DOI： 10.11817/j.issn.1672-7207.2020.09.019

拓宽箱梁连接段受力性能的对比试验研究

张丽芳¹，麻海燕¹，余红发¹，王莹²，梅其泉¹

(1. 南京航空航天大学 土木与机场工程系，江苏 南京，211106；

2. 江苏华通工程检测有限公司，江苏 南京，210011)

摘要：为了研究碱式硫酸镁水泥混凝土(MC)在桥梁拓宽连接中的受力性能，开展MC和普通硅酸盐水泥混凝土(NC)作为接缝的2组拼接箱梁模型的试验研究。研究结果表明：拼缝采用MC时，拼接段开裂后呈现多缝开裂破坏模式，破坏荷载比大于采用NC连接的破坏荷载比；MC接缝的裂缝宽度超过0.2 mm时仍缓慢增长且刚度逐步下降；而NC接缝的裂缝宽度超过0.2 mm时急剧增长且变形亦急剧增长，构件很快破坏；MC接缝比NC接缝具有更好的抗裂、变形和传力性能。

关键词：拼接箱梁；碱式硫酸镁水泥混凝土；破坏荷载比；裂缝宽度；变形

中图分类号：U444                    文献标志码：A

文章编号：1672-7207（2020）09-2538-08

Comparative experimental study on mechanical properties of connection zone of widened box girders

ZHANG　Lifang¹, MA　Haiyan¹, YU　Hongfa¹, WANG　Ying², MEI　Qiquan¹

(1. Department of Civil and Airport Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 211106, China;

2. Jiangsu Huatong Engineering Testing Co. Ltd., Nanjing 210011, China)

Abstract: In order to review the mechanical properties of basic magnesium sulfate cement concrete(MC) when it was used in bridge widening, two specimens of widened box girders with MC and normal Portland cement concrete (NC) as joint materials were studied in experimental way. The results show that the splicing section of MC presents a multi-joint cracking failure. The failure load ratio is larger than that of NC one. When the crack width exceeds 0.2 mm the crack width of MC section grows stably and the stiffness also descends slowly, while crack width of NC section grows spurt and the specimen cannot bear load soon. MC material has better crack and deformation resistance and load transfer performance than NC material.

Key words: spliced box girder; basic magnesium sulfate cement concrete; failure load ratio; crack width; deflection

桥梁拓宽是一种提升桥梁通行能力的有效方式。桥梁拓宽关键问题是新旧桥的连接，为了更好地了解及保障新旧桥协同工作，一些学者研究了新旧混凝土连接的黏结性能、抗剪性能、抗弯剪性能等^[1-3]。根据对新旧混凝土连接构造的性能要求，连接部位混凝土应具有早强、缓凝、低收缩、微膨胀、具有较好的抗裂性、使用方便等性能，以便能更早开放交通及适应运营期的不协调变形^[4-5]。在实践应用中，多种高韧性的混凝土被用于桥梁上部结构拼宽，但均以纤维混凝土为主，如广佛高速公路纵缝拼接采用了在快硬硫铝酸盐水泥混凝土中掺加钢纤维形成的特快硬钢纤维混凝土^[6]。沪宁高速公路的桥梁拓宽工程则中采用了UEA混凝土作为接缝材料^[7]。沪杭甬高速公路桥梁拼接中采用了掺加早强剂的钢纤维混凝土^[8]。纤维混凝土线膨胀系数与普通混凝土的不一致，长期使用性能亦与普通混凝土的有差异，且施工不够便利。拼接混凝土的另一种研究方向是弹性混凝土，左永辉^[9]通过室内试验研究了工程用水泥基复合材料(engineered cementitious composite，ECC)用于箱梁拼接的受力性能，得出其可避免拼接区域混凝土开裂。高振波等^[10]将GD弹性混凝土用于多座新老桥纵缝拼接，取得了较为满意的效果。总体而言，无论是实践还是研究，人们对桥梁拓宽中拼接材料的选取均倾向于采用抗拉性能、变形性能好的高韧性混凝土。WU等^[11-14]在硫氧镁水泥的研究基础上通过现代外加剂技术，使MgO-MgSO₄-H₂O胶凝体系中形成一种具有致密结构不溶性碱式硫酸镁晶须(5Mg(OH)₂·MgSO₄·7H₂O)为主要水化产物的新型生态胶凝材料，开发了碱式硫酸镁水泥(basic magnesium sulfate cement，BMSC)，具有抗渗性好、早强、高抗拉等特性，其抗拉强度是普通硅酸盐水泥混凝土的1.3~2.0倍^[15-17]；碱式硫酸镁水泥混凝土梁的开裂弯矩比普通混凝土梁的高约20%，且在低配筋率、混凝土强度高时开裂弯矩优势较为明显，受弯梁裂缝多且细密^[18-20]。碱式硫酸镁水泥混凝土的韧性指数及韧性增长速率比普通混凝土的高，因此，碱式硫酸镁水泥混凝土的抗冲击性能要远比普通混凝土的优^[21]。在疲劳荷载作用下，试件挠度随着疲劳循环次数的增加呈下降趋势，高强度等级的 BMSC 试件疲劳循环寿命要比普通硅酸盐水泥试件的长，且强度等级越高越明显^[22]。碱式硫酸镁水泥混凝土的早强、高抗拉及高韧性符合桥梁拓宽对接缝材料的性能要求，早期收缩大及早强为尽早开放交通提供可能，且其抗冲击性能及疲劳性能优越，可为拓宽接缝在车辆动力荷载作用下提供良好的工作性能。同时，BMSC混凝土与普通混凝土性能有诸多相似之处，如线膨胀系数、泊松比等基本一致，为两者长期协同工作提供了可能。因此，BMSC混凝土具有作为桥梁拼接材料的特性。本文作者通过室内试验，制作2组试件，重点研究BMSC混凝土用于箱梁拼宽时的工作性能。观察和测试拼接段裂缝出现、开展规律及构件破坏特征，测试裂缝宽度，与理论分析结果进行对比，研究拼接段BMSC混凝土及普通混凝土的开裂特性。

