超高性能混凝土节段预制拼接梁受弯性能试验研究*

梁雪娇 郑 辉 轩帅飞 方 志

(1.湖南工业大学土木工程学院， 湖南株洲 412007； 2.湖南大学土木工程学院， 长沙 410000)

超高性能混凝土(UHPC)具有较高的韧性、高的抗压强度和优异的耐久性，在热养护的条件下基本无收缩，且长期荷载作用下徐变很小(约为普通混凝土的1/10)[1-4]。UHPC因良好的材料性能在使桥梁结构向轻质、大跨方向发展和实现使用环境下的长寿命以及减少后期维护费用等方面极具潜力[5]，是土木工程领域极具应用前景的新型建筑材料。

UHPC节段预制拼装桥梁可实现桥梁结构轻型化、施工快速化，提高结构耐久性，并降低后期维护成本。但其在构造上一个显著的特点是节段间存在拼接缝，接缝是预制拼接桥梁的薄弱环节。因此针对节段间接缝的受力性能的研究是节段拼装桥梁中须关注的重点问题。

文献[6-9]研究了钢纤维对UHPC梁的受弯性能的影响，并将试验结果与数值分析进行对比；结果表明钢纤维有效控制了UHPC梁的裂缝开展，UHPC表现出延性良好的性能，其延性指数在1.60～3.75之间；并提出归一化断裂模量与纤维增强指数之间关系的方程式。文献[10-16]对配筋率、截面形式等不同参数的钢筋活性粉末混凝土梁的抗弯性能进行试验和非线性有限元仿真模拟分析，总结出钢筋活性粉末混凝土梁的刚度、裂缝宽度、开裂弯矩和正截面承载力等的计算方法。文献[17] 研究了预应力UHPC梁的抗弯性能，包括试验研究和数值分析，并对4根大型预应力梁进行测试，提出了抗压强度大于150 MPa的预应力UHPC梁抗弯承载力的预测方法。文献[18-23]以横向预应力、预应力筋配筋率、混凝土强度、非预应力筋屈服强度、有黏结和无黏结为变化参数对预应力超高性能混凝土梁进行受弯性能分析。文献[24]研究了活性粉末混凝土(RPC)节段预制拼装预应力简支箱梁的力学性能，通过与整体试验梁的各方面比较和数值模拟，对箱梁进行整体和荷载变化全过程的性能进行了分析。文献[25]通过节段拼装RPC薄壁简支箱梁的抗弯试验和数值模拟分析，得出：胶接缝可以提高节段拼装梁的整体性能，接缝类型和胶接缝对试验梁的剪力滞效应有一定影响。文献[26-27]对节段预制RPC预应力箱桥的极限承载力进行初步分析，并对干接缝和湿接缝进行了受弯性能比较，分析了接缝类型对RPC箱梁抗弯性能的影响，并得出节段预制RPC箱梁的极限安全系数。

目前，针对UHPC节段预制拼装桥梁接缝受弯性能的试验及理论研究均较少，尤其是针对节段间接缝抗弯性能的研究更是鲜见。然而拼接缝的存在对UHPC梁的承载能力影响不能忽视，美国AASHTO-PCI-ASBI S B G《极限应力状态桥梁设计规范》[28]中无黏结预应力混凝土体系胶接缝抗弯承载力折减系数为0.9。基于此，本文以有无拼接缝、键齿类型及预压应力大小为参数，对5片无黏结预应力UHPC节段预制拼装梁进行静力试验，并对其受弯性能进行分析。

1 试验设计

1.1 试验材料和性能

1.1.1超高性能混凝土

试件采用的UHPC配合比如表1所示。其中：水泥为P·O 52.5水泥；硅灰平均粒径为0.1 μm，最大粒径在1 μm以下，SiO2的含量不小于90%；采用低钙粉煤灰，S95级矿粉；采用平均粒径为50.1 μm的 325目石英粉；采用20～40目级配石英砂，粒径在0.3～0.6 mm之间；减水剂为减水率为25%高效可溶性树脂型，掺量为2%；纤维采用镀铜光面平直钢纤维，直径为(0.16±0.05) mm，长度为(13±1) mm，抗拉强度大于2 000 MPa，体积掺量为2%。UHPC水胶比为0.16，UHPC设计目标抗压强度为140 MPa。

