装配式钢-混凝土组合梁预制混凝土板湿接缝受力性能研究

班新林 李旺旺 苏永华 荣峤

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.中国铁道科学研究院集团有限公司高速铁路轨道技术国家重点实验室，北京 100081

钢-混凝土组合梁桥在承受荷载中可充分发挥结构中钢材和混凝土的力学性能，从而提高桥梁结构的跨越能力并降低结构自重［1］。随着我国铁路中“以桥代路”建设模式的全面应用，桥梁施工将在环境较为恶劣的山谷、河流等中进行［2］。装配式施工方法可显著提高现场施工效率和构件的制备质量，缩短现场施工时间和减少现场施工工作量，具有良好适用性。

装配式钢-混凝土梁结构受力分析的关键是连接混凝土板的结构构造和形式，良好的连接构造可保证预制混凝土板之间的可靠传力和共同工作，有效保证桥面板的整体性。国内外众多学者对混凝土板之间连接形式进行了广泛研究。文献［3-4］对锚固钢筋形式的湿接缝进行了试验研究，发现锚固钢筋湿接缝形式可有效传递板之间的力，可应用于工程实践；文献［5］针对装配式混凝土构件采用U形钢筋湿接缝的受力性能开展试验研究，结果表明该连接节点具有良好承载力和延性；文献［6］将高补偿收缩混凝土应用于混凝土板湿接缝并开展试验研究，结果表明该种混凝土在后浇带中有明显补偿收缩效果。

文献［7-9］表明U形钢筋湿接缝在实际工程中具有良好适用性，根据环形钢筋的相互位置和搭接形式湿接缝分为搭接和不搭接两种。不搭接形式接缝可灵活调整钢筋位置，提高施工效率，因此本文对不搭接U形钢筋湿接缝开展试验研究，考虑预制混凝土板湿接缝构造型形式和混凝土强度对混凝土板受力性能的影响，设计和制备了3个足尺装配式钢-混凝土组合梁预制混凝土板湿接缝连接模型，对装配式钢-混凝土组合梁混凝土板湿接缝受力性能开展试验和理论研究，分析了接缝构造和混凝土强度对接缝性能的影响，得出接缝承载力计算公式。

1 试验概况

1.1 模型计算分析

装配式钢-混凝土组合梁中预制桥面板环形钢筋湿接缝的传力是通过两个环形钢筋形成的封闭区域锁住核心区混凝土而进行的，其作用类似于销轴，核心混凝土柱两侧钢筋拉力自相平衡［9］［图1（a）］。该种形式下可能的破坏形式只有两种：①核心区混凝土剪切破坏；②环形钢筋被拉断。

参照带孔钢板连接件计算理念，对环形钢筋受力进行分析［图1（b）］。

图1 湿接缝核心混凝土受力和计算图式

钢筋受拉极限状态下环形搭接构造承载力为

式中：Nt为钢筋受拉极限荷载；hs为混凝土板有效高度；L为构件弯剪区长度。

核心区混凝土抗剪承载力为

式中：Ncv为混凝土抗剪承载力；α为提高系数；Acor为核心混凝土有效区面积；n为核心区内横向钢筋根数；dL为横向钢筋直径；ftd为核心区混凝土抗拉强度设计值；fvd为核心区混凝土抗剪强度设计值。

根据核心区混凝土和钢筋抗剪承载力、钢筋的抗拉极限承载力分别计算构件可承受的荷载，取其最小值作为环形钢筋连接构造的承载力。为避免湿接缝混凝土出现剪切脆性破坏形态，对模型参数进行反复试算，确定试件构造参数。试件承载力计算结果见表1。表中，试件SP-1为无连接构造的一般通常钢筋桥面板；试件SP-2为C50细石微膨胀混凝土桥面板且后浇带长度为350 mm；试件SP-3为超高性能混凝土（Ultra-High Performance Concrele，UHPC）桥面板且后浇带长度为175 mm。

表1 试件承载力计算结果

1.2 模型构造参数

参照文献［10-11］中组合梁混凝土板厚度规定，结合钢-混凝土组合梁实际配筋形式，设计和制备了装配式组合梁混凝土板连接构造模型，主要研究湿接缝构造形式和混凝土强度对预制混凝土板受力性能的影响，模型设计主要参数见表2。试件SP-2构造如图2所示。

表2 装配式桥面板连接件模型设计主要参数

图2 试件SP-2构造（单位：mm）

1.3 加载及测试方法

采用日本鹭宫生产的高精度电液伺服作动器（V06-05）对模型进行静载试验。模型试件正式加载前先加载至预估极限荷载的5%，确保各仪器和设备运转正常，预加载完毕后进行正式加载。试验加载过程中测试试件中混凝土应变、钢筋应变、竖向挠度等数据。

1.4 材性试验结果

制备模型试件的同时制备相关混凝土材料试块，随试件进行同条件养护，进行试件静载试验时测试相关材料性能。混凝土材料性能见表3。

表3 试件混凝土材料性能

2 试验结果及分析

预制混凝土板连接试件SP-1、SP-2、SP-3静载试验得到极限承载力分别为764、672、705 kN。

2.1 荷载位移关系

混凝土板连接试验过程中所有试件均经历了弹性工作阶段、弹塑性工作阶段和破坏阶段，试件SP-3荷载-位移关系见图3。可见，荷载较小时，试件的荷载与相对位移成线弹性关系，混凝土表面无明显裂缝；随着荷载增大，混凝土板表面出现裂缝，连接模型进入弹塑性工作阶段，试件荷载与位移关系表现出非线性；随着荷载进一步增加，试件进入破坏阶段，板底混凝土裂缝迅速增多，裂缝宽度迅速增大，试件内部有混凝土压碎，达到极限荷载时混凝土板顶部混凝土被压碎，裂缝宽度迅速增大，荷载急剧降低。试件破坏的原因是板底主筋屈服，板顶混凝土被压碎，混凝土板连接件达到极限破坏状态。

