节段预制拼装箱梁键齿胶接缝受力行为分析

2023-11-01姚剑

交通科技 2023年5期

姚剑

(山西省交通新技术发展有限公司太原 030000)

近年来,节段预制拼装箱梁技术在国内工程领域中广泛采用。超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)预制梁具有强度高、耐久性强、预制周期短等特点,尤其适合预制拼装工艺,UHPC节段间的连接常采用键齿接缝形式。节段接缝连接处是结构受力的薄弱部位,其抗剪能力与破坏模式是工程各方的关注重点[1]。因此本文以某一级公路大桥引桥工程为依托,制作不同类型键齿试件开展荷载实验,分析各键齿接缝的直剪性能与破坏状态。

1 工程概况与试件制作

1.1 工程概况

该桥为一级公路大桥引桥,上部结构为单跨102 m UHPC简支箱梁,宽37 m,下部结构为双柱接盖梁式桥墩,基础采用钻孔灌注桩。UHPC箱梁共分为25个节段预制,采用满堂支架法拼装施工。节段间采用环氧树脂胶键齿接缝,通过张拉临时预应力保证树脂固化。考虑到靠近支座的截面所受剪力最大,以该处腹板键齿为原型制作1∶2缩尺模型。键齿布置形式见图1。为降低附加负弯矩对实验结果的影响,采用Z字形直剪试件[2]。

图1 桥梁端部截面键齿模型图(单位:cm)

1.2 原材料及性能

1) UHPC。按照GB/T 31387-2015 《活性粉末混凝土》的规定,对UHPC的弹性模量、抗压强度、抗折强度等进行测定,结果见表1。

表1 UHPC的力学性能 MPa

2) 环氧树脂胶。节段接缝内采用市场购买的环氧树脂拼缝胶黏结。环氧树脂性能参数见表2。

表2 环氧树脂性能参数

1.3 试件制作

制作不同键齿形式、连接方式、键齿深度的UHPC接缝试件,主要步骤:①制作并安装模板,其中接缝界面采用薄钢板,其余位置为木模板;②钢筋笼绑扎完成后,平稳放入模板中;③将长度13 mm、直径0.2 mm、掺量2.5%的钢纤维,掺入R150 UHPC 干拌料中,从两侧浇筑键齿;④浇筑完成后进行48 h洒水养护,待试件具备足够强度后,拆除模板,再进行48 h蒸压养护;⑤采用拼装环氧树脂胶,按厂家说明书的比例混合后,涂满接缝,对试件施加一定预应力,保证接缝处环氧树脂完全固化[3]。

1.4 实验加载方案

加载仪器选用2 000 kN电液伺服压力机,正式加载前应通过预加载消除系统误差。正式加载时,先采用荷载控制加载法,按10 kN进行逐级加载;在观测到结构开裂后,采用位移控制加载法,至试件完全破坏后停止加载。不考虑正应力水平对接缝受力的影响,结合实际情况与实验条件,正应力大小设置为3 MPa。每级加载完成后,应维持荷载3～5 min,确保读数稳定后,记录荷载大小、裂缝情况、接缝的相对位移。

2 键齿形式的影响

2.1 实验现象

制作不同形式(无键齿、单键齿、双键齿、三键齿、大键齿)的胶接缝试件(胶厚2 mm),开展荷载实验。无键齿胶接缝(即平胶缝)的荷载-相对滑移曲线见图2。由图2可见,无键齿胶接缝的荷载-滑移曲线分为2个阶段:荷载小于331.4 kN时,相对位移随荷载增大而线形增加,随着胶层剪切变形增大,接缝刚度发生变化;荷载大于331.4 kN时,现场观察到接缝出现全截面剪切破坏裂缝,并伴随清脆响声,接缝相对滑移骤然增加,荷载突降至83.7 kN。观察接缝面破坏形态发现,UHPC界面与环氧树脂黏结剂已完全脱离,UHPC与胶层均未见破坏,因此判断其破坏形式为黏结界面脆性破坏。

图2 无键齿胶接缝的荷载-滑移曲线

单键齿荷载-相对滑移曲线见图3。

图3 单键齿胶接缝的荷载-滑移曲线

由图3可见,曲线分为3个阶段:荷载小于283.8 kN时,键齿与胶层共同承受剪力,相对滑移随荷载增大而线形增加;荷载大于283.8 kN时,实验观察到接缝界面出现裂缝并伴随轻微响声,UHPC与环氧树脂胶开始发生剥离,黏结力随即失效,荷载骤然降至242.3 kN,此后仅键齿受力,键齿根部发现若干斜裂缝;荷载继续增加,键齿表面UHPC剥落损坏,两侧键齿沿接触面相对滑动,在达到309.5 kN峰值荷载后,荷载迅速下降,同时接缝相对滑移迅速增加,直至接缝彻底破坏,其破坏形式为接缝滑移破坏。