表1 UHPC配合比(质量比)Table 1 Proportions of UHPC mass mix

试件分两次进行匹配浇筑，浇筑完成后采用薄膜覆盖，拆模后进行水浴加热养护72 h。浇筑时预留100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块、100 mm×100 mm×300 mm和100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试块与试验梁进行同条件养护，用于测量UHPC的抗压强度、劈裂强度、弹性模量等材料特性，材料特性汇总于表2。

表2 UHPC材料特性

1.1.2接缝胶

接缝胶采用双组份改性环氧树脂类高触变性高强胶结剂JN-P，其为混凝土预制节段拼装施工结构专用拼缝胶，且已在普通混凝土节段预制拼接桥梁进行实际工程应用。接缝胶力学性能见表3。

表3 接缝胶性能

1.1.3钢绞线及锚具

试验梁采用1×7标准型低松弛钢绞线，公称直径为15.2 mm，公称截面面积为140 mm2，抗拉强度标准值为1 860 MPa，弹性模量为195 GPa。锚具采用单孔M1-15夹片式锚具。

1.2 试验梁设计和制作

试验梁设计为UHPC无黏结预应力混凝土节段预制拼接梁，采用分段匹配浇筑，纯弯曲段截面高度为300 mm，宽度为60 mm。试验梁全长为1.82 m，计算跨径为1.6 m。为防止试验梁预应力张拉及加载过程中发生平面外弯曲及受剪破坏，将试验梁两侧支座附近采用增大截面宽度的方式设置增宽段。试验梁主要尺寸如图1所示。

a—立面; b—平面; c—跨中和支座; d—单齿和双齿。图1 截面尺寸及配筋 mmFig.1 Dimensions of test girders and reinforcement

试验梁采用钢模板浇筑，除无接缝梁(整浇梁)之外，其余均采用匹配浇筑，每片梁均由三部分组成，中间节段向外凸齿(如图1中②)，左、右侧为凹齿(如图1中①)，浇筑时先浇筑左、右侧凹齿节段，再匹配浇筑中间凸齿节段。试验梁采用外径20 mm的聚氯乙烯管成孔。

研究参数包括键齿构造及预压应力大小，试验梁设计参数见表4。试验梁包括1片整浇梁和4片拼装梁，接缝键齿类型包括单齿、双齿和平齿，单齿及双齿的齿高均为30 mm，依据法国NF P 18-710《混凝土结构设计规范：超高性能纤维混凝土特别条例》[29]关于剪力键的建议进行键齿设计，键齿的根部尺寸均小于键齿高度的10倍，键齿的倾斜角取为25°，小于法国标准要求的30°。此外，为便于比较，设计时保证不同齿型受剪面积一致，单齿受剪面积为150 mm×60 mm，多齿的受剪面积为2×75 mm×60 mm。

试验梁均如图1所示布置上、下2根无黏结预应力钢绞线，采用单孔千斤顶交替分布对其张拉，并通过压力传感器实时监测其有效预应力。混凝土纵向预压应力共设计两个参数，分别为9.5，16 MPa，大约对应UHPC抗压强度标准值的10%和20%。竖向荷载加载前，各试验梁混凝土平均预压应力实测结果见表4。

表4 试验梁参数Table 4 Design parameters of test girders

为表述方便，试验梁采用UB-KX-P的形式进行编号，其中UB表示UHPC试验梁；K表示键齿，X表示键齿的数量，分别为KN(整浇梁)、K0、K1及K2；P表示预压应力，分别为P1和P2(P1为16 MPa左右、P2为9.5 MPa左右)。例如：UB-K1-P1表示预压应力16 MPa左右的UHPC单齿拼装梁。

