基本呈线性变化，梁体处于弹性工作状态；②挠度有限元计算值小于试验值，这是由于节段梁拼装施工误差、预应力管道压浆质量差等施工缺陷造成。

图7 试验梁在设计荷载下的受力特性

3.2 开裂荷载

在有限元模型计算中，当单点加载值达到780 kN时，梁体跨中底面的拉应力超过3.2 MPa（图8），而胶结缝的抗拉强度为3.0 MPa，此时胶结缝开裂。另外，实测开裂荷载为651 kN，试验值小于理论计算值。原因是清洁接缝部位的混凝土截面对黏结强度有影响［7］，而模型为理想状态，实际有施工缺陷，且在加载前发现试验梁胶结缝处的环氧树脂内部有白色裂缝缺陷，降低了胶结缝的黏结强度。