裝配式鋼混灌漿連接組合梁受力性能試驗研究

田飛，嚴小衛，鄭和暉

（1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430013；2.長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢，430013；3.中交二航局第三工程有限公司，江蘇 鎮江 212050）

0 引言

裝配式組合梁橋是一種由預制混凝土橋面板和鋼梁組成，在工廠預制再運輸至施工現場進行快速拼裝的一種組合橋梁體系[1]。該類橋梁在后續維護上更為便利，損壞的構件可以及時更換，提高了橋梁結構的耐久性，降低了維護成本[2]。并且該類橋梁易于拆除，拆除階段的能耗及對環境的影響較小。近年來，鋼材品種的豐富和質量的提高，為我國發展組合結構橋梁提供了經濟物質條件[3]。

在裝配式組合梁的現場施工中，鋼梁與預制混凝土橋面板連接形成整體的工序占比較大，連接件的構造是否合理對裝配式組合梁的施工效率有較大影響。目前國內外裝配式橋梁中常用的連接件形式為群釘連接件，即橋面板預留槽孔，鋼梁上焊接栓釘群，橋面板與鋼梁疊合后再后澆槽孔形成連接[4]。在群釘連接件的廣泛使用中，也暴露出了現場施工時間長、后澆質量不易保證、新老混凝土接縫處易開裂等缺點[5]。針對上述情況，相關學者提出一種鋼混灌漿連接新概念，具體為在橋面板底部預留槽道，鋼梁頂部設置鋼肋板，安裝時將鋼肋板插入橋面板槽道，在鋼混間隙內壓注高強灌漿料進行組合，全過程無需混凝土澆筑，依靠灌漿料、橋面板及鋼板三者界面間的粘結、摩擦及自鎖來滿足受力要求。

國內外對于裝配式組合梁的研究較多。聶建國等人在有限元靜力分析的基礎上，根據斷裂力學的基本原理推導出了組合梁栓釘的疲勞壽命計算公式，為組合梁的疲勞設計奠定了基礎[6]。蘇慶田等人通過有限元模型，分析了組合梁連接件剪力突變產生的原因和機理，并推導了計算連接件突變剪力的簡化計算方法[7]。Thomann M提出了采用砂漿作為灌漿料的灌漿連接件組合梁，并通過多組推出試驗，研究了灌漿連接件的抗剪機理、界面滑移規律以及極限承載力等，給出了灌漿連接件設計的計算方法[8]。Dimitrios Papastergiou進一步通過推出試驗，并通過縮尺模型試驗研究了該結構的力學性能[9-10]。

總體來說，國內外研究人員已圍繞灌漿連接件進行了研究，但均未將高強纖維灌漿料作為連接材料。為此，本文通過縮尺模型試驗來進一步研究灌漿連接組合梁的力學性能。

1 試驗模型

1.1 灌漿連接件受力機理

與常規栓釘連接件相比，新型自鎖式灌漿連接件（圖1）的主要特點是：1）鋼梁與混凝土之間通過高強灌漿料實現接觸傳力；2）界面錯動會引起橫向隆起，混凝土槽道承受橫向擠壓力。在鋼肋板與混凝土接觸傳力的過程中（圖2），近似可認為V=μ·N，其中V為縱向剪力；μ為接觸傳力系數，與局部構造、界面粗糙程度有關；N為界面壓力。此類界面受剪過程中存在自鎖現象：隨著界面滑移s的增大，界面隆起量u逐漸增大，則混凝土槽道內擠壓引起界面壓力N增大，進而能夠增大連接件的抗剪承載力。隨著混凝土槽道橫向兩側的擠壓力N逐漸增大，混凝土橫向拉應力超限引起槽道邊角開裂（圖3），擠壓力得到部分釋放并逐漸趨于穩定。最后，縱向剪力超過限值導致界面出現突然剪切破壞。

圖1 灌漿連接件示意圖Fig.1 Sketch map of grouting connector

圖2 鋼肋板與灌漿料界面傳力示意圖Fig.2 Sketch map of interface force between steel rib plate and grouting material

圖3 混凝土橫向受力示意圖Fig.3 Sketch map of concrete transverse force

1.2 試件設計及制作

本文共設計制作2個縮尺試件，每個試件尺寸完全相同，尺寸布置如圖4所示。試件編號分別為JL-1，JL-2。鋼梁尺寸：鋼梁高250 mm，翼緣板寬250 mm；鋼板厚度均為12 mm。鋼肋板縱向通長焊接在鋼梁上翼緣，高度為60 mm，在鋼肋板上開有φ30@200 mm的圓孔，且表面銑有深度為2 mm的交叉花紋，鋼材為Q345b。

圖4 試件尺寸及測試系統布置Fig.4 Specimensdimensionsand test system layout

混凝土寬度為500 mm，板厚為150 mm。板底縱向通長灌漿槽道尺寸為90 mm×120 mm。混凝土板頂部設有間距1 m、尺寸100 mm×100 mm的灌漿槽孔，混凝土板采用強度等級C50，28 d抗壓強度為57.9 MPa。

鋼梁在工廠先進行加工；混凝土板在試驗室進行預制，在灌漿通道模板上涂刷緩凝劑，待混凝土終凝后，對混凝土板上的灌漿通道進行沖毛處理；混凝土板達到設計強度后，將鋼梁與混凝土板疊合，對灌漿通道進行密封后灌漿，形成組合梁。高性能纖維增強灌漿料28 d抗壓強度為101.5 MPa。

