端板-高強螺栓連接預制蓋梁與橋墩靜力試驗研究

劉謹寧，劉鴻偉，陳娟＊

（1.長江大學 城市建設學院，湖北 荊州 434023；2.中國葛洲壩集團三峽建設工程有限公司，湖北 宜昌 443000）

0 引言

隨著可持續發展觀的深入以及“綠色施工”的提出，人們對橋梁工程施工提出了更高的要求，除了要滿足安全性和耐久性的要求以外，還要求縮短施工周期，減少對周邊環境的影響，裝配式橋梁以其施工速度快、對居民生活環境影響小而快速發展起來。在預制蓋梁和橋墩連接節點方面，美國NCHRP展開了大量研究[1-4]，主要的節點連接方式包括鋼筋連接器連接、灌漿波紋管連接、口袋式連接、插入式連接等，其中灌漿波紋管連接技術已在鋼筋混凝土橋梁工程得到了較好的應用，如德克薩斯州貝爾頓湖36號國道[1]、華盛頓州交通運輸部SR 520/SR 202[2]、距雷哈?伯德湖橋[3]、杭州市上塘高架拆橋段（ZX5-ZX11）高架橋[5]、無錫鳳翔路高架橋[6]等。我國《預制拼裝橋墩技術規程》（DGTJ 08-2160-2015）[7]也采用灌漿波紋管連接方法對裝配式橋梁進行拼裝連接，并對所用材料應滿足的要求進行了規定。

灌漿波紋管連接方法需要足夠的空間以充分錨固預埋波紋管，這種連接方式對鄰近鋼筋籠布置有一定的要求且施工精度要求高，波紋管內灌漿后需要養護一段時間才可投入使用。這些因素將限制現有交通，影響周圍居民的生活與環境。

針對國內外學者對裝配式橋梁節點的研究，本文提出一種裝配式橋梁節點的新型連接方式，即端板-高強螺栓連接，相較于傳統的灌漿波紋管連接法，該連接方法可以在施工現場將預制蓋梁和橋墩直接用高強螺栓連接，不需要二次灌漿即可立即使用。連接方法如圖1所示。為初步檢驗這種連接的合理性，進行了端板-高強螺栓連接的預制蓋梁與橋墩連接構件的靜力試驗，并與相應的的現澆節點構件進行了對比。

圖1 端板-高強螺栓連接預制蓋梁和橋墩示意圖

1 試驗概況

1.1 試件設計及制作

本次試驗共制作2個構件，整體現澆式蓋梁與橋墩構件和端板-高強螺栓連接預制蓋梁與橋墩構件，構件以雙墩橋為原型，截取至蓋梁和橋墩反彎點處。為檢驗端板-高強螺栓連接的受力性能，節點設計時通過增大蓋梁的抗彎承載力引導破壞發生在橋墩端部。

端板-高強螺栓連接預制蓋梁與橋墩構件與整體現澆式蓋梁與橋墩構件尺寸和配筋相同，構件配筋信息見表1，表1試件編號中XJ為整體現澆式蓋梁與橋墩構件，ZP為端板-高強螺栓連接預制蓋梁與橋墩構件。端板-高強螺栓連接構件的尺寸及構造如圖2所示。預制蓋梁下帶一段短柱，短柱中的縱筋焊接在上端板上，橋墩中的縱筋焊接在下端板上。兩塊端板厚度均為30mm，板上開有12個螺栓孔，在下端板中心開一個直徑為100mm的孔用于澆注混凝土。在兩塊端板上各焊接12根短鋼筋，用來加強混凝土柱與底板的連接，橋墩中的箍筋采用螺旋筋。構件制作完成澆筑混凝土養護28天后采用塔吊將構件的兩部分吊裝定位，兩塊端板用10.9級M20的高強扭剪型螺栓連接，完成預制蓋梁與橋墩的拼裝。

圖2 端板-高強螺栓連接預制蓋梁與橋墩構件尺寸及構造圖

表1 試件主要設計參數

1.2 材料特性

本次試驗采用荊州市華升新型材料股份有限公司提供的C40商品混凝土，為測得混凝土的抗壓強度，制作節點構件時同時澆注了6個尺寸為150mm×150mm×150mm立方體試塊，和節點試件進行同等條件養護。根據《混凝土強度檢驗評定標準》（GB/T50107-2010）測得混凝土立方體試塊抗壓強度平均值為48.6 MPa。

根據《金屬材料拉伸試驗方法》（GBT 228.1-2010）采用微機控制電液伺服萬能試驗機對直徑分別為12mm和28mm的帶肋鋼筋進行了拉伸試驗，測得直徑為12mm鋼筋的屈服強度和極限強度分別為402.3MPa和616.0MPa，直徑為28mm鋼筋的屈服強度和極限強度分別為432.0MPa和628MPa。

1.3 加載制度

試驗在長江大學結構實驗室進行，加載裝置如圖3所示。在進行一次性破壞單調加載靜力試驗時，豎向由高精度推力千斤頂施加恒定軸力，水平方向用電液伺服系統采用等幅位移的控制加載方式施加水平荷載，位移幅值從0開始以5mm遞增。每級位移加載時間間隔為60s的時間。當試件的水平荷載降低到峰值荷載的85%以下或者豎向荷載不能維持穩定時，試驗結束。

