帶波形鋼板的UHPC免模板濕接縫抗彎模型試驗研究

黃心儀 李立峰，2 王連華，2 王哲宇 蔣德松

1.湖南大學 土木工程學院， 長沙 410082； 2.風工程與橋梁工程湖南省重點實驗室， 長沙 410082；3.湖南湖大土木建筑工程檢測有限公司， 長沙 410036

預制裝配式橋梁憑借現場作業時間短、對環境影響小、施工質量好、施工安全水平高等優勢，在橋梁建設中取得了快速發展。預制橋梁的連接形式和構造是設計的核心環節［1］，連接處的力學性能決定了橋面板的工期和使用性能。UHPC 是一種新型纖維水泥基復合材料，具有超高抗拉抗壓及黏結力學性能［2］。將UHPC 運用到橋面板濕接縫中，可以減小接縫尺寸、簡化接縫構造、提高接縫耐久性、減輕結構自重。因此，UHPC在預制裝配式橋梁中具有廣泛的應用前景。

近年來，國內外一些學者對UHPC 濕接縫進行了研究，包括接縫界面處理方式、縱向接縫形式和接縫內鋼筋搭接形式。吳琛、霍書亞等［3-4］研究了UHPC 齡期、NC 強度、NC 表面處理方式、NC 基體濕潤度、不同濕接縫界面形式、配筋率、是否蒸養、界面黏結劑等因素對UHPC?NC 黏結性能的影響。Haber 等［5］研究了3 種不同鋼筋接頭（端頭放大型、直線型、U 形）和接縫材料對接縫力學性能的影響。胡夢涵等［6］基于UHPC和碳纖維增強聚合物優越的力學性能，提出了基于高性能材料接縫的預制拼裝橋面板，并通過靜力、疲勞試驗探究其可行性。張菊輝等［7］針對預制小箱梁的縱向濕接縫提出了U筋交錯搭接方式，研究接縫區混凝土強度、U筋縱向間距、搭接長度、U筋直徑、板厚和接縫寬度對接縫受力性能的影響，并提出了相應的設計建議。杜小節［8］以裝配式T 梁橫向連接為對象，提出在預制部分增設UHPC 過渡段的濕接縫方案，研究了過渡段UHPC 寬度、濕接縫段UHPC 寬度、接縫界面形式、鋼筋搭接形式、配筋率等構造參數的影響。Deng［9］等提出了在UHPC 濕接縫中使用環形鋼筋搭接的雙環連接型縱筋構造，通過抗彎試驗研究縱向鋼筋搭接形式、搭接長度、配筋率以及濕接縫的截面形式對濕接縫抗彎性能的影響。Culmo、Porter 等［10-12］提出一種焊接鋼板濕接縫構造形式，通過試驗分析發現該構造抗剪性能優越、抗彎性能較差。劉游山［13］提出在濕接縫底部預埋一塊鋼板，通過試驗研究發現底部鋼板可以抑制裂縫發展，提高構件的抗裂性能。

基于上述研究成果，本文提出一種以預埋波形鋼板（Corrugated Steel Web，CSW）作為底模的UHPC 免模板濕接縫構造形式，并設計5 片試驗梁進行加載測試，研究裂縫發展規律、破壞模式、變形特點，探討鋼纖維含量對開裂荷載以及裂縫發展規律的影響，并通過足尺模型試驗驗證該免模板濕接縫構造的可行性。

1 模型設計

1.1 設計構思

在預制裝配式橋梁中，將預制構件運輸至現場吊裝就位后，需要在橋面板接縫底部立模、綁扎鋼筋、澆筑混凝土。現場支模復雜、工作量較大。接縫處新舊混凝土黏結較弱，易出現裂縫，嚴重影響結構安全使用。為提高裝配式橋梁接縫的抗裂性能并簡化現場施工工藝，提出一種以預埋CSW 作為底模的UHPC 免模板濕接縫構造形式，其構造如圖1所示。

圖1 UHPC免模板濕接縫

UHPC 免模板濕接縫施工流程如下：①將已焊接連接件的CSW 置于接縫處，并與其他橋面部分一起澆筑形成NC 預制橋面板；②將NC 預制橋面板運輸、吊裝至現場，就位后綁扎接縫位置的橋面鋼筋，澆筑接縫UHPC、形成整體，隨后進行自然養護。

與傳統濕接縫相比，UHPC 免模板濕接縫具有以下優點：

1）簡化現場施工工藝，現場無需支模也無需焊接鋼筋，大大提高了施工效率。通過在結構底部增設CSW（配置連接件），并將其作為底模直接澆筑混凝土，減少了現場吊裝底模的工序；接縫中部采用環形鋼筋搭接無需焊接。

