孫明德 李壯 高日 蘇永華 班新林

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.國(guó)泰土地整理集團(tuán)有限公司，北京 100873；3.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044）

活性粉末混凝土（Reactive Powder Concrete，RPC）作為一種新型的高性能水泥基復(fù)合材料，具有高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性、體積穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)［1-2］，可以減輕自重、增加跨度、減小尺寸，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)抵抗運(yùn)營(yíng)荷載的有效性［3-5］。由于RPC 制備要求高，且需要高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)才能充分發(fā)揮優(yōu)良性能。因此，一般在工廠制造RPC 梁，再運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行節(jié)段拼裝。節(jié)段拼裝是將預(yù)制的節(jié)段梁通過(guò)預(yù)應(yīng)力鋼束張拉組成整體，施工進(jìn)度快，具有較好的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)［6-7］。魏亞雄等［8］對(duì)一座4×30 m的預(yù)應(yīng)力RPC裝配式箱梁的整體和局部受力性能進(jìn)行了分析；查彥宇［9］建立72 m 活性粉末混凝土預(yù)制節(jié)段拼裝體外預(yù)應(yīng)力簡(jiǎn)支箱梁有限元模型，分析了其抗彎特性；王葦?shù)龋?0］對(duì)24 m節(jié)段拼裝模型梁的拼裝工藝、剛度和抗裂安全系數(shù)進(jìn)行了研究。

本文對(duì)1 孔節(jié)段拼裝RPC 箱梁進(jìn)行抗彎試驗(yàn)，研究其破壞形態(tài)、荷載-撓度曲線、裂縫的發(fā)展和分布情況，可為節(jié)段拼裝RPC箱梁的工程應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

預(yù)應(yīng)力RPC 箱梁全長(zhǎng)25.1 m，計(jì)算跨徑24 m，包含9 個(gè)梁段，節(jié)段長(zhǎng)2.75～2.80 m，跨中腹板、底板和頂板厚度均為18 cm，支點(diǎn)附近加厚，箱梁腹板設(shè)RPC剪力鍵。24 m箱梁跨中截面見(jiàn)圖1。

圖1 24 m箱梁跨中截面（單位：cm）

試驗(yàn)梁采用后張法節(jié)段拼裝施工，采用短線法預(yù)制，腹板預(yù)應(yīng)力采用雙排8 根7-7φ5 鋼絞線，底板采用單排6 根7-7φ5 鋼絞線，腹板和底板鋼束錨下張拉控制應(yīng)力分別為1 339，1 321 MPa，壓漿水泥強(qiáng)度M50。構(gòu)造鋼筋采用HRB400鋼筋，鋼筋直徑10 mm。

1.2 試驗(yàn)梁制作

活性粉末混凝土配合比見(jiàn)表1。RPC 材料包括：粒徑為0.16～1.25 mm 的石英砂，42.5 普通硅酸鹽水泥，比表面積為242 000 m2/kg 的微硅粉、聚羧酸高效減水劑、鋼纖維（直徑0.22 mm，長(zhǎng)12～15 mm，抗拉強(qiáng)度≥2 800 MPa）。

表1 活性粉末混凝土配合比 kg·m-3

由于節(jié)段梁體積較大，RPC 和易性差，在澆筑試驗(yàn)梁時(shí)采用附著式振動(dòng)器和振動(dòng)棒相結(jié)合的振搗方式。澆筑后灑水，常溫養(yǎng)護(hù)24 h 后拆模，采用蒸汽養(yǎng)護(hù)，升降溫速度不應(yīng)大于10 ℃/h，恒溫（70±5）℃養(yǎng)護(hù)時(shí)間不應(yīng)少于48 h。

養(yǎng)護(hù)完成后對(duì)節(jié)段進(jìn)行拼裝，具體流程為：打磨節(jié)段的膠粘結(jié)合面，在結(jié)合面涂抹樹(shù)脂膠；節(jié)段拼裝和臨時(shí)錨固，臨時(shí)錨固接縫面的預(yù)壓應(yīng)力不小于0.3 MPa；所有節(jié)段拼裝完成后張拉預(yù)應(yīng)力筋。