1.3 试验装置以及加载方法

试验梁采用两点集中加载，加载装置如图2所示。采用液压千斤顶分级对称加载，加载点至支座中心线水平距离为0.533 m，两端剪跨比均为2.05，纯弯曲段长度为0.533 m。采用大刚度分配梁将竖向荷载平分至两加载点，支座及加载钢板的平面尺寸均为200 mm(横向)×80 mm(纵向)，在钢板下垫相同尺寸的橡胶板以均匀其下应力并防混凝土局部压碎。加载过程中进行如下测试：

图2 试验装置 mmFig.2 Test setups

1)挠度测试。在跨中、加载点及支座处布置5个线性可变差动位移传感器(LVDT)用于记录试件在加载过程中的挠度变化。

2)钢束应力测试。在每根钢束上布置1个300 kN压力传感器，测试其应力增量及其变化规律。

3)混凝土应变测试。采用LVDT进行混凝土应变测试，沿截面高度方向均匀布置5个水平设置的LVDT，拼接梁测试2个接缝断面(L1～L5，R1～R5)，整浇梁测试跨中断面(M1～M5)，测点布置如图3所示。

a—整浇梁; b—节段拼装梁。图3 混凝土应变测点布置 mmFig.3 Strain sensors on girders

4)裂缝观测。加载过程中对裂缝发展规律进行记录，并用裂缝宽度仪对典型裂缝宽度进行测量。

正式加载前，对试验梁进行预加载，检查各仪器工作是否正常。正式加载时，以5 kN为一级加载至弯曲裂缝及斜裂缝出现，确定开裂荷载后，以10 kN为一级加载，临近破坏时按位移控制加载。加载过程中按每5 s采集一个数据的频率自动同步记录竖向荷载、水平荷载及竖向位移，并适时对试件裂缝形态进行记录。由于试验梁采用无黏结预应力钢束，出于安全考虑，试验加载至受拉区的钢绞线应力达抗拉强度的95%时停止试验加载。

2 主要试验结果

2.1 破坏形态和裂缝分布

各试验梁极限状态下破坏形态照片如图4所示，裂缝分布及混凝土压碎区域如图5所示。试验梁均发生受弯破坏，破坏时受压区混凝土压碎。图5中“①”为首条裂缝出现的位置，阴影部分为混凝土压碎区域。

a—UB-KN-P1; b—UB-K1-P1; c—UB-K1-P2; d—UB-K2-P1; e—UB-K0-P1。图4 试验梁破坏形态Fig.4 Failure modes of specimens

UHPC整浇梁荷载加载至极限荷载的62%时，在跨中纯弯曲段出现首条竖向裂缝，与拼装梁相比，裂缝数量随着荷载增加而增多。因UHPC内钢纤维的阻裂作用，裂缝间距较小分布密集，裂缝宽度较小。继续加载，纯弯段竖向裂缝数量稳定，原有裂缝不断扩展，加载至极限荷载时，试验梁顶部出现多条水平向裂缝，受压区混凝土压碎，荷载开始陡降。

预压应力为16 MPa的节段拼接梁的裂缝扩展情况基本一致，加载至极限荷载的42%～63%时，因为超高性能混凝土抗拉强度要高于接缝处结构胶的抗拉强度，纯弯曲段一侧拼接缝位置胶体首先开裂，随后弯曲裂缝基本出现在拼接缝截面，非接缝区几乎没有弯曲裂缝(图5)，但因开裂区域集中的原因，节段拼接梁裂缝宽度相对整浇梁UB-KN-P1明显偏大，详见2.4节。

a—UB-KN-P1; b—UB-K0-P1; c—UB-K1-P1; d—UB-K1-P2; e—UB-K2-P1。图5 试验梁裂缝分布Fig.5 Crack patterns of specimens