1.3 加載及測試

加載設備為1個1 000 kN的液壓伺服千斤頂，1個分配梁。分配梁加載點間距為0.8 m，即試件跨中純彎段為1.2 m，兩側剪跨區也為0.8 m。

靜力加載程序為：1）首先按預估開裂荷載的40%反復加載，進行預載；2）以10 kN的荷載步長加載至預估開裂荷載的80%；3）將荷載步長減小至5 kN，直至試件開裂；4）開裂后以10 kN的荷載步長繼續加載尋找0.05 mm、0.1 mm、0.15 mm、0.2 mm 4個特征裂縫；5）裂縫寬度超過0.2 mm后采用位移加載（步長2 mm），直至構件破壞；6）緩慢卸載。

加載過程中，主要測試試件的撓度、鋼混界面滑移量、試件的縱向應變等，傳感器布置如圖4所示。

2 靜力試驗結果及分析

2.1 試件的破壞形態

JL-1試件及JL-2試件破壞模式相同：在加載初期，試件撓度及應變均線性增長，偶有灌漿料與鋼梁摩擦的聲響；隨著加載力的增大，鋼梁下翼緣首先達到屈服，然后加載點處混凝土板下緣出現貫通裂縫，最后灌漿連接件伴隨著較大聲響突然破壞，承載力急劇下降，試件破壞；此時，試件跨中撓度為20 mm。試件破壞特征詳見表1。

表1 試件破壞特征表Table1 Failure characteristic of specimens

2.2 試件的荷載-撓度曲線

在試件跨中梁底布置兩個位移計測量加載過程中的撓度，每一級加載完成后，暫停進行測量。兩試件的荷載-撓度曲線如圖5所示。

圖5 荷載撓度曲線Fig.5 Load-deflection curve

由圖5可見，兩個試驗梁剛度基本相同，極限承載力也相近。鋼梁下翼緣屈服后，由于鋼材進入強化階段，試件承載力繼續上升；但隨著組合梁中性軸上升至混凝土板中，混凝土板底出現拉應力，并在超過混凝土抗拉強度后出現裂縫。混凝土開裂后，試件剛度出現明顯下降，且鋼混界面的滑移量開始快速增長，最終連接件破壞，承載力急劇下降。

由試件的荷載撓度曲線可得出如下結論：1）2片組合梁均表現為受彎破壞形態，即鋼梁下翼緣受拉進入屈服，跨中混凝土板壓碎破壞。連接件破壞時，組合梁撓跨比為L/180，說明組合梁的變形能力（延性）較好。2）連接件破壞發生時，鋼梁全截面受拉屈服，塑性發展充分，說明灌漿連接件受力可靠。連接件在組合梁中的破壞也為脆性破壞。

2.3 試件截面應變分布

在試件純彎段，沿試件截面豎向布置有應變片，加載力為200 kN、400 kN、600 kN、800 kN時，試件的截面應變分布如圖6所示。

圖6 JL-2試件截面應變分布Fig.6 Section strain distribution of JL-2

由圖6可見，在加載初期，截面應變基本符合平截面假定；隨著鋼梁底部屈服，中性軸逐漸上升，截面應變分布不再滿足平截面假定。隨著荷載的增大，交界面上混凝土和鋼梁翼緣的應變差值逐漸增大，當加載力為800 kN（F/Fu=0.98）時，應變差達到475με，截面應變沿高度發生了明顯的微曲現象，表明交界面上滑移已產生，并隨著荷載的持續增加而增大。

2.4 滑移分布規律

組合梁的鋼梁與混凝土板界面存在著縱向剪力，連接件在抵抗縱向剪力時會產生變形，鋼梁與混凝土板發生相對滑移。滑移分布如圖7所示。

圖7 試件滑移分布圖Fig.7 Slip distribution of specimens

由圖7可見，在加載初期（100 kN），組合梁處于彈性階段，灌漿連接件各個界面緊密貼合，混凝土板與鋼梁相對滑移量很小，并且分布很平穩，表明連接件承受的剪力分配較均勻。加載力達到200 kN后，界面滑移量開始明顯增大，且滑移量沿梁縱向的分布出現明顯的不均勻性，即在剪跨區中間滑移量最大，剪跨區兩端滑移量最小。隨著加載力增大，滑移量增幅也加大，且不均勻分布越來越明顯，最終剪力件超過極限滑移量破壞。剪力件破壞時對應的最大滑移量為0.5 mm。

3 結語

本文提出一種新型灌漿連接件并將其應用于裝配式組合梁中，通過2組靜力模型試驗，研究了這種新型灌漿連接組合梁的靜力及疲勞受力性能，主要結論如下：

1）組合梁最終連接件破壞時，組合梁撓跨比為L/180，組合梁表現出良好的延性；連接件破壞發生時，鋼梁全截面受拉屈服，塑性發展充分，灌漿連接件受力可靠。

2）灌漿連接組合梁的截面應變分布除鄰近破壞階段（F/Fu＞0.98），沿截面高度的分布基本呈線性，說明鋼混組合程度高。

3）在加載彈性階段，組合梁滑移量分配均勻且較小，說明灌漿連接組合梁鋼混組合程度高。剪力件破壞時對應的最大滑移量達到0.5 mm，體現了灌漿連接件具有一定的延性。

4）本文通過縮尺模型試驗驗證了灌漿連接件組合梁的力學性能能滿足工程應用，但對鋼肋板高度、鋼梁高度與橋面板厚度比值等影響組合梁截面受力性能的重要參數未做進一步對比，為此，可考慮在下一步工作中研究上述參數對組合梁性能的影響，對灌漿連接組合梁做進一步優化。