袁嘉梁,賈依楠,晏班夫

(湖南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410082)

UHPC(超高性能混凝土)是一種基于最大堆積密度理論的新型混凝土，其具有超高抗壓、極佳抗拉和良好耐久性能[1-2]。目前，UHPC多用于公路橋梁、海洋工程、結(jié)構(gòu)加固維修等。采用UHPC的結(jié)構(gòu)大多為預制結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場通過節(jié)點接縫進行預制構(gòu)件間的連接，但國內(nèi)外關于UHPC材料濕接縫的試驗較少[3]，因此對UHPC濕接縫進行系統(tǒng)的試驗研究十分必要。

本文主要對如圖1所示矩形UHPC濕接縫進行抗彎試驗研究，并與完整梁進行比較，通過分析矩形接縫受力過程、破壞形態(tài)及試驗結(jié)果，確定矩形UHPC濕接縫構(gòu)造的受力機理及受力性能，并建議了矩形UHPC接縫構(gòu)造的承載力計算公式。

圖1 矩形UHPC濕接縫構(gòu)造Figure 1 Vertical UHPC wet joint constructions

1 試驗設計

1.1 試驗梁設計

對提出的矩形UHPC接縫構(gòu)造進行模型試驗，共2個試件，分別為無接縫完整梁、矩形接縫梁，每個試件總長3.2 m，凈跨徑3 m，梁高30 cm，梁寬15 cm，考慮到試件制作誤差和試驗時的安全性，梁兩端20 cm處加寬至35 cm；預制構(gòu)件及完整梁UHPC上下均配置3根HRB400C12鋼筋，鋼筋間距4.5 cm，凈保護層厚度2.4 cm，接縫處采用鋼筋搭接(不焊接)的形式進行兩邊預制構(gòu)件鋼筋的連接,參考文獻[4],本試驗鋼筋搭接長度均大于10 d。試件具體尺寸及配筋圖如圖2、圖3。

(a) 無接縫完整梁

(a) 接縫鋼筋搭接處橫斷面 (b) 預制構(gòu)件及完整梁橫斷面

1.2 試驗梁分組

本次試驗共2個試件，一個為完整梁試件，一個為矩形接縫構(gòu)造梁梁試件。試件分組編號見表1。

表1 試驗梁分組編號Table 1 Grouping numbers of specimens序號編號接縫形式備注1O-1無接縫完整梁2O-2矩形接縫搭接鋼筋C12

預制構(gòu)件與矩形接縫材料均為同種UHPC材料，接縫試件分階段成型。UHPC實測抗壓強度、抗折強度、彈性模量見表2。

表2 UHPC材料性能Table 2 UHPC performance混凝土種類立方體抗壓強度/MPa棱柱體抗折強度/MPa彈性模量Ec/ (×104 MPa)UHPC139.517.948.1

1.3 試驗方案設計

本試驗采用兩點加載方案，剪跨比大于3，模型均采用簡支支撐，為了保證模型水平方向自由移動，在模型的一端和分配梁的一端使用滾軸支撐。梁的純彎段均為1 m，在梁的純彎段內(nèi)3個截面上分別布置測線，在支座位置布置有千分表，沿梁長方向布置有3個百分表以觀察梁的撓度變形。試驗過程中，應變數(shù)據(jù)采用江蘇東華測試技術股份有限公司生產(chǎn)的DH3816N靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀采集。加載裝置為50 t油壓千斤頂，荷載由壓力傳感器測量。裂縫寬度采用智能裂縫寬度觀測儀量測，精度為0.01 mm?，F(xiàn)場試驗裝置如圖4所示，試驗加載方案如圖5所示。

圖4 實驗加載裝置Figure 4 Set-up of test model and load

圖5 實驗加載及量測方案(單位：cm)Figure 5 Loading scheme of test beams(Unit：cm)

1.4 試件制作

接縫梁預制構(gòu)件與完整梁澆筑后靜停2 d，拆模后進行90 ℃蒸汽養(yǎng)護48 h，接縫梁預制構(gòu)件在接縫接合面處進行簡單鑿毛后進行對拼并搭接鋼筋，隨后澆注接縫處UHPC，同預制構(gòu)件和完整梁UHPC養(yǎng)護一樣，接縫處UHPC澆筑后靜停2 d，隨后拆模并進行90 ℃蒸汽養(yǎng)護48 h，自然降溫至常溫后進行試驗。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試件荷載-位移曲線

