装配式格梁护坡新型节点结构设计与试验

成尚锋，钟文健，谷任国，房营光，詹立贵

(1.广东交通实业投资公司 广州 510623；2.华南理工大学土木与交通学院 广州 510641)

0 引言

锚杆(索)加格梁结构是目前岩土工程中边坡灾害防治的一种主要措施，自20世纪90年代以来广泛应用于我国水电、矿山、铁路、公路的边坡加固及滑坡治理工程中，取得良好的支护效果。传统的格梁结构虽然技术成熟、工程造价较低，但工序复杂、耗时较长。边坡开挖卸载后增加了坡体的不稳定性，如支护不及时导致坡面长期暴露，增加雨水浸润和冲刷的几率，对坡面和坡体稳定性极为不利；此外，传统的现浇格梁结构锚固技术需要消耗大量人工劳动力，随着我国人工劳动力紧缺和人工费日益高昂，该方法造价成本因人工费的增加而逐渐增长。因此，减少劳动力投入、提高施工效率、缩短工期等对边坡加固工程十分重要。

近年来，国家大力提倡预制装配式结构的发展，使结构构件能规模化、标准化生产并且得到统一化的质量管理。将预制装配式生产理念应用到边坡防护工程中，不仅能优化构件生产，保证构件质量并提高构件的强度和耐久性，而且能够实现防护结构快速安装、缩短工期、减少劳动力的使用，有效防止坡面长期暴露和加固不及时而导致的工程事故，同时可减少施工污染和施工扰民的发生，有利于文明施工和环境保护[1-3]。尽管预制装配式护坡技术已有不少研究，但在实际工程中存在自重较大、吊装不便等不足，使其推广应用受限，从而使格梁轻型化的需求非常迫切。

针对上述问题，本文提出轻质装配式的理念，从两方面优化原有的装配式构件：一方面，优化装配式构件的结构形式，分层设计节点构件以降低单一预制构件的质量、方便构件吊装，同时提出“阴阳锁”设计，完善构件接头连接、增强格梁的整体性；另一方面，采用陶粒混凝土替换普通混凝土，减轻格梁自重。

本文依托大潮高速公路建设项目，在K12+670～K12+825 段路堑高边坡设立试验示范区。该边坡长约 155m，最大坡高53.68m，采用预制装配式护坡技术代替传统的现浇格梁护坡结构，预制构件包括预制十字节点、预制格梁以及连接件等。针对如何合理设置节点的分层结构形式、如何可靠连接格梁构件整体受力、如何克服陶粒混凝土强度较低、探索最优配合比，开展相应的研究。

1 新型装配式锚索格梁护坡结构设计

1.1 预制节点构件

传统的现浇节点施工工序复杂，耗时较长，且施工质量受到场地、气候、养护等多因素的影响。预制装配式十字节点能够较好地克服上述现浇节点存在的不足，但单个预制节点构件质量重达0.5t，导致在边坡上定位、调整、安放非常不方便，影响了施工效率。本文在原有预制十字节点的基础上进行分层设计，分成上下两层，使单个构件施工质量减少50%；在上下两层的连接面上预留凹凸碗型定位装置，施工过程中使上下层构件快速对准安装；在构件中间嵌入一个套筒，其作用是防止锚索左右摆动，避免损害预制构件，造成构件混凝土剥落；两个部分伸长端各设置一个预埋原生PVC塑料管螺杆孔，用于构件连接。新型的预制节点如图1和图2所示，分层设计节点构件如图3所示。

图1 预制节点俯视

图2 预制节点侧视

图3 分层设计节点构件

1.2 装配式快速锁紧连接构件

预制混凝土构件在预制构件厂进行加工制作，将经质量验收合格的预制构件运输到施工现场，在现场用安装机械吊装就位。各装配式构件之间连接的牢固程度直接关系到结构的整体力学性能与边坡加固效果，而连接方法的难易程度，直接关系到结构安装的进度。用于边坡支护预制构件的连接不同于一般性装配式建筑物构件的连接，在边坡上预制构件的连接受到边坡岩土特性与刷坡挖槽等平整度的影响，构件之间很难做到精准对位，构件之间的连接必须能适应于这种客观因素。

(1)考虑构件之间的连接应满足连接可靠性、连接简易性和连接灵活性等要求，本文设计了一种采用螺栓连接为主的装配式快速连接装置，如图4所示。根据实际工况建模分析，螺栓连接构件选用15mm厚的连接钢板、10mm厚的压块以及直径25mm的螺杆和相应的螺帽。连接钢板上预设连接螺栓直径2～3倍大的连接安装孔，即便在错位情况下也可实现构件的精准快速连接。连接钢板上下端采用内扣设计，一方面方便构件连接时准确对位，另一方面在连接完成后能防止预制构件上下错动。构件间预留空隙，填充现浇M10水泥砂浆。构件连接如图5所示。

