UHPC桥面板现浇接缝的弯拉性能研究

陈艳良,邵旭东,胡伟业,张 阳

(1．湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2. 中国市政工程中南设计研究院天津分院，天津 300000；3. 湖南大学 风工程与桥梁工程湖南省重点实验室，湖南 长沙 410082)

0 引言

装配化是桥梁工业化的主要特征，也是我国建设领域“十三五”期间转型升级与战略产业发展方向[1-2]。装配式桥梁施工便捷、环保，是未来桥梁发展的趋势之一，但是在桥面结构受力时，接缝区域的力学性能和耐久性都较差，桥面板结构往往因接缝的受力性能较差而破坏[3]，从而影响结构的整体寿命。因此，接缝段的研究分析对整个结构起到非常重要的作用。合理的接缝设计，既可以使预制装配结构有着较好的传力性能，又可以保证其抗渗性和整体性。

现有装配式桥梁结构体系虽然已经趋于成熟，但在结构轻型化、减少现场施工工作量、提高耐久性、降低全寿命周期费用等方面有较多改进空间，其发展依赖于新材料的应用。材料的革新会导致结构性能从本质上发生改变，是桥梁今后发展的主要催化剂[4]。超高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete, UHPC)具有优异的力学性能和耐久性能、超高强度和韧性等特点[5-6]，解决了传统桥梁结构自重大、耐久性差的缺点。UHPC抗拉强度超过7 MPa，受拉时，会出现应变硬化和多元裂缝开展的现象，本质上解决了普通混凝土低抗拉强度的缺点。同时，UHPC具有优异的和易性，易于施工操作和保证均匀密实，可降低施工难度，减少后期维护成本。现有桥梁施工方法一般是整体现场浇筑施工法，但是大面积现浇UHPC蒸汽养护难度大，且浇筑后的UHPC性能得不到保证。装配化UHPC组合梁桥可以解决上述两大难题，有着很好的发展前景。

近些年来，很多学者对纵向接缝形式和接缝内配筋形式进行了改善和探究。文献[7]进行了带传统接缝形式的叠合板受力性能试验，将接缝位置的受力钢筋改为锚固性很好的双钢筋，并认为在接触面设置双筋和界面进行凿毛处理的效果相差不多，此种接缝形式的缺点是传力不连续，在受力位置较大处不易设置。文献[8-9]提出一种新型接缝形式，配筋形式为在预制段预设U形钢筋，在拼接时U形钢筋中间放置粗钢棒，结果表明：该接缝形式力学性能良好，其承载力和整体性都较高，且能够有效传递内力。文献[10]提出一种新型弧形钢筋构造，并与直筋以及U形钢筋连接方式做对比，三者进行轴拉试验，结果表明：弧形钢筋构造形式优异性较突出，抗拉极限承载能力较高，承载力因厚度方向分布均匀的钢筋可得到提高，但U形钢筋受构造要求限制。文献[11-12]提出一种将接缝处横向钢筋与钢板进行焊接的连接方式，并通过试验研究和有限元分析对其承载力进行了验证。

这些研究虽然取得了一定成果，但仍存在下述问题：①其构造形式大部分是平接缝形式，桥面结构在运营使用不久，就会出现接缝位置处混凝土开裂、剥落及沿接缝位置的长裂缝；②配筋较复杂，增加了现场施工的难度；③只停留在普通混凝土接缝的研究，未对新材料的接缝形式进行研究。因此新的接缝构造形式和合理的配筋形式有待探究。

传统平接缝易出现渗水、车辙、承载力较低等病害，而UHPC材料有着良好的自密实性能和抗拉性能，故在设计与施工上可以通过改变接缝的材料、构造形式与钢筋布置形式来提高其承载力。本文以惠清麻埔停车区跨线桥工程为依托，参照其桥面板的纵向局部加高湿接缝结构尺寸，另设计了一种常规平接缝形式，通过有限元软件对两种不同接缝形式的UHPC桥面板分别进行了分析，基于两种接缝形式开展了足尺桥面板模型抗弯试验，并对有限元结果进行了验证。

1 UHPC桥面板接缝形式

广东麻埔停车区跨线桥采用钢 — UHPC轻型组合梁桥设计方案，设计桥孔和跨径为4×25 m，荷载等级为公路I级，桥梁宽度为8.5 m，梁高1 m。

基于现有接缝的不足之处，该轻型组合梁桥湿接缝采用局部加高接缝形式，且钢筋为交错布置筋。为了验证该局部加高接缝应用的合理性，另提出一种常规平口接缝与之进行对比。实桥标准断面如图 1所示，两种接缝构造尺寸如图 2所示，桥面板厚与平口接缝高均为12 cm，局部加高接缝处高20 cm。

图1 钢-UHPC轻型组合梁标准断面图(单位：cm)Figure 1 Standard section diagram of steel-UHPC light composite beam (Unit: cm)

