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摘要：桥面板接缝是预制装配式桥梁的重要连接构造，环形钢筋连接的接缝施工便利，工业化程度高。为了研究接缝在弯剪状态下的力学性能，针对钢筋焊接、搭接和环接三种连接形式，进行了弯剪静载试验。试验结果表明，接缝在三种连接形式下的破坏均经历了弹性发展阶段、开裂及裂缝发展阶段和破坏阶段，焊接接缝属于脆性破坏，搭接和环接接缝属于延性破坏；环形钢筋连接接缝具有较好的安全可靠性，能够满足抗弯剪受力性能和承载能力要求。
关键词：预制桥面板；湿接缝；弯剪受力；环形钢筋
一、引言
随着我国桥梁建设事业的飞速发展，桥梁工业化建造理念在桥梁建设中得到探索和实践。预制装配式桥梁结构是桥梁工业化建造理念在桥梁建设实践中的典型体现和应用 [1]。预制桥面板接缝是预制装配式桥梁的重要连接构造，需要确保足够的安全性能和连接工作性能。目前最常用的湿接缝钢筋的连接形式有焊接、搭接和机械连接三种[2]。焊接工序复杂且焊接质量难以保证；搭接需要绑扎施工，在钢筋较粗时难以施工；机械连接对构件的制作和连接精度要求更高。因此，为提高预制装配化桥梁的工业化程度，有必要研究一种合理的湿接缝钢筋连接构造，能够在保证接缝使用性能的前提下，简化施工工艺[3]。
为了提高工业化程度，近年来涌现了许多新型的湿接缝连接构造[4]。其中环形钢筋连接是一种非常适用于桥面板湿接缝的连接形式。环形钢筋连接，是指钢筋连接时上下层钢筋采用同一根钢筋，通过弯成180°的半圆弧，再与对应另一侧的半圆弧钢筋进行搭接。但是，目前国内针对环形钢筋连接性能的研究较少，设计缺乏借鉴。为了研究环形钢筋连接湿接缝的受力性能和破坏机理，并与焊接和搭接连接性能进行对比，本文进行了预制拼装桥面板湿接缝的弯剪静载试验。
二、试验概况
（一）试件设计
本次试验的主要目的是验证湿接缝在弯剪作用下的结构性能，总结钢筋不同连接形式对接缝破坏机理和承载能力的影响，并探究环接重合长度对环接连接抗弯剪结构性能的影响。为此，试验设计了3组，共计7个试件。3组试件分别采用焊接、搭接和环接的钢筋连接形式，在环接组中各试件采用不同的环接重合长度。
各试件均采用足尺模型，构造及尺寸如图1所示，两侧混凝土板模拟实桥结构中的预制桥面板，中间湿接缝部分模拟实桥结构预制桥面板间的后浇接缝。
图1 试件构造及尺寸（单位：mm）
各试件分组及试件尺寸汇总于表1中。
表1 预制桥面板接缝弯剪试验组试件汇总表
（二）试验装置和加载制度
1.试验装置
考虑试验室试验仪器、加载效率和对接缝加载的效果，本次弯剪加载方式如图2所示。
图2 弯剪加载装置（单位：mm）
2.加载制度
试验采用静力加载方式，单调分级加载，由荷载进行控制。在进行正式加载前，先进行预压和预加载，预加载以5kN为单位逐级加载至20kN，然后卸载至0，重复2次。正式加载过程中，在0~0.3倍计算破坏荷载区间，以0.05倍计算破坏荷载逐级加载；0.3~0.6倍计算破坏荷载区间，以0.1倍计算破坏荷载逐级加载；荷载加至0.6倍计算破坏荷载后，以0.05倍计算破坏荷载为单位逐级加载，直至破坏。每施加一级荷载后持荷，采集1次数据，待数据稳定后，进行下一级加载。试验过程中随时观察裂缝发展情况，出现裂缝后，记录开裂荷载，并绘制裂缝发展图。
三、试验结果与分析
本试验包括接缝钢筋焊接、搭接和环接三组试件，各组试件的试验结果如下所述。
（一）钢筋焊接接缝
1.试验现象与破坏形态
本组试件的最终破坏形态如下图3所示。具体破坏过程为：
1）弹性阶段：荷载从0增加至44.24kN的过程中，结构处于弹性受力阶段，试件测点的位移、应变随荷载几乎呈线性变化，接缝完好，能有效地抵抗弯矩和剪力。