图4 装配式快速连接装置

图5 构件连接

(2)连接钢板上预设连接螺栓直径2～3倍大的安装孔，虽然能够较好地提高连接装置的容错性，但是连接的牢固性仍不足。由于大安装孔的存在，构件之间的连接可以视为铰接，在荷载作用下可能出现相对的旋转、错动，影响整体受力和加固效果。为此，本文设计提出“阴阳锁”，如图6所示。

图6 “阴阳锁”实物

实际使用中，将阴阳锁内置在连接钢板预留孔中，待螺栓连接完成后，将特制扳手插入“阴阳锁”上预留圆孔来转动阴阳锁，令螺栓自动滑入预留孔地中心位置，并在构件端部将预留错位孔隙用砂浆填满，达到锁死连接装置的目的，确保装配式结构在运营中不松动，如图7所示。这种基于“阴阳锁”的装配式快速锁紧连接装置，解决了预制构件连接对准不易、接头容易松动等问题，并具有容错能力强、安装速度快、有效锁紧接头等优点，较大地提高了施工效率。

图7 “阴阳锁”锁紧操作

2 轻质高强混凝土配合比设计

陶粒混凝土作为多功能性材料，具有自重轻、保温、抗震性能好等特点，因此可采用陶粒混凝土取代普通混凝土，大幅降低装配式混凝土的自重。但陶粒混凝土强度一般较低，很少用于传力受力和承重结构中[4-7]。本文采用“强度弱化”原理，先设计制作高强的混凝土试件，再在其配合比的基础上将骨料置换为陶粒，探索高强陶粒混凝土的最优配合比，以达到减轻重量并满足强度要求的目的。

根据装配式格梁护坡施工要求，需配制的轻质陶粒混凝土要求其抗压强度在 40MPa 以上，密度在1.8～2.0×103kg/m3范围内。根据强度弱化原理，应采用强度在C50以上的混凝土试样进行弱化。为了更好地缩短试验范围，减少不必要的试验次数，在未确定合适的陶粒混凝土配合比试配前[8-10]，选用C50、C60两种普通高强混凝土进行弱化减重，且陶粒置换体积设计为80%和100%。通过混凝土力学性能试验分析，不断优化混凝土试样的配合比，最终得到轻质高强陶粒混凝土的推荐试验配合比。两种基准配合比见表1，陶粒混凝土的试配调整过程见表2。

表1 C50与C60 混凝土基准配合比设计(单位：kg/m3)

表2 不同陶粒混凝土试样的配合比试配(单位：kg/m3)

力学性能试验根据《混凝土物理力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2019)的有关规定进行,其中：抗压强度的试件尺寸为 100mm×100mm×100mm；抗折强度的试件尺寸为 100 mm×100 mm×400 mm， 净跨为 300 mm。抗压强度试验结果如图 8 所示，其测试的容重如图 9 所示。

图8 抗压强度随不同陶粒置换比例的变化曲线

图9 容重随不同陶粒置换比例的变化曲线

当陶粒置换体积比例为 100% 时，C60混凝土经过 28d 养护后的混凝土试件抗压强度达到 41MPa，其平均密度为 1.94×103kg/m3，满足装配式轻质混凝土的施工要求。对 C60-100% 混凝土进行抗折性能测试，用陶粒全部置换 C60 混凝土中的粗骨料后，其抗折性能虽有所降低，但仍满足抗折强度不低于 4.4 MPa 的力学性能要求(表3)。

表3 抗折强度试验结果

综上所述，可将 C60-100% 混凝土试配的配合比为轻质装配式陶粒混凝土护坡工程的混凝土配合比设计作参考，可以实现轻质高强的目的，其最佳配合比见表4。

表4 轻质高强陶粒混凝土配合比设计(单位：kg/m3)

3 节点性能试验

3.1 试验设计

在实际工程中十字节点主要受到以下作用力：在锚孔位置受附加垂直于面的集中锚杆拉力、节点混凝土底部受垂直坡面向上的力以及连接连接件处的连接反力，如图10所示。为了得到十字节点在真实工况下的力学行为特征，本文设计了针对十字节点的加载模具，以便最大程度地模拟十字节点的实际受力工况。加载模具实物如图11(a)、(b)所示，实际加过程如图11(c)所示。压力试验机安装上1号、2号模具，将整个十字节点倒置在改装后的压力试验机，加载时1号模具对节点的作用模拟锚索对节点施加集中力，2号模具对节点的作用模拟坡面反力对节点的作用。