图3 试件SP-3荷载-位移关系

2.2 混凝土板湿接缝承载力

不同试件的荷载-位移曲线对比见图4。可见：3个试件在弹性阶段和弹塑性阶段基本重合，表明在结构使用阶段采用C50和UHPC作为后浇带材料可有效保证桥面板结构整体性；试件SP-2极限承载力是试件SP-1的88%；试件SP-3极限承载力是试件SP-1的92%。

图4 不同试件荷载-位移曲线对比

采用UHPC材料可显著减小后浇带的尺寸，且能有效保证预制混凝土板的整体性。

2.3 湿接缝混凝土应变

当模型试件荷载达到120 kN时，立面沿截面高度混凝土应变对比见图5，其中跨中为构件跨中截面，东西侧连接面分别为湿接缝与预制混凝土板的两侧接触面。由图5（a）可知，3个测试截面的混凝土应变沿截面高度呈线性分布，跨中处中性轴最高，是由于荷载作用下板底出现裂缝，导致中性轴高度上移。由图5（b）可知，3个测试截面处混凝土应变沿截面高度基本呈线性分布，跨中处中性轴最低，是由于荷载作用下板底接缝界面处首先出现裂缝，导致中性轴高度上移。由图5（c）可知，3个测试截面处混凝土应变沿截面高度基本呈线性分布，跨中位置处混凝土应变明显偏小，是由于接缝处UHPC在荷载作用下无明显开裂，裂缝均集中于两侧连接界面处，使得跨中截面混凝土应变偏小，连接界面处混凝土应变较大。

图5 模型试件混凝土应变对比

2.4 湿接缝混凝土破坏形态

试件SP-1、SP-2加载初期，混凝土板跨中底部出现细小裂缝，随着荷载增加向上延伸；接近极限荷载时，试件内混凝土有压碎和裂缝开展的声音；达到极限破坏时钢筋屈服，跨中板顶混凝土局部被挤碎，板底裂缝宽度显著增加，试件破坏形态见图6（a）。试件SP-3加载初期，混凝土板接缝界面底部出现细小裂缝，随着荷载增加向上延伸；接近极限荷载时，试件内混凝土有压碎和裂缝开展的声音；达到极限破坏时，钢筋屈服，板顶接缝界面处混凝土局部被挤碎，试件表面裂缝宽度显著增加，试件破坏形态见图6（b）。

图6 模型试件破坏形态

3 理论计算与试验对比

在分析试件试验结果及现象的基础上，采用理论计算方法对模型试件承载力进行计算，分析二者的差异，并以实测数据为基础对理论计算方法进行修正。

3.1 承载力计算

根据试件破坏状态，当钢筋达到受拉极限、混凝土达到受压极限状态时，采用式（1）计算模型试件的极限承载力。二者结果对比见表4。可知，规范中公式计算结果与试验结果有一定差别，未能准确计算模型极限承载力。计算结果大于试验值，由于公式中假定板底钢筋均同时达到极限承载力，导致计算结果偏大；试件SP-2、SP-3中存在后浇带影响，裂缝在连接界面处出现并向上延伸，导致理论结果大于试验值。

表4 理论计算承载力与试验结果对比

3.2 湿接缝连接构件极限承载力计算方法

采用既有规范［10］中厚板平截面计算理论计算混凝土板极限承载力，由结果可知理论计算值均大于试验值，是由于理论计算和实际试验存在以下两方面差别：①理论假定极限状态下板底钢筋同时达到极限，实际试验中由于裂缝分布情况导致钢筋并未全部同时达到极限状态；②存在后浇带的构件在试验过程中后浇界面处先出现裂缝，并向上延伸，因此后浇带对构件承载力有一定折减作用。

针对以上构件理论假定和实际受力的差别分别引入钢筋应力折减系数γ1和后浇带折减系数γ2，计算式为

根据试验结果反算，可得钢筋应力折减系数γ1=0.93；C50微膨胀混凝土后浇带折减系数γ2=0.87；UHPC后浇带折减系数γ2=0.91。

公式计算结果与试验值对比见表5。二者吻合较好。

表5 修正公式计算承载力与试验结果对比

4 结论

1）整体浇筑试件和采用C50、UHPC作为后浇带的混凝土板连接试件在弹性阶段和弹塑性阶段基本重合，表明在结构使用阶段采用C50和UHPC作为后浇带可有效保证桥面板结构整体性；采用C50作为后浇带的试件极限承载力是整体式桥面板试件的88%；采用UHPC作为后浇带的试件极限承载力是整体式桥面板试件的92%；试验结果表明，采用UHPC材料可显著减小后浇带的尺寸构造，且可有效保证预制混凝土板的整体性。

2）模型试件在承受荷载过程中UHPC湿接缝底部未出现明显受拉裂缝，湿接缝位置表现出良好整体性；UHPC湿接缝模型试件极限破坏状态与整体板、C50微膨胀混凝土湿接缝板有明显差别，是由于UHPC抗压强度极高，极限状态下接缝处预制板中混凝土被压碎，UHPC湿接缝处表现为良好的完整性。

3）基于本文设计结果，模型试件均出现钢筋达到屈服、混凝土压碎的延性破坏状态，表明本文采用的设计方法适用于预制混凝土板湿接缝构造的设计和计算分析。

4）基于本文试验结果，提出了考虑板底钢筋应力不均匀性和后浇带影响的预制混凝土板湿接缝构件极限承载力计算公式。