2）提高接縫構造的抗裂性能。通過在接縫底部增設CSW，在橋面板橫向接縫處采用UHPC 代替NC，并對NC 預制板界面進行鑿毛處理，提高了UHPC?NC界面黏結強度，從而提高構件抗裂性能。

3）造價經濟。波形鋼板具有自加勁作用，厚約2 mm 薄的鋼板采用波形布置后，具有很好的面外剛度，可以承受接縫現澆混凝土的重量，且不易發生大變形。另外，由于UHPC與鋼筋的黏結錨固性能好，將其作為濕接縫材料，可以減少鋼筋的搭接長度，縮短濕接縫寬度，從而提高經濟性。

1.2 模型設計

本文共設計5片梁，試驗梁尺寸為1800 mm（長） ×500 mm（寬）× 270 mm（高），計算跨徑為1700 mm，UHPC 接縫段長度為300 mm，每側鋼筋的搭接長度為135 mm。試驗梁預制段采用C50 混凝土，接縫段采用強度等級R100 的UHPC。為探究不同鋼纖維含量對UHPC?NC 黏結強度的影響，設計0.5%、1.0%兩種鋼纖維含量。鋼纖維規格為直徑0.2 mm、長13 mm的鍍銅光面圓直型。

頂板、底板分別布置3C12、3C20 縱向鋼筋，腹板內布置C10 箍筋，接縫處布置3C20 環形搭接鋼筋和4C12 橫向鋼筋，鋼筋規格均為HRB400。波形鋼板一面焊接連接件使其與試驗梁底板連接，另一面與底板外表面齊平，波形鋼板厚2.5 mm，材料為Q235。試驗梁參數見表1。各試驗梁的截面尺寸和配筋見圖2。

表1 試驗梁參數

圖2 試驗梁整體布置（單位：mm）

1.3 材料性能

參考GB/ T 31387—2015《活性粉末混凝土》［14］與GB/ T 50081—2002《普通混凝土物理力學性能試驗方法標準》［15］分批澆筑并養護C50 和UHPC 材性試塊。材料性能試驗結果見表2。

表2 材料性能試驗結果

1.4 加載方案與測試內容

試驗采用100 t 液壓千斤頂通過分配梁來實現兩點對稱加載，加載間距600 mm。正式加載前需進行2 ～ 3次預加載，確定儀器以及試驗梁放置良好。正式加載時，每級加載值為5 kN，待梁體開裂后按15 kN 逐級加載，加載完畢待各項測試數據穩定后進行試驗數據采集和裂縫寬度測量。當跨中位移隨荷載變化呈非線性且增值較大時，按1 mm 逐級加載，直至試驗梁破壞。

試驗內容包括：①力的測試。在千斤頂與分配梁間放置100 t壓力傳感器測量試驗荷載。②撓度測試。沿梁縱向布置多個豎向千分表。③混凝土應變。在接縫部位的頂部（測點編號為T1—T6）、底部（測點編號為B1—B5）和側面UHPC 表面（測點編號為S1?1—S5?3）沿縱向布置應變片。④鋼筋應變。在加載點、接縫面（測點編號為FB1?1—FB3?4）和跨中接縫處（測點編號為AB1—AB3）的底板鋼筋表面布置應變片。⑤裂縫測試。采用裂縫觀測儀測量每個荷載步下較寬的典型裂縫和界面裂縫，并用馬克筆標記裂縫發展情況。測點布置見圖3，P為千斤頂施加荷載。

圖3 測點布置

2 試驗結果

2.1 試驗全過程與荷載-位移曲線

5 片梁的試驗結果見表3。可知：UHPC 整體梁的抗裂性能遠大于其余4 片梁；對于預埋CSW 免模板接縫梁，增加接縫段UHPC 鋼纖維含量可以有效提升接縫梁抗裂性能；J?CSW?UHPC?1.0%梁的抗裂性能高于Z?NC梁。

表3 試驗結果

試驗梁的荷載-位移曲線見圖4。可知，各荷載-位移曲線存在兩個較為明顯的特征點，即開裂點、鋼筋屈服點，可將整個試驗大致劃分為3個階段：彈性階段、裂縫發展階段、屈服階段。①彈性階段。在試驗加載初期，試件表面未出現裂縫，各測點應變與荷載基本呈線性關系，曲線斜率基本不變，梁體處于線彈性階段。②裂縫發展階段。當荷載增加到一定值后混凝土出現裂縫，接縫梁初裂縫均位于UHPC?NC 界面，隨著荷載的繼續增加，界面處的裂縫寬度持續增長，并在預制NC 段、UHPC 接縫段相繼出現新的裂縫，試驗梁內部不斷出現鋼纖維“咝咝”的開裂聲。這一階段裂縫數量增加較快，但寬度發展較慢。試驗梁剛度略有下降，曲線斜率逐漸減小。③屈服階段。各試驗梁裂縫數量趨于穩定，主裂縫寬度發展迅速，并逐漸貫穿腹板，隨之受拉鋼筋屈服，荷載基本不增加，試驗梁達到極限受力狀態，跨中位移顯著增大，梁體剛度明顯減小，曲線逐漸趨于平緩。