1.3 加載裝置

試驗(yàn)采用縱向5排分配梁的加載方式加載（圖2），排間距4 m，分配梁的加載點(diǎn)位于腹板中心處的頂板，采用4 000 kN 液壓千斤頂施加荷載F。加載前對(duì)試驗(yàn)梁進(jìn)行預(yù)加載，正式加載采用單調(diào)分級(jí)加載，直至試件破壞。

圖2 試驗(yàn)加載裝置

1.4 測(cè)試方案

測(cè)試內(nèi)容包括測(cè)量試驗(yàn)荷載、撓度、應(yīng)變和裂縫，以及預(yù)應(yīng)力張拉測(cè)試。測(cè)點(diǎn)截面如圖3所示。

圖3 測(cè)試截面（單位：mm）

1）試驗(yàn)荷載：通過(guò)布置于千斤頂上的壓力傳感器測(cè)得試驗(yàn)荷載。

2）預(yù)應(yīng)力張拉測(cè)試：通過(guò)摩阻試驗(yàn)測(cè)得管道摩擦系數(shù)μ和管道每米偏差系數(shù)k；張拉前在跨中梁底貼混凝土應(yīng)變片，測(cè)量張拉后實(shí)際應(yīng)變。

3）撓度：在截面1布置3個(gè)百分表，在截面2布置2個(gè)百分表，測(cè)量試驗(yàn)梁在各級(jí)荷載作用下的撓度變化。

4）混凝土應(yīng)變：在截面1 沿梁高度粘貼11 個(gè)應(yīng)變片，梁底粘帖5 個(gè)應(yīng)變片，測(cè)量混凝土應(yīng)變；在截面3設(shè)置5 個(gè)鋼弦傳感器，測(cè)量膠結(jié)縫處的應(yīng)變，在截面4梁底粘貼5個(gè)應(yīng)變片，測(cè)得的應(yīng)變作為對(duì)比值。

5）裂縫：記錄各級(jí)荷載下裂縫寬度和間距，并在試驗(yàn)梁上描繪裂縫分布與開(kāi)展情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 材料試驗(yàn)與力學(xué)性能

RPC 試塊與模型梁在相同條件下養(yǎng)護(hù)?？箟簭?qiáng)度試件為100 mm×100 mm×100 mm 的立方體試塊，軸心抗壓強(qiáng)度試件為100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試塊，抗折強(qiáng)度試件為100 mm×100 mm×400 mm的梁試塊，試塊數(shù)量各3 個(gè)。試驗(yàn)后得到基本力學(xué)性能參數(shù)：抗壓強(qiáng)度為128 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度為96.2 MPa，抗折強(qiáng)度為20.1 MPa。

2.2 預(yù)應(yīng)力張拉測(cè)試結(jié)果

采用2臺(tái)穿心式壓力傳感器測(cè)定試驗(yàn)梁的預(yù)應(yīng)力損失，選擇腹板和底板各2 束預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行管道摩阻試驗(yàn)，測(cè)得預(yù)應(yīng)力鋼束與孔道壁的摩阻系數(shù)μ=0.23，管道每米偏差系數(shù)k=0.001，滿足設(shè)計(jì)要求。

預(yù)應(yīng)力鋼束張拉完成后，得到箱梁底板下緣應(yīng)變?yōu)?46 × 10-6，在自重和預(yù)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的壓應(yīng)力為-19.62 MPa。

2.3 抗彎試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)梁跨中荷載-跨中撓度曲線見(jiàn)圖4。

圖4 試驗(yàn)梁跨中荷載-撓度曲線

由圖4可知：

1）荷載從0 加載到419 kN（單點(diǎn)加載值，以下同）時(shí)，荷載-撓度曲線呈線性增長(zhǎng)，試驗(yàn)梁處于彈性階段。

2）加載至651 kN 時(shí)，跨中節(jié)段兩側(cè)的膠接縫在正面和反面均出現(xiàn)1條裂縫，裂縫寬度為0.01～0.02 mm，梁體剛度降低，荷載-撓度曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。繼續(xù)加載，已有裂縫寬度慢慢增大，沒(méi)有新裂縫產(chǎn)生。