受篇幅所限,此处不再对双键齿、三键齿、大键齿试件的荷载现象进行逐一阐述,不同键齿胶接缝的荷载-相对滑移曲线汇总情况见图4。

图4 不同键齿形式胶接缝的荷载-滑移曲线汇总

2.2 静力荷载下受力特征与破坏形式

由图4可见,不同键齿形式接缝的受力情况与破坏形式存在差异。其中单键齿、双键齿、三键齿的荷载-滑移曲线规律相近,表现为先线性上升,至出现裂缝后,胶层与UHPC剥离,荷载下降,由键齿单独承受剪力,两侧键齿在荷载作用下沿接触面相对滑移,直至发生接触面滑移破坏[4]。大键齿与无键齿的规律相近,曲线先线性上升,在达到峰值荷载后,发生脆性破坏(大键齿为键齿根部剪切破坏,无键齿为黏结截面脆性破坏),荷载骤然下降,相对滑移则突然增大。

单键齿、双键齿、三键齿为接缝滑移破坏,加载前期UHPC键齿与接缝胶体共同承受荷载,荷载增大,接触面开始出现若干裂缝;荷载增加至一定值后,裂缝发展为贯穿裂缝,此时UHPC键齿与胶体完全剥离,结构近似于干接缝受力;荷载与滑移继续增大,螺纹杆刚度不足以抵抗变形,键齿与胶层未见明显破坏,两侧键齿发生较大滑动,导致接缝滑移破坏。大键齿表现为键齿剪切破坏,在加载前期UHPC与接缝胶体共同承受荷载,荷载增加,键齿根部出现明显斜裂缝,荷载达到一定值后,裂缝瞬间贯穿剪切面,键齿发生剪切破坏。无键齿的破坏形式为全截面剪切破坏裂缝,为黏结截面的脆性破坏。

2.3 动力作用下受力特征与破坏形式

考虑到键齿在较大荷载施加瞬间,近似短时冲击作用,其荷载传递、应力分布、破坏形式可能存在不同。以300 kN、3 m/s的加载速度模拟低速冲击作用,分析胶接缝的受力情况。以双键齿实验现象为例,上键齿上角最先出现压碎,随后下角表面出现剥落,上键齿在出现裂缝损伤后,向下键齿发展。观察键齿破坏后形态,上键齿损伤程度明显高于下键齿,裂缝上宽下窄,由上键齿向下键齿贯穿,但未完全断裂。上键齿响应出现破坏时,冲击荷载并未完全传递至下键齿,上键齿破坏导致大量能量被吸收、衰减。其他多键齿接缝的情况相似。表明短时冲击作用下,混凝土强度、胶体强度均未随荷载发生变化,同时由于应力迅速集中、增大,胶层黏结能力也未发生迅速下降,随着上键齿破坏、下键齿逐步破坏,整个接缝刚度下降,局部破损严重。键齿本身构造成为其抵抗破坏能力的来源,破坏形式为损伤集中效应导致的局部剪切失效。

2.4 键齿形式选用建议

根据实验结果可知,单键齿胶接缝的荷载承受能力与无键齿胶接缝相当,多键齿与大键齿胶接缝则显著优于单键齿,这表明接触面积、键齿根部面积、材料强度的提高,能够增强键齿胶接缝的抗剪切性能。因此建议键齿胶接缝宜选择多键齿或大键齿形式,但应避免键齿倾角与胶层厚度过大,原因在于UHPC结构基体抗剪强度较大,胶层自身及胶体与UHPC的黏结截面易成为受力薄弱部位,键齿倾角或胶层厚度较大时,接缝易出现滑移破坏[5]。同时在接缝制作与施工便利性方面,大键齿优于多键齿,因此在实际设计与施工过程中,可考虑将多键齿转变为多个大键齿以简化施工工艺。

3 接缝连接方式的影响

制作无键齿干接缝与无键齿胶接缝试件进行荷载实验,分析连接方式对UHPC接缝受力特性的影响,结果见图5。

图5 不同连接方式接缝的荷载-滑移曲线

由图5可见,胶接缝与干接缝的极限荷载分别为331.4,43.2 kN,前者是后者的7.67倍;破坏时相对滑移分别为1.295,0.39 mm,前者是后者的3.32倍。从承载能力看,胶接缝显著优于干接缝,这是由于干接缝的承载能力主要依靠UHPC间的摩擦力,而胶接缝的承载能力来源于环氧树脂胶与UHPC的黏结力,胶黏力显著高于摩擦力。从抵抗滑移变形能力看,环氧树脂胶的弹性模量较小,因此破环时的相对滑移量大。从破坏模式看,平胶接缝破坏模式为UHPC界面胶层黏结失效,为脆性破坏;而平干接缝为摩擦失效破坏,以弹性阶段荷载峰值30.1 kN计算得摩擦系数为0.42,该值远小于AASHTO公式中的混凝土摩擦系数建议值0.6。表明干接缝两侧界面的摩阻力及抗剪切能力较为有限。综上可知,胶层对UHPC接缝的承载能力、相对滑移、破坏形式存在较大影响。

4 键齿深度的影响

制作2,4 cm键齿深度的大键齿胶接缝进行荷载实验,分析键齿深度对接缝受力特性的影响,结果见图6。

图6 不同键齿深度胶接缝的荷载-滑移曲线

由图6可见,键齿深度2,4 cm的开裂荷载分别为362.6,361.6 kN,前者较后者提高2.76%;极限荷载分别为553.8,541.1 kN,前者较后者提高3.23%;表明二者的承载能力差异较小。结合荷载-滑移曲线及现场实验现象来看,二者的受力情况、裂缝发展阶段均较为相似,破坏形式均为键齿剪切破坏。因此键齿深度对UHPC键齿胶接缝的影响较小。