节段预制拼装超高性能混凝土梁弯曲试验

2022-08-06毛佳豪李立峰房宇超

铁道建筑 2022年7期

毛佳豪李立峰，2 房宇超

1.湖南大学土木工程学院，长沙 410082；2.风工程与桥梁工程湖南省重点实验室，长沙 410082

节段预制拼装桥梁（简称节段梁）具有施工周期短、质量高等优点，在国外已有大量应用［1］。为进一步缩短工期，多采用体外预应力筋和胶接缝节段梁的形式［2-3］。普通混凝土（Normal Concrete，NC）节段梁有自重大、耐久性差等问题，从而限制了其发展。超高性能混凝土（Ultra⁃high Performance Concrete，UHPC）是一种新型水泥基复合材料，具有超高强度、超高耐久性等优点［4］。用UHPC 代替NC，可将构件设计得更轻薄［5］，自重得以减轻，耐久性得以改善。文献［6］发现在受压区配置箍筋可有效提高节段梁的延性。文献［7］发现将受压区NC 替换为高性能混凝土可改善节段梁的抗弯性能。文献［8］基于经验统计的方法提出了节段梁体外预应力极限应力和有效高度的计算方法。文献［9］基于结构变形的方法推导了节段梁抗弯承载力的计算公式。然而，对UHPC 节段梁仅有少量研究，文献［10］发现接缝键齿构造对抗弯承载力有一定影响。关于体外预应力UHPC 节段梁，国内外尚未有学者进行试验研究。

本文提出体外预应力UHPC 节段梁，通过3 根体外预应力UHPC梁的模型试验研究此类新型桥梁的弯曲性能，并验证其可行性。

1 试验模型

共设计制作了3 根体外预应力UHPC 简支梁，分别为1 根整体梁和2 根节段梁。试验梁参数见表1，各试验梁几何尺寸相同。

表1 试验梁参数

以B⁃2 为例（图1），试验梁全长4.0 m，计算跨径为3.84 m，采用高0.4 m 的T 形截面。梁顶和梁底分别布置2根预应力筋，梁顶为体内无黏结预应力筋，梁底为体外预应力筋，且布置2 个预应力筋转向块。截面底部配置1 根直径14 mm 纵筋，其余均为直径6 mm构造配筋。将节段梁的各接缝命名为J1—J4。

图1 试验梁构造（单位：mm）

UHPC 为预混料，其中掺有体积分数2.5%的镀铜钢纤维。测得其弹性模量和轴心抗压强度分别为51 153、162 MPa。每束预应力筋采用1 根公称直径15.2 mm 的1860 级钢绞线。名义屈服应力定义为预应力筋本构关系中残余应变为0.2%时对应的应力，测得钢绞线名义屈服应力为1 701 MPa。

试验梁在钢模板中浇筑，其中节段梁采用长线法制作。浇筑后对试验梁进行高温蒸汽养护，然后在节段梁接缝界面均匀涂满环氧树脂，对各梁段施加预压应力。待环氧树脂胶硬化后，分阶段张拉预应力筋。在实验室中静置，等待加载。

2 试验过程

对试验梁进行四点弯曲试验，加载现场布置如图2 所示。通过手摇式千斤顶加载，在千斤顶上方和预应力筋锚固端布置压力传感器，分别记录荷载和预应力。通过线性位移传感器记录试验梁的挠度，共布置5个，分别位于2个支座、跨中、J2和J3的位置。

图2 四点弯曲加载布置（单位：mm）

加载前期为荷载控制，以10 ～ 20 kN 为一个荷载步，后期试验梁刚度下降明显，改为位移控制加载，以2～5 mm为一个荷载步。待每级荷载稳定后记录试验数据。所有试验梁达到荷载峰值时，预应力筋应力接近1 800 MPa。出于安全考虑，未加载至预应力筋断裂。当荷载下降后，继续加载2 ～ 4 个荷载步即停止试验。