圖4 試驗梁的荷載-位移曲線

對于2 片整體梁（Z?UHPC、Z?NC），當荷載分別達到140.6、38.3 kN（對應峰值荷載的22%、9%）時，試驗梁首先在純彎段開裂。隨著荷載的繼續增加，裂縫不斷發展，彎曲裂縫作為主裂縫，其寬度隨荷載的增量最明顯。達到極限荷載時，主裂縫迅速擴展變寬，梁體頂板混凝土壓潰。千斤頂繼續施壓，但試驗荷載無法增加，試驗梁發生彎曲破壞，Z?UHPC、Z?NC 梁最大變形分別為44.49、36.93 mm。其中，Z?NC 梁裂縫分叉，呈放射狀，破壞時有多條主裂縫，而Z?UHPC 梁裂縫密而細，破壞時只有1條主裂縫。

對于普通接縫梁（J?UHPC），當荷載達到38.6 kN（對應峰值荷載的9%）時，試驗梁首先在UHPC?NC 界面處出現彎曲裂縫，荷載繼續增加時，另一個界面產生裂縫，試驗梁其余部位均未開裂。當荷載達到126.3 kN（對應峰值荷載的30%）時，非界面（NC）部位初裂。隨著荷載的增加，預制NC 段裂縫數量和寬度不斷增加，并向上延伸。當荷載達到202.6 kN（對應峰值荷載的47.9%）時，非界面（UHPC）部位初裂。加載過程中，界面裂縫寬度始終小于非界面裂縫，最終右側加載點附近某一裂縫迅速向上攀升、貫穿梁體腹板，發展成為主裂縫。該截面鋼筋屈服、頂板壓潰，此時最大變形為30.27 mm。

對于2 片以預埋CSW 作為底模的免模板接縫梁（J?CSW?UHPC?0.5%、J?CSW?UHPC?1.0%），當荷載分別達到33.5、57.9 kN（對應峰值荷載的8.3%、14.3%）時，首先在UHPC?NC 界面處出現彎曲裂縫。荷載繼續增加，荷載分別為76.7、100.8 kN（對應峰值荷載的19.0%、25.0%）時，在CSW?NC 界面（CSW 與NC 連接邊緣）觀測到NC 初裂縫。隨著荷載的增加，CSW 與NC 連接處裂縫數量緩慢增多。當荷載分別達到163.7、181.0 kN（對應峰值荷載的40.7%、44.8%）時，UHPC 部位初裂。隨后，CSW?NC 界面的初裂縫迅速發展成為主裂縫，不斷向加載點延伸發展，逐漸貫穿腹板。達到極限荷載時，千斤頂繼續施壓，但試驗荷載無法增加，試驗梁發生彎曲破壞。此時J?CSW?UHPC?0.5%、J?CSW?UHPC?1.0%梁最大變形分別為44.72、38.13 mm。

5片試驗梁的破壞細節如圖5所示。

圖5 破壞細節

2.2 裂縫分布與荷載-裂縫寬度關系

極限荷載作用下的裂縫分布見圖6。可見：①整體梁裂縫主要分布在純彎段，彎剪段出現少量斜裂縫，裂縫沿底板向加載點區域發展。②接縫梁的主裂縫均位于預制NC 段，免模板接縫梁主裂縫均位于CSW?NC 界面，UHPC 接縫段的裂縫短而窄，裂縫數量少、分布稀疏，預制NC 段的裂縫長而寬，且呈分叉、放射狀。

圖6 試驗梁裂縫分布

試驗梁荷載-主裂縫寬度曲線見圖7。可見：①UHPC 整體梁的主裂縫寬度發展速率遠低于其余4 片梁。②NC 整體梁的主裂縫寬度發展速率與接縫梁相當，當荷載低于200 kN 時，接縫梁裂縫發展更慢，說明試驗初期，接縫梁的抗裂性能更優。