预压应力较小的试验梁UB-K1-P2，裂缝开展规律和其他节段梁基本一致，但试件更早开裂。破坏时混凝土压碎的范围和形态也和UB-K1-P1基本一致，说明预压应力大小对节段拼接梁受弯构件的破坏形态影响较小。

2.2 荷载-跨中挠度曲线分析

试验梁荷载-挠度曲线如图6所示，图6中纵坐标为跨中压力传感器读数，横坐标为消除支座变形跨中竖向位移。主要试验结果如表5所示。

图6a描述了相同预压应力，不同键齿构造对荷载-挠度曲线的影响。可以发现：预压应力相同的4片试验梁，荷载位移曲线基本类似，呈现4个阶段：第1阶段为试件开裂前的弹性阶段，荷载-位移曲线基本呈线性；第2阶段为裂缝开展阶段，此阶段裂缝宽度和高度不断增长，钢绞线的应力也不断增加，因采用无黏结预应力高强钢筋，荷载-挠度曲线呈现弧线；第3阶段为破坏阶段，受压区混凝土突然压碎，受压区混凝土部分退出工作，荷载-位移曲线陡降，整浇梁下降最多，其他3片试验梁降低幅度基本一致；第4阶段为破坏后阶段，荷载急剧下降后趋于平缓，此阶段，因受压区混凝土压碎截面中性轴基本位于受压钢束位置，主要依靠高强钢筋抵抗外荷载，因此各试验梁在此阶段能承担的荷载几乎一致。图6b为不同预压应力的单齿UHPC节段预制拼装梁荷载-挠度曲线，预压力大小会影响试件的开裂荷载，但对极限荷载影响相对较小。预压应力为P1的UHPC预制单齿拼装梁的开裂荷载高于预压力为P2的42%左右。

a—键齿构造的影响; b—预压应力的影响。图6 荷载-跨中挠度曲线Fig.6 Relation curves of load-deflection at mid-spans

表5 试验梁主要试验结果Table 5 Main results of test girders

可以发现：拼接缝构造对荷载-挠度曲线影响较小，UHPC试验梁均具有较好的延性，而且拼接梁的延性优于整浇梁；预压应力会影响试验梁的开裂荷载，但对极限荷载影响较小；拼装梁比同条件下整浇梁的抗弯承载能力低9%～15%，接缝构造对抗弯承载能力也有一定的影响，多齿构件比同条件下单齿构件承载力低4.5%，平齿构件比多齿构件承载力又低5.7%。

2.3 应变分布规律

通过沿截面高度方向均匀布置的5个LVDT应变测点(图3)，可以获取纵向应变沿截面高度的分布情况，临界截面的结果如图7所示。试验梁UB-K1-P2接缝位置受拉边缘LVDT试验过程中发生扰动，测试数据在140 kN之后异常，故图7d中未绘制该测点实测结果。

从图7可以发现：无论是否设置接缝、无论拼接缝的形式是单齿、多齿还是平齿，试验梁在各级荷载下的应变基本符合平截面假定。

a—UB-KN-P1; b—UB-K1-P1; c—UB-K2-P1; d—UB-K1-P2; e—UB-K0-P1。图7 试验梁断面应变Fig.7 Strain development along section height of different test girders

2.4 破坏截面压应变变化

图8为破坏截面混凝土受压边缘压应变与荷载的关系，表5汇总了峰值荷载时刻，各试验梁受压边缘的最大压应变。可以发现：预压应力为16 MPa的试验梁达到峰值荷载时，整浇梁、单齿、平齿、多齿试件最大压应变分别为9 638×10-6、7 268×10-6、8 679×10-6、7 522×10-6。预压力较小的构件(UB-K1-P2)峰值应力时刻的应变为35 745×10-6，由于该试验梁荷载达到峰值荷载前受压区混凝土已压碎，该应变不具代表性。

图8 试验梁最大压应变-荷载曲线Fig.8 Relation curves of loads and maximum compression strain of different test girders