3 试验结果与分析

3.1 荷载-挠度曲线

荷载-最大挠度曲线见图3。可知，A⁃1、B⁃1和B⁃2的极限荷载分别为326.9、288.0、270.0 kN，B⁃1 和B⁃2的极限荷载比A⁃1分别低11.9%和17.4%。B⁃1和B⁃2的最大挠度均大于A⁃1，且最大挠度出现在J3位置。

图3 荷载-最大挠度曲线

结合图3及试验现象发现试验梁在加载全过程中具有如下特点：

1）加载初期所有试验梁均处于线弹性阶段。A⁃1、B⁃1 和B⁃2 的抗弯刚度分别为29 244、28 279、22 941 kN·m2，B⁃1 和B⁃2 分别为A⁃1 的97%和79%。浇筑和拼装时的制作误差导致B⁃2 刚度较低，属于偶然因素。因此，可认为正常情况下，由于环氧树脂胶将节段梁的各梁段粘接为一个整体，节段梁和整体梁在弹性阶段内的抗弯刚度非常接近，在此阶段可将节段梁视为整体梁。

2）整体梁初期开裂表现为大量细小裂缝，此时刚度没有明显下降。当UHPC 基体开裂后，钢纤维仍能在裂缝界面传递拉力，故出现大量细小裂缝，且刚度下降较小。整体梁后期开裂表现为出现数条主裂缝，此时钢纤维从UHPC 基体中被拔出，故刚度开始迅速下降。最终，当预应力筋应力超过名义屈服应力后，荷载几乎不再增加，甚至开始缓慢下降。

3）节段梁接缝张开后刚度立刻下降，但荷载和挠度仍呈线性变化。直至接缝张开高度发展至顶板，预应力筋应力达到名义屈服应力，荷载开始缓慢下降，与整体梁后期表现相似。

试验梁破坏模式均为顶部UHPC 压溃，底部预应力筋屈服。B⁃2试件极限状态见图4。

图4 B⁃2试件极限状态

3.2 裂缝分布

当荷载为170 kN 时，整体梁A⁃1 的跨中和转向块附近首次出现2 条正截面裂缝。当荷载继续增加，纯弯段内不断出现新裂缝，且裂缝宽度随荷载缓慢增加。直到荷载超过210 kN 后，几乎不再出现新裂缝，但已有裂缝的宽度仍在增加。当荷载达到240 kN 时，转向块附近的弯剪段出现数条斜裂缝。同时，纯弯段出现4条主裂缝，且宽度迅速增加，其他裂缝的宽度几乎不再变化，甚至略有减小。最终，在极限状态下，最大裂缝宽度达到15 mm。

B⁃1 和B⁃2 分别于荷载为170 kN 和155 kN 时，在接缝附近首次出现局部裂缝，与A⁃1 首先出现正截面裂缝的类型有所不同。荷载继续增加，B⁃1和B⁃2几乎没有出现正截面裂缝，而在J2和J3附近不断出现局部裂缝，且接缝张开宽度和高度不断增加，最终接缝张开宽度超过35 mm。

试验梁的裂缝分布见图5。对于整体梁，红色裂缝表示主裂缝；对于节段梁，红色接缝与黑色接缝分别表示加载过程中接缝张开与未张开。可见节段梁的裂缝数量明显少于整体梁。

图5 试验梁的裂缝分布

3.3 荷载-预应力曲线

荷载-预应力筋应力曲线见图6。可知：①整体梁梁底筋的荷载-应力关系呈三段线性关系，第1个拐点对应开裂荷载，第2 个拐点对应出现主裂缝的荷载。而节段梁呈两段线性关系，拐点对应接缝张开时的荷载。②从开始加载至破坏，各试验梁梁顶筋的应力呈减小趋势，但变化幅度较小。梁底筋的应力有显著增加，增长幅度超过700 MPa。

图6 荷载-预应力筋应力曲线

JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》在计算极限状态下的抗弯承载力时，忽略体外预应力筋的应力增量。对于体外预应力UHPC 梁，试验测得预应力筋应力增量超过700 MPa，若依据规范则计算结果可能过于保守。在计算此类桥梁的极限抗弯承载能力时，可适当考虑体外预应力筋的应力增量，其具体取值须依靠更多的模型试验和理论推导。