圖3 加載裝置

1.4 測點布置

縱筋和混凝土的應變均由電阻式應變片測得，測點主要分布在預制蓋梁下端的混凝土處，具體位置如下：縱筋應變片，在鋼筋上的應變片逆時針貼，以靠近作動器的鋼筋為第一根，間隔一根鋼筋貼一次，每根鋼筋上貼3個，即在預制蓋梁下2cm、7cm、12cm布置應變片；混凝土應變片，只在加載方向兩側(東西)預制蓋梁下端3cm處貼成應變花。試驗中的應變數據收集裝置為DH3816靜態應變收集箱。試驗過程中鋼筋和混凝土的應變發展采集出現問題，所以未采用相關數據。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗現象

端板-高強螺栓連接預制蓋梁與橋墩構件進行一次性破壞單調加載靜力試驗現象如下：水平位移為0~20mm時，混凝土橋墩和預制蓋梁表面無明顯現象；水平位移為40mm時混凝土墩身距預制蓋梁下端約4cm,9cm與13cm高度處南側出現3條細微的裂縫，混凝土柱南側裂縫開始延伸，寬度開始加大；水平位移為50mm時，混凝土柱南側裂縫寬度繼續加大，在柱身東西兩側出現細微裂縫；水平位移為60~80mm時，混凝土柱南側和預制蓋梁的東西兩側裂縫間隙繼續加大；水平位移為90mm時，試驗構件承載力下降至最大值的85%以下，結束試驗。構件最終破壞見圖4所示：

圖4 端板-高強螺栓連接預制蓋梁與橋墩構件破壞圖

整體現澆式蓋梁與橋墩構件進行一次性破壞單調加載靜力試驗現象如下：水平位移為0~15mm時，混凝土柱和預制蓋梁表面無明顯現象；水平位移為20~30mm時，混凝土柱身距預制蓋梁下端約1cm，5cm與19cm高度處南側出現3條細微的裂縫；水平位移為40mm時，混凝土柱南側裂縫開始延伸，寬度開始加大；水平位移為50mm時，混凝土柱南側裂縫寬度繼續加大，在柱身東西兩側出現細微裂縫；水平位移為60~80mm時，混凝土柱南側和預制蓋梁的東西兩側裂縫寬度繼續加大；水平位移為90mm時，試驗構件承載力下降至最大值的85%，結束試驗。構件最終破壞見圖5所示：

圖5 整體現澆鋼筋混凝土構件破壞圖

對比現澆式和裝配式兩構件的破壞現象可知，端板-高強螺栓連接的預制蓋梁與橋墩構件在單調靜力荷載作用下的破壞過程和現澆式構件相似，裂縫均出現在靠近蓋梁的橋墩處，在整個加載過程中，端板-高強螺栓連接的預制蓋梁與橋墩構件的端板和高強螺栓均未發生肉眼可見的變形，端板與混凝土連接處沒有裂縫產生。

2.2 荷載－位移曲線

通過試驗采集的兩個構件在一次性破壞單調靜力加載作用下的試驗數據，根據數據繪制的水平荷載-位移曲線如圖6所示。

圖6 水平位移-荷載曲線

由圖6可知，整體現澆式蓋梁與橋墩構件在水平位移達到46mm時，構件達到最大水平推力75.5kN；當位移達到90mm時，構件承載力下降至最大值的85%，結束試驗。端板-高強螺栓連接預制蓋梁與橋墩構件在水平位移達到55mm時，構件達到最大水平推力74.6kN；當位移達到90mm時，試驗構件承載力下降至最大值的85%，結束試驗。由此可知，在一次性破壞單調荷載作用下，端板-高強螺栓連接預制蓋梁與橋墩構件和整體現澆式蓋梁與橋墩構件的最大水平承載力相差甚微，下降幅度僅為1.2%，說明端板-高強螺栓連接方式不會降低構件的水平承載力。

2.3 位移延性

通過試驗得出的構件在一次性破壞單調靜力加載作用下的試驗數據，算得構件延性系數μ列于表2，計算公式如下：

式中Δu為試件的極限位移，取85%極限荷載所對應的位移值；Δy為采用能量等值法確定的構件屈服位移。

表2 構件進行一次性破壞單調加載靜力試驗的延性系數對比

從表2可知，端板-高強螺栓連接預制蓋梁與橋墩構件的延性系數和整體現澆式蓋梁與橋墩構件的相差很小，兩者的比值為0.99，且均在4以上，說明端板-高強螺栓連接方式不會降低構件的延性。

3 結語

端板-高強螺栓連接的預制蓋梁和橋墩構件在一次性破壞單調加載時的破壞過程、破壞形態、水平位移-荷載曲線和現澆式構件基本相似，兩構件水平極限承載力和延性系數的比值分別為0.97和0.99，相差非常小，說明端板-高強螺栓連接方式不會降低構件的水平承載力和延性，初步驗證了端板-高強螺栓連接方式的可行性。