基于不同快速修补材料的铺装层对混凝土梁抗弯承载力的影响

2022-07-18郭金波

北方交通 2022年7期

郭金波

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司沈阳市 110166)

0 引言

桥面铺装是桥梁承受汽车荷载作用的结构。良好的桥面铺装可用于改善桥梁的行车条件，提高舒适性和积极性，满足交通运输需求。此外，桥面铺装可以一定程度改善桥梁的荷载分布情况从而提高桥梁的承载能力[1-3]。在行车荷载、冻融环境、除冰盐环境的共同影响下，加速了高速公路桥梁水泥混凝土桥面铺装结构的破坏[4]。高速公路为了快速保通，需使用混凝土快速修补材料对水泥混凝土桥面铺装进行维修，并要求材料性能在修补后不超过8h达到开放交通条件。近几年京哈高速公路桥面铺装快速修补施工中应用了快速修补砂浆、快硬混凝土、混凝土早强剂等不同类型的快速修补材料。国内针对快速修补砂浆和快硬混凝土材料性能研究较多，但针对6h龄期和28d龄期不同快速修补材料的铺装层对混凝土梁承载力影响的结构性能研究少见[5]。采用静载破坏试验研究讨论不同快速修补材料的铺装层对混凝土梁的抗弯承载力的影响，观测不同快速修补材料的铺装层是否与预制梁混凝土发生界面滑移，以此评估不同快速修补材料与原有混凝土之间的粘结程度。针对以上问题进行试验研究，得出相关结论，供设计和施工人员参考。

1 原材料与试验方法

1.1 原材料

本次试验铺装层材料选用了C40混凝土、C40快硬混凝土、快速修补砂浆三种，工况1铺装层材料为C40混凝土，工况2～工况5的铺装层分别选用了不同龄期的快硬混凝土和快速修补砂浆。其中快硬混凝土、快速修补砂浆为辽宁省交通规划设计院自研，不同龄期铺装层材料性能参数见表1。

表1 试验用材料性能

1.2 试验方案

本试验模型根据8m混凝土矩形梁(预制梁)进行缩尺建立，试验共预制5组矩形梁，采用C40混凝土材料，其尺寸为l×b×h=4000mm×460mm×230mm，净跨径L0=3.7m。在预制的缩尺矩形板梁上浇筑不同快速修补材料的铺装层，其中混凝土铺装层厚度为80mm。

按照《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152—2012)对试验梁进行加载。对5片试验梁应对其预加载。正式加载时，应根据各试验梁的抗弯承载力估算值进行分级加载。

预加载：将试验梁的预加载保证为其弹性受力，避免发生开裂以及任何形式残余加载值。时间间隔均持续5min的外力依次为10kN、20kN以及最后减小至10kN。试验开始进行预加载前，检验支座是否平稳，仪表及加载设备是否正常，并对仪表设备进行调零。

分级加载：采用单调、静态加力，以加铺材料为铺装层C40混凝土(28d)为例，以5kN为一级荷载，加至接近受弯开裂荷载，然后以1mm为一级加载，至梁发生抗弯破坏(当裂缝达到2mm则停止加载)。每级加载结束后持荷10min，等待相关读数平稳后再进行数据采集和裂缝的观察。

测试工作主要包括加载点位置试验梁挠度、受压区混凝土应变、受拉区混凝土应变、界面滑移性能以及荷载作用下裂缝的发生及发展。

1.3 有限元模型建立

建立有限元模型，如图1所示，采用计算软件MIDAS/FEA进行计算分析。模型中实体单元共18240个、钢筋单元共15698个、节点共37827个，加载图示见图2。

图1 试验梁有限元模型

图2 试验梁边界条件及荷载

2 结果与讨论

2.1 试验结果

对所有试验梁破坏模式进行归纳，见表2。

表2 试验梁主要试验结果

由表2可知，6h龄期的快硬混凝土铺装层与快速修补砂浆铺装层的混凝土梁的极限承载能力分别达到普通C40混凝土梁28d极限承载力的100%和 89.5%。28d龄期的快硬混凝土铺装层与快速修补砂浆铺装层的混凝土梁极限承载能力较普通C40混凝土梁分别提高了3%和16.9%。

工况1～工况5在试验梁达到极限破坏状态的过程中，先是受拉区纵筋发生屈服，裂缝扩展得较为明显，最终以受压区混凝土的压溃而破坏，属典型适筋梁弯曲破坏状态。破坏面发生在跨中截面，主要在纯弯段出现较多的竖向裂缝。

2.2 试验与有限元荷载位移曲线对比分析

图3为各试验梁的荷载-位移关系的试验值与有限元模拟值的对比曲线图，其中工况2试验梁的荷载位移曲线采用修正值。表3为有限元模拟值与试验值的误差表。

图3 试验梁荷载位移曲线图

表3 有限元模拟值与试验值的对比分析

由图3(a)、图3(d)、图3(e)可以看出，铺装层材料为铺装层C40混凝土(28d)、铺装层快硬C40混凝土(6h)与铺装层快速修补砂浆(6h)的混凝土梁加载全过程非线性有限元分析能较好地模拟出试验梁的受力情况，试验梁的荷载-位移曲线与有限元模拟所得曲线基本保持一致。由图3(b)可以看出，工况2的混凝土梁可能由于支座或者垫块所导致梁的非弹性变形，从而导致试验数据的整体偏移，将试验数据进行修正的荷载-位移曲线与有限元模拟所得荷载-位移曲线重合，说明了修正之后数据的准确性。由图3(c)可以看出，工况3的混凝土梁的试验所得荷载-位移曲线与有限元模拟曲线存在较大的误差，有限元模拟中梁的刚度存在整体偏小的情况，承载力也存在偏小的情况。可能由于试验梁的混凝土材料与钢筋粘结良好，在钢筋屈服后，荷载持续增加至受压区混凝土达到极限压应变，混凝土被压碎后达到最大承载力。而有限元模拟中不能考虑粘结滑移所带来的影响，因此试验值与模拟值有一定的偏差。

由表2与表3可知工况2～工况5混凝土梁的承载力的试验值均与有限元模拟值相近。与对比梁有限元模拟值相比，使用不同快速修补材料的铺装层的混凝土梁的实际极限承载力大约提升27.3%～66.1%。

2.3 试验混凝土梁裂缝发展对比

工况1的混凝土梁的试验裂缝如图4(a)所示。随着荷载的不断增加，混凝土梁跨中(纯弯段)不断出现竖向裂缝。当钢筋屈服后，裂缝的宽度与高度进一步发展，受压区混凝土被压碎，梁不继续承担荷载，符合适筋梁破坏原则，同时预制梁与铺装层也未发生明显的剪切破坏。

图4 荷载试验模型梁裂缝图(单位：mm)

工况4、工况5的混凝土梁的试验裂缝图如图4(b)、图4(c)所示。试验混凝土梁的裂缝发展规律与工况1相同，不再赘述。快硬混凝土、快速修补砂浆铺装层与预制梁上表面混凝土粘结程度良好，层间未发生脱层及开裂。由于加铺层与预制梁之间良好的粘结性能，提高了新旧结构的协同受力能力，有效提高了混凝土梁的有效刚度和结构的抗弯承载力。