先简支后连续混凝土梁负弯矩区UHPCT形湿接缝试验研究.docx

    先简支后连续混凝土梁负弯矩区UHPC“T形”湿接缝试验研究    邵旭东　孔小璇　邱明红　陈玉宝摘   要：为了提高普通混凝土连续梁负弯矩区湿接缝的抗裂性能，简化施工工艺，提出了混凝土梁桥负弯矩区UHPC新型湿接缝方案. 以某跨径为30 m的普通混凝土连续梁桥为背景，根据法国UHPC结构设计规程和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）对该桥进行正常使用极限状态下的配筋设计，并参照配筋设计结果对UHPC新型湿接缝构造进行1 ∶ 2缩尺模型试验研究. 试验结果表明：取消负弯矩区预应力束、取消焊接的负弯矩区UHPC新型湿接缝方案的抗裂性能和承载能力均满足工程要求，且试验值与数值模拟值拟合良好;UHPC的引入能有效限制普通混凝土的裂缝宽度，显著提高普通混凝土截面的刚度，改善混凝土连续梁跨中区的内力及竖向挠度的重分布现象. 与不考虑负弯矩预应力束的传统湿接缝构造相比，UHPC新型接缝构造能降低混凝土连续梁内力及跨中竖向挠度的重分布系数至其30%～50%. 参数分析表明：对于负弯矩区采用UHPC新型濕接缝构造的混凝土连续梁桥，UHPC沿纵桥向的长度宜取0.27倍计算跨径，负弯矩区纵向受拉主筋直径可统一为20 mm，UHPC层的厚度取60 mm即可.关键词：先简支后连续梁;普通混凝土梁负弯矩区;UHPC湿接缝;试验研究;截面刚度分析;抗裂参数分析：U443.32                             文献标志码：AExperimental Study on UHPC “T-shaped” Wet Joints in the NegativeMoment Zone of Continuous Concrete Beams after Simple SupportSHAO Xudong?，KONG Xiaoxuan，QIU Minghong，CHEN Yubao（College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China）Abstract：In order to improve the crack resistance of wet joints in the negative bending moment area of ordinary concrete continuous beams and simplify the construction process，a new type of UHPC wet joint scheme for the negative bending moment area of concrete beam bridges was proposed. Taking a common concrete continuous beam bridge with a span of 30m as the background，according to the French UHPC structural design regulations and Chinese Specification for Design of Highway Reinforced Concrete and Prestressed Concrete bridge and Culverts（JTG 3362—2018），the reinforcement design of the bridge under normal service limit state is carried out. Based on the results of reinforcement design，the 1 ∶ 2 scale model test of UHPC new wet joint structure was carried out. The test results show that the crack resistance and load-bearing capacity of the UHPC new wet joint scheme without reinforcement welding and prestressed strands in the negative bending moment area are all in line with the engineering requirements. The test values are well fitted with the numerical simulation values. The introduction of UHPC can effectively limit the crack width of normal concrete（NC），significantly increase the rigidity of NC section，and reduce the redistribution of internal force and vertical deflection of the continuous concrete beam in the mid-span. Compared with the traditional wet joint structure without negative bending moment prestressed tendon，the new UHPC joint structure can reduce the redistribution coefficient of the internal force and vertical deflection of the