相对于平口接缝，局部加高接缝有以下几个优点：①该接缝通过顶面设置槽口，下部设置企口，使得槽口构造处和企口构造处新旧超高性能混凝土的界面相互错开，可降低接缝界面的渗水病害，有效提高了桥面板接缝处的抗剪承载力，削弱了钢纤维不连续的影响；②降低了新旧超高性能混凝土界面的收缩应力，避免了接缝出现收缩裂缝，显著提高了桥梁接缝处的耐久性；③局部加高可以增大截面抵抗矩，降低接缝处的弯曲应力。

(a)局部加高接缝 (b)平口接缝

2 桥面板局部受力分析

2.1 节段有限元模型建立

为真实模拟全预制钢-UHPC组合梁受力，减小边界条件对桥面板受力的影响，采用ABAQUS分别对两种纵向接缝桥面板建立长8 m、宽8.5 m的钢-UHPC组合梁有限元模型。该模型UHPC桥面板采用C3D8R实体单元，工字钢采用S4R壳单元建立，采用映射网格划分。节段有限元模型如图 3所示。

图3 节段有限元模型Figure 3 Segmental finite element model

UHPC弹性模量取40 GPa，泊松比为0.2。钢弹性模量取200 GPa，泊松比为0.3。有限元模型边界条件：π梁一侧约束钢梁下翼缘X、Y、Z向(即纵向、竖向、横向)的移动，另一侧约束钢梁下翼缘Y、Z向(即横向、竖向)移动。节段有限元模型考虑结构自重、二期恒载、汽车轮载等作用。其中，钢材容重取78.5 kN/m3，UHPC容重取27 kN/m3，沥青容重取24 kN/m3，护栏一侧按10 kN/m考虑。

2.2 静力荷载工况

按照文献[13]施加静力汽车轮载，冲击系数为1.3，忽略10 cm沥青铺装层按45°角对车轮荷载的扩散作用，车轮荷载施加到桥面板顶面的宽度和长度为0.6 m×0.2 m。

本文主要关注UHPC桥面板主拉应力、横向拉应力以及接缝界面处的主拉应力。结合钢-UHPC轻型组合π梁的特点，汽车轮载加载时，横桥向分为5种工况，分别是车轮压π梁桥面横向跨中处工况(简称“压跨中”)、车轮在π梁横向桥面跨中两侧对称处工况(简称“骑跨中”)、车轮压π梁桥面接缝处工况(简称“压接缝”)、车轮在π梁横向桥面接缝两侧对称处工况(简称“骑接缝”)、车轮在π梁支点两侧对称处工况(简称“骑支点”)，横桥向轮载工况具体见图 4。

图4 车轮荷载分布图(单位：cm)Figure 4 Distribution chart of wheel load(Unit:cm)

模型中结构自重、二期恒载和汽车轮载按标准组合考虑，即1.0×(自重+二期恒载)+1.0×车辆荷载的组合。由模型计算结果可以得到局部加高接缝桥面板最大横向拉应力和最大主拉应力为工况5作用下的3.68和3.71 MPa，接缝处最大主拉应力为1.03 MPa。平口接缝桥面板最大横向拉应力和最大主拉应力为工况4作用下的4.23和4.31 MPa，接缝处最大主拉应力为1.81 MPa。

2.3 疲劳荷载工况

疲劳分析与静力分析模型类似，横桥向在考虑桥面板自重、二期铺装、两侧护栏作用下，疲劳车轮载分为8种情况，共计8种工况。疲劳车轮载按照文献[13]来布置，且不考虑冲击系数。

8种疲劳车轮载分别为：疲劳车轮在π梁边支点两侧对称处工况(简称“骑边支点”)、疲劳车轮在π梁横向桥面接缝两侧对称处工况(简称“骑接缝”)、疲劳车轮在π梁横向桥面中跨跨中两侧对称处工况(简称“骑中跨中”)、疲劳车轮在π梁中支点两侧对称处工况(简称“骑中支点”)、疲劳车轮压π梁桥面横向边跨跨中处工况(简称“压边跨中”)、疲劳车轮压π梁桥面接缝处工况(简称“压接缝”)、疲劳车轮压π梁桥面横向中跨跨中处工况(简称“压中跨中”)、疲劳车轮压π梁中支点处工况(简称“压中支点”)，疲劳车轮荷载工况具体见图 5。轮载工况组合与静力荷载工况类似，采用标准组合。

图5 疲劳车轮荷载分布图(单位：mm)Figure 5 Load distribution chart of fatigue wheel(Unit: mm)

由模型计算结果可以得到：局部加高接缝桥面板最大横向拉应力和最大主拉应力为工况四作用下的2.75和2.76 MPa，接缝处最大拉应力为0.69 MPa；平口接缝桥面板最大横向拉应力和最大主拉应力为工况二作用下的3.39和3.41 MPa，接缝处最大主拉应力为2.02 MPa。