3）加載至884 kN 時(shí)，跨中節(jié)段正面出現(xiàn)3 條裂縫，反面沒(méi)有產(chǎn)生裂縫；繼續(xù)加載，試驗(yàn)梁正面純彎區(qū)段的裂縫增多，反面沒(méi)有產(chǎn)生裂縫，距離跨中4.2 m 處的膠接縫開(kāi)裂。

4）加載至反力架單點(diǎn)加載最大承載力1 039 kN時(shí)，試驗(yàn)梁的預(yù)應(yīng)力筋沒(méi)有屈服，頂板沒(méi)有壓碎?？缰泄?jié)段兩側(cè)膠結(jié)縫開(kāi)裂寬度分別為5.00，4.54 mm。跨中節(jié)段正面腹板有11條裂縫，反面腹板沒(méi)有產(chǎn)生裂縫，卸載后裂縫閉合。

2.4 應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

跨中應(yīng)變沿截面高度分布情況見(jiàn)圖5?？芍?，試驗(yàn)梁在整個(gè)加載過(guò)程的應(yīng)變沿梁高呈線性分布，截面符合平截面假定。

圖5 跨中應(yīng)變沿截面高度分布情況

試驗(yàn)梁截面混凝土應(yīng)變見(jiàn)圖6?？芍?，膠結(jié)縫開(kāi)裂時(shí)，截面3 處應(yīng)變急劇增大，截面4 處混凝土應(yīng)變?cè)龇苄　?/p>

圖6 試驗(yàn)梁截面混凝土應(yīng)變

3 有限元分析

3.1 設(shè)計(jì)荷載

采用有限元軟件建立節(jié)段拼裝梁模型進(jìn)行計(jì)算分析，可得：預(yù)應(yīng)力鋼束張拉完成后，箱梁跨中底板下緣在自重和預(yù)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的壓應(yīng)力為-18.2 MPa。對(duì)試驗(yàn)梁逐級(jí)加載到設(shè)計(jì)荷載419 kN 時(shí)，得到縱向正應(yīng)力云圖和荷載-撓度曲線，見(jiàn)圖7?？芍孩俸奢d從0加載至419 kN時(shí)，試驗(yàn)梁截面處于全截面受壓狀態(tài)，且荷載-撓度曲線基本呈線性變化，梁體處于彈性工作狀態(tài)；②撓度有限元計(jì)算值小于試驗(yàn)值，這是由于節(jié)段梁拼裝施工誤差、預(yù)應(yīng)力管道壓漿質(zhì)量差等施工缺陷造成。

圖7 試驗(yàn)梁在設(shè)計(jì)荷載下的受力特性

3.2 開(kāi)裂荷載

在有限元模型計(jì)算中，當(dāng)單點(diǎn)加載值達(dá)到780 kN時(shí)，梁體跨中底面的拉應(yīng)力超過(guò)3.2 MPa（圖8），而膠結(jié)縫的抗拉強(qiáng)度為3.0 MPa，此時(shí)膠結(jié)縫開(kāi)裂。另外，實(shí)測(cè)開(kāi)裂荷載為651 kN，試驗(yàn)值小于理論計(jì)算值。原因是清潔接縫部位的混凝土截面對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度有影響［7］，而模型為理想狀態(tài)，實(shí)際有施工缺陷，且在加載前發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)梁膠結(jié)縫處的環(huán)氧樹(shù)脂內(nèi)部有白色裂縫缺陷，降低了膠結(jié)縫的黏結(jié)強(qiáng)度。

圖8 試驗(yàn)梁縱向正應(yīng)力云圖（單位：Pa）

4 結(jié)論

1）預(yù)應(yīng)力鋼束與孔道壁的摩阻系數(shù)μ=0.23，孔道每米局部偏差對(duì)摩擦的影響系數(shù)k=0.001，均在規(guī)范建議取值范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。

2）膠結(jié)縫開(kāi)裂后，試驗(yàn)梁荷載-撓度曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)。

3）試驗(yàn)梁在整個(gè)加載過(guò)程中應(yīng)變沿梁高呈線性分布，截面符合平截面假定。