图10 预制节点实际工况

图11 模具及加载装置

3.2 试验过程

为了进一步研究掌握 C60-100%陶粒混凝土配合比配制十字节点构件的力学性能，采用微机控制电液伺服式压力试验机对 C40 普通混凝土和 C60-100%轻质高强陶粒混凝土进行分级加载条件下的受力性能试验，采用分级加载，加载方案如图12所示。试件加载过程按《混凝土结构试验方法标准》(GB/T 50152-2012)的相关规定进行。

图12 分级加载梯度

3.3 试验结果与分析

对于普通混凝土，从 100kN 加载到 150kN 的过程中出现试件开裂；持续加载到 250kN 后，在上层十字节点观察到细微裂缝；从 250kN 一直到加载结束，裂缝发展很缓慢，最后在上层十字节点根部发现一条长裂缝，下层节点未出现裂缝(图13)。位移随荷载的变化如图14所示。

图13 普通混凝土细裂缝

图14 普通混凝土荷载-位移

对于陶粒混凝土，加载至 100kN 时在上层节点侧面中部出现三条细微裂缝；加载至 200kN 时在上层节点侧面根部出现两条细微裂缝；加载至 300kN 时裂缝扩至上层节点的 2/3 处，同时裂纹宽度明显扩大；加载至 400kN 时下层节点开始出现裂缝；加载至 450kN 时上层节点裂缝扩展至底部；加载至 550kN 时下层节点也扩展至底部，且最大裂缝宽度达 1.0mm 左右；加载至 600kN 时上层十字节点端部压裂；加载至 650kN 时最大裂缝达到 2.0mm 左右；加载至 700kN 时最大裂缝达到 4.0mm 左右，如图15所示。

图15 陶粒混凝土裂缝

位移随荷载的变化如图16所示，取与上述普通混凝土相同的加载区间 100～500kN，陶粒混凝土的位移仅为 1.9mm，具有较好的刚度，但陶粒混凝土的裂缝产生较快。

图16 陶粒混凝土荷载-位移

通过实验结果分析可见，普通混凝土在加载过程中，表现出更好的承载能力，较晚产生第一条裂缝，且随着荷载的增大，裂缝发展缓慢，抗裂性较好；相比而言，陶粒混凝土构件虽然较早产生裂缝且发展快速， 但仍表现出优良的承载能力和抗弯刚度，随着荷载增加至600kN时，构件才出现破坏的情况，同时相比普通混凝土构件更轻，实现了轻质高强的优化目的。根据《混凝土结构设计规范》，允许钢筋混凝土构件带裂缝工作，裂缝宽度不得超过0.2mm，因此可取200kN作为预制节点的抗弯强度设计值，则该预制节点完全可以搭配常规的锚杆使用，例如型号R25(15t)。此外，由于节点带裂缝工作，构件制作的时候需提前做好防水措施，采用耐腐蚀的钢筋，保证构件钢筋长期使用，以便该预制节点可应用于实际工程。

4 结论

(1)通过分层式设计以及采用陶粒混凝土材料，十字节点预制构件的质量由原来的0.5t下降至单构件质量为0.195t，预制节点构件自重下降了约61%。随着预制构件质量的降低，构件运输与吊装也更加方便，施工效率随之提高。

(2)研制基于“阴阳锁”的装配式快速锁紧连接装置，该装置容错性强，操作灵活便捷，能在施工现场实现构件快速连接，大幅提升了施工效率。该装置还能快速锁紧构件，使构件接头处不易松动，护坡结构整体性与刚度增强，装配式护坡的加固效果突出。

(3)根据“强度弱化”原理，用陶粒代替普通混凝土中的粗骨料，经过大量实验探索出轻质高强混凝土的最优配合比—水∶水泥∶矿粉∶砂粒∶陶粒∶减水剂=144.23∶442.4∶147.5∶714∶232.9∶11.798，水胶比为0.26。基于该配合比的陶粒混凝土试件抗压强度标准值为40.85MPa，抗折强度标准值为6.62 MPa，满足轻质装配式护坡施工的要求。陶粒混凝土的密度约为1.94×103kg/m3，陶粒混凝土预制构件相比普通混凝土预制构件的重量减少了22%，实现了轻质高强的目的。

(4)通过力学性能试验分析，陶粒混凝土节点可应用于拉力设计值为200kN及以下的锚杆或锚索格梁支护工程中。另外，陶粒混凝土十字节点构件的力学性能与普通混凝土相比，在正常使用荷载范围内容易出现细微裂纹，因此构件需要进一步做好防水与防腐蚀措施，以更好地保证该构件在露天条件下正常发挥作用。