各試件荷載位移曲線如圖6所示，各試件試驗值見表3。從圖6中可看出各試驗梁的加載過程，O-1完整梁與O-2矩形接縫梁有明顯區(qū)別。

圖6 荷載-跨中位移曲線Figure 6 Load-mid-span deflection curves

對于O-1完整梁，其加載過程可分為4個階段，即彈性階段、裂縫發(fā)展階段、屈服強化階段、破壞階段。在彈性階段荷載位移曲線呈現(xiàn)直線段，接著進入彈塑性狀態(tài)，試驗梁出現(xiàn)裂縫，剛度發(fā)生變化，隨著荷載的增加，梁體發(fā)生密集開裂，裂縫寬度和長度不斷擴展，直至鋼筋屈服，結(jié)構(gòu)進入屈服強化階段，荷載稍有提升，此時梁的剛度有所減少，可聽到鋼纖維拔出的“咔咔”聲，接著迅速進入破壞階段，此時荷載突然降低，不斷發(fā)出鋼纖維拔出的“咔咔”聲，停止加載后任能聽到“咔咔”聲，且荷載自動降低，繼續(xù)加載，荷載仍然降低，此時視為結(jié)構(gòu)破壞。

對于O-2矩形接縫梁，其加載過程也可分為彈性階段、裂縫發(fā)展階段、屈服強化階段、破壞階段4個階段。在彈性階段荷載位移曲線呈現(xiàn)直線段，接著進入裂縫發(fā)展階段，此時試驗梁接縫接合面處出現(xiàn)裂縫，剛度稍有改變，隨著荷載的增加，裂縫寬度和長度不斷擴展，直至鋼筋屈服，結(jié)構(gòu)進入屈服強化階段，此時梁的剛度已經(jīng)大幅折減，可觀察到截面受壓區(qū)不斷提升，當荷載提升到一定程度后，荷載突然降低，試件上緣可見輕微壓碎，下搭接鋼筋部分有橫向裂縫，繼續(xù)加載，上緣壓碎面積增大，荷載仍然降低，此時視為結(jié)構(gòu)破壞。

表3 試件試驗值Table 3 Result of performance test試件編號破壞荷載/kN初裂荷載/kN屈服荷載/kNF0-iF0-1O-118053174.91O-2879.9610.48

2.2 試件名義應力-裂縫寬度曲線

試件名義應力-裂縫寬度曲線見圖7。

圖7中名義應力代表實際跨中彎矩值與試件截面計算的名義應力值，裂縫寬度指梁體最大裂縫寬度。

圖7 試件名義應力-裂縫寬度曲線Figure 7 Nominal stress-crack width curves

從圖7中可見，O-1與O-2試件名義應力-裂縫寬度曲線均大致呈線性關系。O-1完整梁開裂荷載與各裂縫寬度對應名義應力遠高于O-2矩形接縫梁。

2.3 試件破壞形態(tài)

O-1號試驗構(gòu)件最終破壞形態(tài)如圖8(a)所示，可以看到O-1試件破壞時有一條明顯的主裂縫和多條密集次裂縫，初裂縫與主裂縫為不同裂縫，構(gòu)件上緣未被壓碎，但下部鋼筋已經(jīng)屈服，且繼續(xù)加載，荷載不增反降，可觀察到構(gòu)件主裂縫下緣鋼纖維被拔出。

O-2號試件最終破壞形態(tài)如圖8(b)所示，其破壞形態(tài)類似普通混凝土破壞，可以看到初始裂縫在接縫接合面處，破壞時初始裂縫由下往上沿矩形接合面發(fā)展為主裂縫，構(gòu)件次裂縫少且細短。破壞時，構(gòu)件上緣有輕微壓碎現(xiàn)象，下部鋼筋屈服，主裂縫在下部鋼筋搭接位置發(fā)展有橫向裂縫。

(a) O-1梁最終破壞形態(tài)

2.4 試驗結(jié)果分析

綜合上述試驗結(jié)果，可做出以下分析。

a.從試驗綜合結(jié)果看，O-1號完整梁在承載力、抗裂性、剛度等受彎性能遠優(yōu)于O-2矩形接縫梁。

b.O-1完整梁與O-2矩形接縫梁破壞形態(tài)及裂縫發(fā)展說明,對于UHPC結(jié)構(gòu)的受力，對于完整結(jié)構(gòu)，UHPC本身的抗拉強度作用不能忽略，但UHPC接縫由于鋼纖維的不連續(xù)，使接縫接合面處的UHPC抗拉強度極低，可忽略不計。