圖7 試驗梁荷載-主裂縫寬度曲線

2.3 典型荷載-應變響應

2.3.1 頂板、底板應變

各試驗梁混凝土荷載-頂底板應變曲線見圖8，其中，頂板選取破壞截面應變片數據，底板選取初裂截面應變片數據。可知：①對于頂板，試驗初期應變隨荷載的增大呈線性增長，隨著裂縫的產生和發展，荷載-應變曲線斜率逐漸減小，直至試件屈服，其中Z?NC梁、Z?UHPC 梁應變達到3×10-3以上。②對于底板，彈性階段時荷載-應變曲線均呈線性變化，試驗梁開裂后截面發生應力重分布，應力陡增，曲線產生突變。由于接縫梁初裂位置在UHPC?NC 界面，鋼纖維參與抗拉作用，故接縫梁底板應變發展速率慢于Z?NC 梁。而J?CSW?UHPC?0.5%、J?CSW?UHPC?1.0% 梁由于底部CSW 參與抗拉作用，底板應變發展速率慢于J?UHPC梁。

圖8 荷載-頂底板應變曲線

2.3.2 主筋應變

荷載-縱筋應變曲線見圖9。可知：①加載點處荷載-縱筋應變曲線呈三線性特征。在混凝土開裂前，應變隨荷載線性增加，且變化較小；試驗梁開裂后，受拉區部分混凝土失效，鋼筋應變迅速增大；受拉鋼筋屈服后，荷載基本保持不變，應變急劇增加。②加載過程中由于裂縫的產生與發展，鋼筋應變不斷發生變化，主要表現為大部分鋼筋應變增加速率變大，但當測點附近出現新裂縫時，少部分測點出現應變回縮現象。接縫梁破壞時，UHPC?NC 界面鋼筋應變均達到2 × 10-3以上，但屈服強化階段不明顯；接縫中部環形鋼筋處應變均未達到極限拉應變，這是由于接縫梁在接縫處有環形搭接鋼筋，接縫內的配筋率為預制NC 段的2倍。

圖9 荷載-縱筋應變曲線

3 抗裂性能與抗彎承載力分析

3.1 抗裂性能

C50混凝土一旦開裂，裂縫寬度就會達到0.05 mm左右［16］，工程上通常將0.05 mm 作為UHPC 結構抗裂設計的界限。試驗接縫梁初始裂縫均在UHPC?NC 界面。為評估UHPC 免模板濕接縫構造的抗裂性能，本文以0.05 mm 裂縫寬度作為開裂狀態的對比基準。各試驗梁初始裂縫寬度為0.05 mm時對應的開裂彎矩及名義開裂應力見表4。可知，J?CSW?UHPC?0.5%梁、J?CSW?UHPC?1.0%梁的名義開裂應力比普通混凝土整體梁（Z?NC）分別提高36.4%、69.8%，說明接縫底部的預埋CSW 能有效減緩UHPC?NC 界面裂縫的產生與發展，提高結構的抗裂性和耐久性。J?CSW?UHPC?1.0%梁的名義開裂應力比J?CSW?UHPC?0.5%梁提高了24.4%，說明鋼纖維含量的增加可以有效提升結構的抗裂性能。

表4 試驗梁開裂彎矩與開裂名義應力

3.2 抗彎承載力

試驗梁的峰值荷載參見表3。可知：①UHPC整體梁的峰值荷載遠高于其余4片梁，接縫梁和NC整體梁的峰值荷載基本一致。②J?CSW?UHPC?0.5%梁的抗彎承載力比Z?NC 梁低4.1%，比J?UHPC 梁高0.07%；J?CSW?UHPC?1.0%梁的抗彎承載力比Z?NC 梁低4.0%、比J?UHPC梁高0.28%，表明本文提出的以預埋CSW 為底模的UHPC 免模板濕接縫削弱了橋面板的抗彎承載力。由于預埋CSW 免模板接縫梁均在預制NC 段破壞，鋼纖維含量的變化對其抗彎承載力影響不大。

4 結論

1）各試驗梁表現了良好的抗裂、抗彎性能，破壞模式均為彎曲破壞，首先在UHPC?NC 界面出現初始裂縫，極限狀態時預制NC 段出現主裂縫，鋼筋隨之受拉屈服、頂板全寬壓潰。

2）與NC 整體梁相比，以預埋CSW 為底模的免模板接縫梁名義開裂應力提升36% ～ 70%，承載能力略有降低。鋼纖維含量的提高可以增強UHPC?NC 界面黏結，提升接縫的抗裂性能，使其名義開裂應力提高20% ～ 30%，但對極限承載力的影響不大。

3）鋼纖維含量為1.0%的免模板接縫梁的破壞發生在預制NC段，故UHPC鋼纖維含量采用2% ～ 3%時意義不大，且經濟性能差。UHPC 鋼纖維含量建議取1.0%。

本文只研究了新型UHPC接縫構造在受彎狀態下的力學性能和鋼纖維含量對其抗裂性能的影響，后續可以考慮剪拉作用的影響，并對界面處理情況（表面粗糙度、連接鍵設置、含水量、黏結材料、清潔程度等）、UHPC 澆筑方位、養護方式、養護齡期等因素進行參數化分析，以更加真實地反映實際情況。