節段預制拼裝箱梁鍵齒膠接縫受力行為分析

姚 劍

(山西省交通新技術發展有限公司 太原 030000)

近年來,節段預制拼裝箱梁技術在國內工程領域中廣泛采用。超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)預制梁具有強度高、耐久性強、預制周期短等特點,尤其適合預制拼裝工藝,UHPC節段間的連接常采用鍵齒接縫形式。節段接縫連接處是結構受力的薄弱部位,其抗剪能力與破壞模式是工程各方的關注重點[1]。因此本文以某一級公路大橋引橋工程為依托,制作不同類型鍵齒試件開展荷載實驗,分析各鍵齒接縫的直剪性能與破壞狀態。

1 工程概況與試件制作

1.1 工程概況

該橋為一級公路大橋引橋,上部結構為單跨102 m UHPC簡支箱梁,寬37 m,下部結構為雙柱接蓋梁式橋墩,基礎采用鉆孔灌注樁。UHPC箱梁共分為25個節段預制,采用滿堂支架法拼裝施工。節段間采用環氧樹脂膠鍵齒接縫,通過張拉臨時預應力保證樹脂固化。考慮到靠近支座的截面所受剪力最大,以該處腹板鍵齒為原型制作1∶2縮尺模型。鍵齒布置形式見圖1。為降低附加負彎矩對實驗結果的影響,采用Z字形直剪試件[2]。

圖1 橋梁端部截面鍵齒模型圖(單位:cm)

1.2 原材料及性能

1) UHPC。按照GB/T 31387-2015 《活性粉末混凝土》的規定,對UHPC的彈性模量、抗壓強度、抗折強度等進行測定,結果見表1。

表1 UHPC的力學性能 MPa

2) 環氧樹脂膠。節段接縫內采用市場購買的環氧樹脂拼縫膠黏結。環氧樹脂性能參數見表2。

表2 環氧樹脂性能參數

1.3 試件制作

制作不同鍵齒形式、連接方式、鍵齒深度的UHPC接縫試件,主要步驟:①制作并安裝模板,其中接縫界面采用薄鋼板,其余位置為木模板;②鋼筋籠綁扎完成后,平穩放入模板中;③將長度13 mm、直徑0.2 mm、摻量2.5%的鋼纖維,摻入R150 UHPC 干拌料中,從兩側澆筑鍵齒;④澆筑完成后進行48 h灑水養護,待試件具備足夠強度后,拆除模板,再進行48 h蒸壓養護;⑤采用拼裝環氧樹脂膠,按廠家說明書的比例混合后,涂滿接縫,對試件施加一定預應力,保證接縫處環氧樹脂完全固化[3]。

1.4 實驗加載方案

加載儀器選用2 000 kN電液伺服壓力機,正式加載前應通過預加載消除系統誤差。正式加載時,先采用荷載控制加載法,按10 kN進行逐級加載;在觀測到結構開裂后,采用位移控制加載法,至試件完全破壞后停止加載。不考慮正應力水平對接縫受力的影響,結合實際情況與實驗條件,正應力大小設置為3 MPa。每級加載完成后,應維持荷載3～5 min,確保讀數穩定后,記錄荷載大小、裂縫情況、接縫的相對位移。

2 鍵齒形式的影響

2.1 實驗現象

制作不同形式(無鍵齒、單鍵齒、雙鍵齒、三鍵齒、大鍵齒)的膠接縫試件(膠厚2 mm),開展荷載實驗。無鍵齒膠接縫(即平膠縫)的荷載-相對滑移曲線見圖2。由圖2可見,無鍵齒膠接縫的荷載-滑移曲線分為2個階段:荷載小于331.4 kN時,相對位移隨荷載增大而線形增加,隨著膠層剪切變形增大,接縫剛度發生變化;荷載大于331.4 kN時,現場觀察到接縫出現全截面剪切破壞裂縫,并伴隨清脆響聲,接縫相對滑移驟然增加,荷載突降至83.7 kN。觀察接縫面破壞形態發現,UHPC界面與環氧樹脂黏結劑已完全脫離,UHPC與膠層均未見破壞,因此判斷其破壞形式為黏結界面脆性破壞。