1  试验

1.1　试件设计

本次试验制作2个试件，根据试件组成部分的材料进行标记，其中普通硅酸盐水泥混凝土记为NC，碱式硫酸镁水泥混凝土记为MC，试验构件分别为：构件1，NC+MC+MC；构件2，NC+NC+MC；即构件1为普通混凝土箱梁＋碱镁混凝土湿接缝＋碱镁混凝土箱梁拼接而成，构件2为普通混凝土箱梁＋普通混凝土湿接缝＋碱镁混凝土箱梁拼接而成。

箱梁模型根据某箱梁按1:4缩尺制作，其中箱梁节段模型纵向长度为80 cm，模型的截面尺寸及配筋如图1所示。受力钢筋取直径为10 mm的HRB400钢筋，构造钢筋取直径为6 mm的HPB300钢筋。湿接缝处的钢筋直径均为10 mm，横向钢筋沿纵向间距为20 cm，顶板配筋率为0.65%。

图1　试验模型截面尺寸及配筋图

Fig. 1　Dimensions and reinforcement of specimen

1.2　试验材料及设备

1.2.1　混凝土原材料　

试件采用的普通硅酸盐水泥混凝土和碱式硫酸镁水泥混凝土强度设计等级为C40。混凝土配合比见表1，其中NC中采用江苏金峰水泥集团有限公司生产的P.O 42.5普通硅酸盐水泥，MC采用掺粉煤灰(简称FA)的52.5碱式硫酸镁水泥(简称BMSC52.5-FA，由MgO，MgSO₄及FA配制而成，其配方见表2)。

表1　C40混凝土配合比

Table 1　Mixing proportion of C40 concrete

表2　水泥BMSC52.5的配方表

Table 2　Recipe of BMSC52.5         kg/m³

1.2.2　试验设备　

试验设备有：自制加载架，屏显电液式万能试验机WA-1000A及WA-300A，压力试验机YES-1000，静态应变仪YE2538T和YE2539，静态应变测试分析系统DH3816和DH3878，应变片BX120-50AA和BX120-30AA，荷载传感器LTR-1，位移计YHD-50，裂缝测宽仪DJCK-2及导线、试件夹具等。

1.3　混凝土配合比与性能测试

每次浇筑试件各部分时均预留标准混凝土试块并养护28 d，根据GB/T 50081—2002“普通混凝土力学性能试验方法标准”的方法测定28 d混凝土的立方体抗压强度及弹性模量，结果见表3。从构件所用同批同规格钢筋中任选3根取样，根据GB/T 228.1—2010“金属材料拉伸试验第1部分：温室试验方法”测定钢筋的力学性能，结果见表4。