continuous concrete beam to about 30%～50%. The parameter analysis shows that： for the concrete continuous beam bridge with UHPC new wet joint structure in the negative bending moment area，the length of UHPC along the longitudinal direction of the bridge should be taken to be 0.27 times the calculated span. The diameter of the longitudinal tensile main bars in the negative bending moment area can be unified to 20 mm，and the thickness of the UHPC layer can be 60 mm.Key words：simply supported first and then continuous beam;negative moment area of ordinary concrete beam;UHPC wet joint;experimental research;section stiffness analysis;analysis of crack resistance parameters与简支梁桥相比，先简支后连续混凝土梁桥受力更加均匀，行车更为平顺舒适，因此应用广泛[1-7]. 然而，在正常使用状态下，其墩顶负弯矩湿接缝处承受着较大的负弯矩和剪力，是先简支后连续混凝土梁桥的设计控制截面[2]. 已有工程实践表明[2-8]，由于车辆超载、疲劳受荷等原因，一些运营中的先简支后连续梁桥在其湿接缝的桥面板处过早地出现了一些沿桥纵向和横向的裂缝，而这些裂缝对桥梁的受力性能和耐久性造成了相当不利的影响，负弯矩湿接缝开裂也成为先简支后连续混凝土梁桥最典型、最常见的问题.为解决上述问题，已有学者从预应力布置、湿接缝材料和湿接缝构造形式等方面开展相关研究工作，以期改善其受力性能与耐久性. 传统负弯矩湿接缝构造通过张拉墩顶预应力束来限制负弯矩区的裂缝发展. 由于施工面狭窄、高空作业困难等问题，墩顶预应力束施工复杂且施工质量低，由此导致的湿接缝实际构造情况难以达到设计预期效果[9-13]. 吕佳元等[12]、周建庭等[13]提出了一种新型的负弯矩区段构造来解决简支变连续预应力混凝土梁桥中预应力损失过大、主梁严重开裂等问题，但其增大了桥梁的自重和现场的焊接量;传统墩顶湿接缝构造材料采用高强微膨胀混凝土[2]，为了提高接缝的抗拉、抗裂强度，有部分学者[7，14]提出使用高强钢纤维混凝土来代替传统的普通高强微膨胀混凝土来改善湿接缝的受力性能. 梁明元等人[2]认为钢纤维高性能混凝土材料对湿接缝性能的改善效果并不明显，因此引入强度高、韧性大的超高韧性混凝土（Ultra High Toughness Concrete，简称 UHTC）来代替传统湿接缝采用的高强微膨胀混凝土，然而其接缝结构中仍采用了墩顶预应力束，仍会由于预应力的存在而增加施工难度、降低施工质量;传统墩顶湿接缝通常采用矩形构造形式，这种构造形式使得现浇接缝与预制梁段的界面处于高应力区，极易开裂. 张阳等人[15]对比矩形、楔形及菱形3种接缝截面形式对接缝板界面开裂强度的影响，结果表明除矩形接缝形式外其余接缝形式均能提高接缝界面的开裂强度，其界面仍处于受拉高应力区，只是提高了界面处结合面的咬合能力.综上，本文提出一种超高性能混凝土新型湿接缝构造. 超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete，UHPC）是一种新型纤维增强水泥基复合材料，具有优异的力学性能和耐久性能且裂后的延性和韧性较好[16-18]. 将UHPC应用于接缝结构，有望大幅提高其抗拉、抗裂性能，取消用于墩顶抗裂的负弯矩束，且利用UHPC与钢筋间良好的锚固性能来取消接缝内钢筋间的焊接[19]，简化施工. 为探究取消墩顶预应力束、取消钢筋焊接的UHPC新型湿接缝在工程应用中的可行性，本文对提出的负弯矩区UHPC新型湿接缝构造进行配筋试设计，并对其开展1 ∶ 2缩尺模型试验研究.1   UHPC湿接缝设计方案1.1   “T形”湿接缝概念设计由于传统湿接缝构造存在负弯矩区预应力束张拉困难和钢筋焊接费时的问题，本文基于UHPC材料优异的抗拉性能、与钢筋的高握裹性能和耐久性能提出适用于先简支后连续混凝土梁桥的UHPC“T形”湿接缝方案，该方案如图1所示. 方案中的“T形”构造指的是墩顶负弯矩区现浇UHPC的覆盖长度大于横梁的形式. 该方案具有以下优势：1）UHPC层的覆盖能降低湿接缝构造内受拉钢筋的应力，尽管没有负弯矩预应力束也能有效限制负弯矩桥面板顶面的裂缝宽度，且UHPC与普通混凝土（Normal Concrete，简称 NC）的竖向交界面由于“T形”构造而远离负弯矩高应力区，使得竖向交界面不至于过早开裂.2）UHPC由于超低水灰（胶）比和高胶凝材料用量，早期收缩发展较快且总收缩高于普通混凝土或高性能混凝土，而“T形”接缝构造阻滞了UHPC的收缩，减小了竖向交界面内由收缩约束产生的初始拉应力.3）UHPC具有优异的特性，有望取消传统湿接缝构造负弯矩预应力束和钢筋的焊接，因而能解决因狭窄工作面而引起的施工质量差的问题，以及因钢筋焊接引起的施工复杂、施工周期长的问题.1.2   整体计算本文以某跨径布置为5 × 30 m的普通混凝土先简支后连续预制T梁为背景，采用UHPC新型湿接缝的设计方案，预制段采用强度等级为C50的NC. 该桥宽为16.25 m，梁高2 m. 现浇UHPC“T形”湿接缝翼缘沿桥纵向的长度为5.8 m，。