将静力和疲劳荷载工况结果汇总，如表 1所示。由以上2种工况可以看出，局部加高接缝可降低平口接缝形式桥面板和接缝处的最大主拉应力，其中：在静力工况下，与平口接缝相比局部加高接缝可以降低桥面板最大主拉应力，降幅为13.8%，接缝处最大主拉应力降幅为43.1%；在疲劳工况下，与平口接缝相比，局部加高接缝使桥面板最大主拉应力降幅为19.1%，接缝处最大主拉应力降幅为65.9%。局部加高接缝使得桥面板应力大大减小。

表1 计算结果汇总表Table 1 Summary of calculation resultsMPa类别静力工况疲劳工况σhσmax接缝处σmaxσhσmax接缝处σmax平口接缝4.234.311.813.393.412.02加高接缝3.683.711.032.752.760.69注:σh表示最大横向拉应力,σmax表示最大主拉应力。

3 接缝模型抗弯试验

为了验证UHPC桥面板接缝的安全性能和有限元计算结果的准确性，开展了1∶1的带接缝的UHPC桥面板抗弯试验。

3.1 试件设计与制作

平口接缝试件尺寸为长1.8 m，宽0.55 m，高0.12 m；局部加高接缝试件尺寸为长1.8 m，宽0.55 m，高0.12 m，局部加高到0.2 m。试件模型分为预制部分和现浇部分，均采用体积含量2.5%的0.2 mm×13 mm端勾型纤维。

钢筋等级为HRB400，直径12 mm。平口接缝板配筋如图 6所示，接缝段搭接钢筋的长度为15 cm；局部加高接缝板配筋如图 7所示，接缝段上下层钢筋的搭接长度均为14 cm。顶层和底层钢筋均交错布置，间距为16 cm。

(a) 试验模型立面

(a) 试验模型立面

接缝试件模型分两次浇筑，预制段浇筑后，自然养护48 h后在温度约为的98 ℃环境下蒸汽养护48 h。之后再浇筑接缝段UHPC，并自然养护28 d。

3.2 抗弯试验

如图 8和图 9所示，本次试验采用MTS进行4点加载，以保证2个两加载点件部分只受弯矩的作用。本次试验中纯弯段长为0.8 m，试件支座到纯弯段的距离为0.4 m。正式加载之前，应先进行预加载以尽可能消除系统误差。正式试验中，先采用力控制，后改为位移控制，加至试件破坏。

图8 平口接缝试验试件加载装置(单位：cm)Figure 8 Loading device for flat joint test specimens(Unit: cm)

图9 局部加高接缝试验试件加载装置(单位：cm)Figure 9 Loading device for locally heightened joint test specimens(Unit: cm)

当超高性能混凝土的最大裂缝宽度不超过0.05 mm时，裂缝对超高性能混凝土的耐久性的影响几乎可忽略不计[14]，因此定义最大裂缝宽度0.05 mm时对应的应力为超高性能混凝土的名义开裂应力。

平口接缝试件的开裂荷载为34.73 kN，开裂应力为5.30 MPa，局部加高接缝试件开裂荷载为67.07 kN，截面高度换算为12 cm的开裂应力为10.2 MPa，可见截面局部加高可以提高截面的开裂应力和开裂荷载，提高约92.4%，局部加高接缝试件实测截面高度20cm的开裂应力为3.70MPa。UHPC的疲劳强度折减系数一般均大于0.6，偏安全取0.5[15]，则平口接缝试件与局部加高接缝试件的疲劳弯拉允许应力分别为2.65与1.85 MPa。

将试验结果与有限元计算结果进行对比，如表 2所示，可知局部加高接缝试件和平口接缝试件，在2种荷载工况下均满足设计要求，且将接缝局部加高后可提高试件的安全系数。

表2 UHPC接缝试验试件验算Table 2 Checking calculation of UHPC joint test specimens试件类型荷载类别设计应力/MPa开裂实测应力/MPa安全系数平口接缝试件静力1.815.302.9疲劳2.022.651.3局部加高接缝试件静力1.033.703.6疲劳0.691.852.7

4 结论

针对传统普通混凝土平接缝的不足，本文提出了局部加高的UHPC接缝，并设计平口接缝进行对比，通过对2种不同接缝形式的UHPC桥面板进行有限元计算和抗弯试验，可以得出以下结论：

a.局部加高接缝桥面板疲劳和静力设计设计应力均小于平口接缝桥面板的疲劳和静力设计应力，且在接缝位置处降幅比较大，静力为43.1%，疲劳为65.9%。

b.基于2种接缝构造形式，开展了足尺试验模型试验，结果表明将接缝局部加高使构件的开裂荷载提高约92.4%。

c.平口接缝试件静力开裂荷载和疲劳开裂荷载均大于设计应力，实测应力分别是设计应力的2.9倍和1.3倍。局部加高接缝试件静力开裂荷载和疲劳开裂荷载均大于设计应力，实测应力分别是设计应力的3.6倍和2.7倍。故相比于平口接缝试件，将接缝局部加高后可提高试件的安全系数。