3 矩形接縫承載力

3.1 承載力計算思路

試驗現(xiàn)象和結(jié)果表明，矩形接縫接合面處由于鋼纖維的不連續(xù)，使接縫接合面處UHPC抗拉強度極低，忽略不計，且矩形接縫初始裂縫發(fā)生在接合面下部，并沿接合面發(fā)展成主裂縫，因此，計算承載力時，應選取接縫最弱截面(即初始裂縫處截面)，并忽略該截面處接合面部分的UHPC抗拉強度進行接縫的承載力計算，即矩形接縫計算承載力時不考慮UHPC抗拉作用。

由于UHPC材料有超高的抗壓強度，因此計算時偏安全忽略截面上緣鋼筋。

3.2 基本假定

根據(jù)試驗結(jié)果，采用了如下的基本假定。

a.UHPC接縫截面的平均應變?nèi)詽M足平截面假定。

b.剪力作用對構(gòu)件的軸向和彎曲變形很小，可忽略不計。

c.忽略鋼筋和混凝土之間的相對滑移對截面的承載力影響。

3.3 材料特性

a.UHPC軸壓應力-應變近似關系：

σc=Ecmεc,0<εc<εc 0

(1)

σc=fc,εc 0<εc<εcu

(2)

其中,εc與σc為UHPC壓應變及對應的壓應變；fc與εc 0為UHPC抗壓強度及對應的壓應變；εcu為UHPC極限壓應變；Ecm代表UHPC彈性模量。

b.UHPC軸拉應力-應變近似關系：

σt=Ecmεt，0<εt<εt0

(3)

σt=ft，εt 0<εt<εtu

(4)

其中,εt與σt為UHPC拉應變及對應的拉應變；ft與εt 0為UHPC抗拉強度及對應的拉應變；εtu為UHPC極限拉應變。

c.鋼筋應力-應變近似關系：

σs=Es≤fy

(5)

其中,σs代表鋼筋應力；Es代表鋼筋彈性模量；fy代表鋼筋屈服應力。

3.4 變形條件

UHPC矩形及菱形構(gòu)造接縫截面應變及應力分布見圖9。

圖9 截面應變及應力計算示意圖Figure 9 Sketch map of strain and stress calculation

為了簡化計算，將梁截面上的壓應力曲線和拉應力曲線均替換為等效的矩形應力圖。

圖9中，xn代表受壓區(qū)高度;x代表等效受壓區(qū)高度；α代表壓應力等效矩形系數(shù)；as代表下緣鋼筋中心到截面下緣距離；h代表截面高度；b代表截面寬度；h0代表截面有效高度；As代表下緣鋼筋面積。

3.5 承載力計算公式

本文承載力計算中簡化計算將梁截面上的壓應力曲線替換為等效的矩形應力圖，參考文獻[5-7],推導等效矩形應力系數(shù)，得到壓應力等效矩形應力系數(shù)α=0.964～0.912。對于本文，等效矩形系數(shù)α=0.92。

3.5.1矩形接縫承載力計算公式

根據(jù)圖9(a)的應力-應變示意圖，由平衡條件可得到矩形接縫承載力計算公式:

3.6 試驗結(jié)果與公式計算值對比

采用上述公式計算試驗矩形接縫梁與菱形接縫梁承載力，公式各參數(shù)取試驗實測值，fc取實測值139.5 MPa，ft取實測值7 MPa，fy取實測值480 MPa；計算值與試驗值對比見表4。

表4 試驗值與計算值對比Table 4 Comparison of test and calculation接縫形態(tài)計算值/(kN·m)試驗值/(kN·m)計算值試驗值矩形86.5870.99

表4可見，本文承載力計算公式計算值與試驗值吻合較好。

4 結(jié)論

通過對矩形接縫構(gòu)造進行試驗研究，并與完整梁進行對比，分析得出以下結(jié)論：

a.矩形接縫構(gòu)造綜合受彎性能遠低于完整梁；

b.矩形接縫接合面由于鋼纖維的不連續(xù)，其抗拉強度極低，可忽略不計；

c.建議采用式(6)、式(7)聯(lián)立計算得到矩形接縫承載力。