表3　28 d混凝土力学性能试验结果

Table 3　Mechanical properties of concrete of 28 d      N/mm²

表4　钢筋力学性能试验结果

Table 4　Mechanical properties of steel bars   N/mm²

1.4　试验模型制作

本试验试件的制作顺序如下：绑扎箱梁钢筋并粘贴钢筋应变片→安装箱梁内外模板→浇筑箱梁混凝土→养护→拆除箱梁内外模板→凿毛接缝侧悬臂端(即交界面)→绑扎接缝部分钢筋并安装模板→浇筑接缝部分混凝土→养护→拆模。箱梁一次性浇筑而成，采用振动台和振捣棒振动结合的方式对混凝土充分振捣，避免底板、腹板出现孔洞及钢筋外露；拼接侧翼缘板凿毛之后需用水冲洗掉表面的浮沉、细粒，浇筑接缝部分前要用水将交界面处润湿；钢筋应变片用703胶和环氧树脂做好钢筋应变片的防水防震工作，确保引出导线的质量。

1.5　加载方案

采用千斤顶+反力架的方式进行加载，每片箱梁两端腹板下各放1块支座，采用千斤顶在拼接段跨中单点加载。加载点下方放置长×宽×高为150 mm×50 mm×20 mm的钢垫块。采用分级加载，构件1每级增加1.5 kN，构件2每级增加1 kN，每级荷载稳定5 min后用数据采集仪采集应变及位移数据，观测裂缝情况并用裂缝测宽仪测读数据。

2  试验结果对比分析

2.1　破坏荷载及裂缝形态

采用杆系有限元法建立试件的计算模型，验证单向板跨中弯矩与荷载的关系，以荷载P=9.0 kN为例，板的弯矩和剪力如图2所示。与相同情况下简支板受力对比，本试件拼接段单向板跨中弯矩为同等跨径简支板跨中弯矩的1/2，接缝处弯矩近似为0。

图2　拼宽箱梁弯矩图

Fig. 2　Moment of widened box girder

根据拼接段板的截面尺寸及配筋，按单筋截面计算，可求得构件的设计极限荷载分别为kN，kN。

2个构件最终均由于拼接段底板裂缝过宽，钢筋屈服而无法继续承载。各构件的破坏荷载及相应的荷载比见表5。

表5　构件破坏荷载

Table 5　Failure load of specimens

2.2　开裂及最终裂缝形态

观察加载过程中裂缝的出现及发展，破坏时仰视观察到的底板裂缝如图3所示。MC湿接缝跨中开裂、与箱梁接缝处开裂，跨中与接缝的裂缝间后期发展出斜向裂缝，且跨中裂缝附近出现其他纵向裂缝；NC湿接缝以跨中裂缝和接缝裂缝为主，后期发展出一条斜向裂缝。MC材料作为拼接段时表现出多缝破坏形式。

图3　构件拼接部位底面裂缝分布图

Fig. 3　Crack distribution at stitch part bottom plate

2.3　裂缝宽度分析

结合试验特点，裂缝可按下式^[23]计算。

(1)

式中：为最大裂缝宽度；为钢筋应力；为钢筋应力；为外排纵向受拉钢筋的混凝土保护层厚度；为纵向受拉钢筋直径；为纵向受拉钢筋的有效配筋率。

各加载阶段构件1和构件2裂缝宽度的实测值及计算值见图4。由于2个构件采用的钢筋、配筋情况及加载一致，因此裂缝宽度的计算值一致，但实测值相差明显。采用NC接缝的构件在裂缝宽度超过0.2 mm时，加速开裂，构件很快破坏；而采用MC接缝的构件裂缝出现晚于NC接缝构件，且裂缝宽度增长较缓慢及稳定，说明MC接缝表现出更好的韧性。此外，在裂缝宽度小于0.2 mm时，实测值与计算值较吻合，超过此限值时公式不适用。

图4　构件拼接段跨中底面裂缝宽度对比

Fig. 4　Comparation of crack width at midspan of joint deck

2.4　位移分析

2.4.1　荷载-挠度曲线　

测试各级荷载下拼接段底板跨中竖向位移，每级荷载测试3次数据，再取3次数据的均值作为该级荷载下的实测值，可得到4个试验构件的荷载-挠度曲线，如图5所示。

图5　2个构件的接缝跨中测点荷载比-挠度曲线

Fig. 5　Load ratio-displacement curve of two specimens

在弹性阶段同等级荷载作用下，MC接缝的变形略大于NC接缝段的变形。构件1(MC接缝)和构件2(NC接缝)在裂缝宽度0.16 mm及0.18 mm时挠度曲线的曲率有明显变化。构件2的挠度曲线有一个较平缓的中间变化区段，表明MC材料在开裂以后仍有较好的变形性能。