结合试验现象，预压应力为16 MPa的试验梁峰值应力时刻为受压区混凝土压碎时刻，通过该试验可以发现UHPC材料受压极限应变明显较普通混凝土大，压碎时刻的极限应变可达7 200×10-6以上。

2.5 受拉区钢绞线应变

图9为受拉区钢绞线应力增量与荷载的关系曲线。钢绞线应力增量通过布置在锚具下的穿心式压力传感器测量得到。表6为各试验梁峰值荷载时受拉区钢绞线应力状况。可以发现：预压应力为16 MPa的拼接梁，钢绞线的应力增量在363.2～576.4 MPa，非拼接梁的应力增量为327.1 MPa，比带接缝构件应力增量要小。同时也可以发现整浇梁钢绞线应力增量的增速要小于UHPC节段拼装梁，预压应力为16 MPa的UHPC拼装梁的钢绞线应力增量的增速要小于预压应力为9.5 MPa的梁的增速。

图9 钢绞线应力增量-荷载曲线Fig.9 Relation curves of load and stress increments of steel strands

表6 受拉区钢绞线应力

3 UHPC节段拼接梁承载能力分析

弹性阶段内，UHPC节段预制梁与整浇梁的受力性能几乎没有差别；极限状态下，两者的抗弯受力性能有较大差别，故在进行UHPC节段预制梁抗弯设计时不能忽视拼接缝的影响。目前的设计一般通过在整浇梁的基础上考虑接缝折减系数的方式进行节段预制拼接梁的抗弯承载能力计算。美国AASHTO标准[28]对节段预制拼装梁设计作了相对系统的规定，见表7。

表7 AASHTO标准[28]抗弯折减系数规定Table 7 The AASHTO specification[28] for bending reduction factors

A类为湿接缝和环氧树脂接缝；B类为干接缝。

本文中UHPC节段拼接梁采用的是剪力键有胶型，即在接缝处的键齿上涂抹环氧树脂结构胶，环氧树脂把节段UHPC黏结成整体。对UHPC拼接梁与同条件下整浇梁的抗弯承载力进行了对比，见表8。

表8 整浇梁与拼接梁抗弯承载力对比Table 8 Comparisons of bending capacity between intergal casting girders and segmental precast girders

Mu1为UHPC整浇梁试验结果；Mu2为UHPC节段拼接梁试验结果。

由表8可以发现：拼接梁与整浇梁抗弯承载力的比值在0.86～0.95，均值为0.91，与美国AASHTO标准[28]中无黏结预应力混凝土体系A类接缝抗弯承载力折减系数为0.90基本吻合，说明美国AASHTO标准[28]提出的接缝折减系数基本适合UHPC节段拼装梁，但根据本文试验研究分析可以发现其折减系数还应与键齿类型有关，键齿影响系数需基于更多的试验及数值分析数据得到。

4 结束语

通过对5片试验梁的试验过程以及试验结果的对比，得出如下结论：

1)试验梁均呈现典型的弯曲破坏，受压区UHPC均压碎，破坏时受压边缘的最大压应变可达7 200×10-6以上，无论是否设置拼接缝，应变沿截面高度的分布规律基本满足平截面假定。

2)与整浇梁裂缝不同，拼接梁的弯曲裂缝主要集中在拼接缝位置。

3)拼接缝构造对荷载-挠度曲线影响较小，UHPC试验梁均具有较好的延性，且拼接梁的延性优于整浇梁；预压应力会影响试验梁的开裂荷载，但对极限荷载影响较小。

4)拼装梁比同条件下整浇梁的抗弯承载能力低9%～15%，接缝构造对抗弯承载能力也有一定的影响，多齿构件比同条件下单齿构件承载力低4.5%，平齿构件比多齿构件承载力又低5.7%。

5)基于试验析发现美国AASHTO标准提出的抗弯承载力折减系数基本适合UHPC节段拼装梁，但折减系数还应与键齿类型有关，键齿影响系数需基于更多的试验及数值分析数据得到。