圖2 無鍵齒膠接縫的荷載-滑移曲線

單鍵齒荷載-相對滑移曲線見圖3。

圖3 單鍵齒膠接縫的荷載-滑移曲線

由圖3可見,曲線分為3個階段:荷載小于283.8 kN時,鍵齒與膠層共同承受剪力,相對滑移隨荷載增大而線形增加;荷載大于283.8 kN時,實驗觀察到接縫界面出現裂縫并伴隨輕微響聲,UHPC與環氧樹脂膠開始發生剝離,黏結力隨即失效,荷載驟然降至242.3 kN,此后僅鍵齒受力,鍵齒根部發現若干斜裂縫;荷載繼續增加,鍵齒表面UHPC剝落損壞,兩側鍵齒沿接觸面相對滑動,在達到309.5 kN峰值荷載后,荷載迅速下降,同時接縫相對滑移迅速增加,直至接縫徹底破壞,其破壞形式為接縫滑移破壞。

受篇幅所限,此處不再對雙鍵齒、三鍵齒、大鍵齒試件的荷載現象進行逐一闡述,不同鍵齒膠接縫的荷載-相對滑移曲線匯總情況見圖4。

圖4 不同鍵齒形式膠接縫的荷載-滑移曲線匯總

2.2 靜力荷載下受力特征與破壞形式

由圖4可見,不同鍵齒形式接縫的受力情況與破壞形式存在差異。其中單鍵齒、雙鍵齒、三鍵齒的荷載-滑移曲線規律相近,表現為先線性上升,至出現裂縫后,膠層與UHPC剝離,荷載下降,由鍵齒單獨承受剪力,兩側鍵齒在荷載作用下沿接觸面相對滑移,直至發生接觸面滑移破壞[4]。大鍵齒與無鍵齒的規律相近,曲線先線性上升,在達到峰值荷載后,發生脆性破壞(大鍵齒為鍵齒根部剪切破壞,無鍵齒為黏結截面脆性破壞),荷載驟然下降,相對滑移則突然增大。

單鍵齒、雙鍵齒、三鍵齒為接縫滑移破壞,加載前期UHPC鍵齒與接縫膠體共同承受荷載,荷載增大,接觸面開始出現若干裂縫;荷載增加至一定值后,裂縫發展為貫穿裂縫,此時UHPC鍵齒與膠體完全剝離,結構近似于干接縫受力;荷載與滑移繼續增大,螺紋桿剛度不足以抵抗變形,鍵齒與膠層未見明顯破壞,兩側鍵齒發生較大滑動,導致接縫滑移破壞。大鍵齒表現為鍵齒剪切破壞,在加載前期UHPC與接縫膠體共同承受荷載,荷載增加,鍵齒根部出現明顯斜裂縫,荷載達到一定值后,裂縫瞬間貫穿剪切面,鍵齒發生剪切破壞。無鍵齒的破壞形式為全截面剪切破壞裂縫,為黏結截面的脆性破壞。

2.3 動力作用下受力特征與破壞形式

考慮到鍵齒在較大荷載施加瞬間,近似短時沖擊作用,其荷載傳遞、應力分布、破壞形式可能存在不同。以300 kN、3 m/s的加載速度模擬低速沖擊作用,分析膠接縫的受力情況。以雙鍵齒實驗現象為例,上鍵齒上角最先出現壓碎,隨后下角表面出現剝落,上鍵齒在出現裂縫損傷后,向下鍵齒發展。觀察鍵齒破壞后形態,上鍵齒損傷程度明顯高于下鍵齒,裂縫上寬下窄,由上鍵齒向下鍵齒貫穿,但未完全斷裂。上鍵齒響應出現破壞時,沖擊荷載并未完全傳遞至下鍵齒,上鍵齒破壞導致大量能量被吸收、衰減。其他多鍵齒接縫的情況相似。表明短時沖擊作用下,混凝土強度、膠體強度均未隨荷載發生變化,同時由于應力迅速集中、增大,膠層黏結能力也未發生迅速下降,隨著上鍵齒破壞、下鍵齒逐步破壞,整個接縫剛度下降,局部破損嚴重。鍵齒本身構造成為其抵抗破壞能力的來源,破壞形式為損傷集中效應導致的局部剪切失效。