2.4.2　挠度分析　

采用杆系有限元模型按弹性理论计算拼接段跨中挠度，分析静力计算手册的连续梁挠度与弯矩系数，采用以下简化公式计算单向板在跨中集中荷载作用下的挠度^[24]：

(2)

式中：M为荷载作用下的连续单向板跨中弯矩，可近似取同等跨径简支板跨中弯矩的一半；l为板的计算跨径；B为截面的计算刚度，有限元及简化公式计算时的刚度均取EI₀。

构件1和2的实测挠度、弹性理论计算挠度及刚度比(B=(EI₀))见表6。

表6　构件挠度及刚度分析

Table 6　Failure load of specimens

由表6可见：构件1开裂前及裂缝较小时截面刚度与全截面计算刚度一致，当裂缝宽度超过0.1 mm时，截面刚度下降，且随着裂缝宽度增大，截面刚度下降更加明显。构件1最大挠度取破坏前一级荷载的挠度1.55 mm，为板受弯计算跨径的1/490。构件2在荷载比0.69时挠度持续增大，取前一级荷载下的挠度作为最大挠度，为板受弯计算跨径的1/854。构件2在荷载比0.46(P=6.0 kN)时，挠度和裂缝宽度都有跃升。对比2个构件的刚度和挠度情况可以得出，在开裂前及微裂阶段，NC接缝的刚度比MC接缝的刚度大；在开裂后MC表现出良好的韧性，刚度下降较NC构件缓慢，而NC构件刚度下降很快。

2.5　应变分析

2.5.1　混凝土应变　

在2个箱梁靠拼接侧的悬臂根部顶板贴混凝土应变片，取每级荷载下3次读数的平均值作为实测应变，计算应变则采用有限元结果，2个构件的应变对比见表7。

表7　箱梁悬臂根部顶板应变

Table 7　Concrete strain of top plate at cantilever root

混凝土应变测试数据误差较大，数据可靠性不强，根据总体趋势分析，MC连接的构件测点压应变稳步增长，而NC连接构件在荷载较小时基本没测到压应变，在荷载超过6 kN时应变增大，因此，判断MC接缝的传力效果比NC的优。

2.5.2　钢筋应变　

拼接区段配置3根横向钢筋，测试分析中间钢筋在跨中处的应变，其计算值按如下受弯构件钢筋应力公式计算^[23]：

(3)

式中：为试验荷载作用下拼接板跨中的弯矩；为钢筋面积；为截面有效高度。

各荷载下横向钢筋中部的应变实测值及计算值如表8所示。

表8　跨中位置横向钢筋应变

Table 8　Strain at the midspan of transverse steel

由钢筋应力可以看出：NC拼接段在荷载比0.46(P=6 kN)时，裂缝宽度达0.6 mm，钢筋应变超过2 200 με，钢筋屈服，接缝段实际已经破坏，后续增加的荷载为构件整体受力的贡献。MC接缝的钢筋应变则表现出逐步增加趋势，说明MC接缝即使开裂，与钢筋之间仍有较可靠的传力作用。

3  结论

1) MC连接构件破坏荷载比为0.96，而NC连接构件破坏荷载比仅为0.69，MC连接构件整体承载能力比NC连接构件的强。

2) MC拼接区域破坏时表现出多缝破坏形式。当NC接缝在裂缝宽度超过0.2 mm时，加速开裂，构件很快破坏；而MC接缝的裂缝出现比NC接缝的晚，且裂缝宽度增长较缓慢及稳定，表明MC接缝有更好的韧性。

3) 在开裂前及微裂阶段，NC接缝的刚度比MC接缝的刚度大，在裂缝宽度超过0.2 mm时MC仍表现出良好的变形能力，其刚度下降较NC构件缓慢，而NC构件刚度下降很快。

4) 箱梁混凝土应变及连接段横向钢筋应变分析表明MC接缝的传力性能优于NC接缝的传力性能。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期： 2020 -03 -25; 修回日期： 2020 -05 -07

基金项目(Foundation item)：青海省重点研发计划(2019-NN-159)；江苏省自然基金资助项目(BK20150750) (Project(2019-NN-159) supported by the Key Research and Development and Transformation Plan of Qinghai Province; Project(BK20150750) supported by the Natural Science Foundation of Jiangsu Province)

通信作者：张丽芳，博士，副教授，从事桥梁结构分析与评估研究；E-mail：154867001@qq.com