2.4 鍵齒形式選用建議

根據實驗結果可知,單鍵齒膠接縫的荷載承受能力與無鍵齒膠接縫相當,多鍵齒與大鍵齒膠接縫則顯著優于單鍵齒,這表明接觸面積、鍵齒根部面積、材料強度的提高,能夠增強鍵齒膠接縫的抗剪切性能。因此建議鍵齒膠接縫宜選擇多鍵齒或大鍵齒形式,但應避免鍵齒傾角與膠層厚度過大,原因在于UHPC結構基體抗剪強度較大,膠層自身及膠體與UHPC的黏結截面易成為受力薄弱部位,鍵齒傾角或膠層厚度較大時,接縫易出現滑移破壞[5]。同時在接縫制作與施工便利性方面,大鍵齒優于多鍵齒,因此在實際設計與施工過程中,可考慮將多鍵齒轉變為多個大鍵齒以簡化施工工藝。

3 接縫連接方式的影響

制作無鍵齒干接縫與無鍵齒膠接縫試件進行荷載實驗,分析連接方式對UHPC接縫受力特性的影響,結果見圖5。

圖5 不同連接方式接縫的荷載-滑移曲線

由圖5可見,膠接縫與干接縫的極限荷載分別為331.4,43.2 kN,前者是后者的7.67倍;破壞時相對滑移分別為1.295,0.39 mm,前者是后者的3.32倍。從承載能力看,膠接縫顯著優于干接縫,這是由于干接縫的承載能力主要依靠UHPC間的摩擦力,而膠接縫的承載能力來源于環氧樹脂膠與UHPC的黏結力,膠黏力顯著高于摩擦力。從抵抗滑移變形能力看,環氧樹脂膠的彈性模量較小,因此破環時的相對滑移量大。從破壞模式看,平膠接縫破壞模式為UHPC界面膠層黏結失效,為脆性破壞;而平干接縫為摩擦失效破壞,以彈性階段荷載峰值30.1 kN計算得摩擦系數為0.42,該值遠小于AASHTO公式中的混凝土摩擦系數建議值0.6。表明干接縫兩側界面的摩阻力及抗剪切能力較為有限。綜上可知,膠層對UHPC接縫的承載能力、相對滑移、破壞形式存在較大影響。

4 鍵齒深度的影響

制作2,4 cm鍵齒深度的大鍵齒膠接縫進行荷載實驗,分析鍵齒深度對接縫受力特性的影響,結果見圖6。

圖6 不同鍵齒深度膠接縫的荷載-滑移曲線

由圖6可見,鍵齒深度2,4 cm的開裂荷載分別為362.6,361.6 kN,前者較后者提高2.76%;極限荷載分別為553.8,541.1 kN,前者較后者提高3.23%;表明二者的承載能力差異較小。結合荷載-滑移曲線及現場實驗現象來看,二者的受力情況、裂縫發展階段均較為相似,破壞形式均為鍵齒剪切破壞。因此鍵齒深度對UHPC鍵齒膠接縫的影響較小。

5 結語

制作不同鍵齒形式、鍵齒深度、連接方式的UHPC接縫試件,開展荷載實驗,分析不同因素對UHPC鍵齒接縫受力特性及破壞形式的影響,結論如下。

1) 鍵齒形式對接縫受力情況有較大影響,鍵齒數量增加,鍵齒根部面積、接觸界面面積增加,接縫荷載承受能力提高。

2) 接縫的破壞形式主要分為滑移破壞與剪切破壞,靜力作用下,單鍵齒、雙鍵齒、三鍵齒為接縫滑移破壞,大鍵齒為鍵齒剪切破壞,無鍵齒為黏結界面脆性破壞;瞬時沖擊作用下,以局部剪切失效破壞為主。

3) 單鍵齒膠接縫承載能力與無鍵齒膠接縫相當,多鍵齒與大鍵齒優于單鍵齒,大鍵齒的施工便利性優于多鍵齒。

4) 環氧樹脂膠層能夠提升接縫抗剪能力,膠接縫的極限荷載與破壞相對滑移分別是平接縫的7.67倍、3.32倍。

5) 鍵齒深度對UHPC鍵齒膠接縫的影響較小。