2）开裂与裂缝发展阶段：荷载增加至44.24kN时，预制混凝土板与现浇接缝混凝土的结合面下底面首先出现了裂缝。随着荷载的增加，裂缝不断向上发展，裂缝宽度不断增加；荷载增加至88.48kN时，试件跨中部位出现明显裂缝。
3）破坏阶段：荷载增加到221.18kN时，接缝跨中部位裂缝迅速向上拓展，裂缝宽度急剧增加，跨中位移迅速变大，最终试验试件因焊接钢筋出现滑移，试件无法继续承载而破坏。
图3 焊接组接缝破坏形态
图4 焊接组试件荷载位移曲线
2.荷载位移曲线
在加载过程中，跨中位移随荷载的变化规律如图4所示。试件破坏过程分为三个阶段：弹性阶段、开裂与裂缝发展阶段、破坏阶段。弹性阶段，位移基本呈线性增加的规律，接缝与混凝土板结合良好，可有效地抵抗弯矩和剪力。开裂与裂缝发展阶段，接缝与混凝土板结合面下表面开始出现明显裂缝，荷载-位移曲线的斜率发生突变。随着荷载的继续增大，接缝钢筋发生相对滑移，裂缝迅速向上延伸，裂缝宽度增加，接缝钢筋无法继续传力，试验试件破坏。试验试件破坏时几乎没有任何预兆，属于脆性破坏。
（二）钢筋搭接接缝
1.试验现象与破坏形态
本组试件的具体破坏过程为：
1）弹性阶段：同第一组试验，不予赘述。
2）开裂与裂缝发展阶段：荷载增加至44.24kN时，预制混凝土板与现浇接缝混凝土的结合面下底面首先出现了裂缝。随着荷载的增加，裂缝不断向上发展，裂缝宽度不断增加；荷载增加至176.96kN时，试件跨中部位出现明显裂缝。
3）破坏阶段：荷载增加到353.88kN时，跨中加载点到支座处产生斜裂缝，且此裂缝迅速发展，裂缝宽度急剧增大，跨中位移迅速增大，试验板沿斜向被拉断成两部分，导致试验试件丧失承载力而破坏，破坏模式为斜拉破坏。
图6 搭接组试件荷载位移曲线
2.荷载位移曲线
本组试件在加载过程中，跨中位移随荷载的变化规律如图6所示。从试件的荷载-位移曲线验证了接缝的破坏形态。弹性阶段，开裂与裂缝发展阶段同第一组试验描述相似。随着荷载增加，部分受力钢筋开始逐渐进入屈服状态，此时可看到荷载-位移曲线斜率再一次发生变化，斜率减小，说明跨中截面抗弯刚度进一步降低，与钢筋进入屈服状态相吻合，随着荷载的继续增大，跨中加载点到支座处产生斜裂缝，试件进入破坏阶段，破坏模式为斜拉破坏。试验试件破坏时有较为明显的屈服平台，属于延性破坏。
（三）钢筋环接接缝
1.试验现象与破坏形态
以WJ3-6C试件为例，具体破坏过程为：
（1）弹性阶段：同前两组试验，不在赘述。
（2）开裂与裂缝发展阶段：荷载增加至44.24kN时，预制混凝土板与现浇接缝混凝土的结合面下底面首先出现了裂缝。随着荷载的增加，裂缝不断向上发展，裂缝宽度不断增加；荷载增加至176.96kN时，试件跨中部位出现明显裂缝。
（3）破坏阶段：荷载继续增加时，试验板边板和接缝部位裂缝发展较均匀，当荷载增加到471.89kN时，加载点至支座间出现斜裂缝，且斜裂缝出现在跨中上缘，当荷载达到545.57kN时，斜裂缝迅速发展，同时裂缝宽度迅速增大，保持荷载不变时跨中位移不断变大，试验板沿斜向被拉断成两部分，试件无法继续承载而破坏。
2.荷载位移曲线
本组试件在加载过程中，跨中位移随荷载的变化规律如图8所示，各试件的曲线变化过程基本相同。从试件的荷载-位移曲线验证了接缝的破坏形态，试件破坏过程总体上分为三个阶段：弹性阶段、开裂与裂缝发展阶段、破坏阶段。各阶段的曲线变换规律与钢筋搭接连接接缝的规律相同，只是临界荷载相比有增加。试验试件破坏时有较为明显的屈服平台，属于延性破坏。
图8 环接组试件荷载位移曲线
3.环接重合长度影响
表2 接缝钢筋环接紧靠试件弯剪试验关键数据汇总表（单位：kN）
本组5个试件采用了不同的环接重合长度，以研究该参数对接缝破坏机理和承载能力的影响。各试件的试验结果汇总于表2中，该结果表明，5个试件的开裂荷载、跨中的开裂荷载和破坏荷载比较接近，环接重合长度对于开裂荷载和极限荷载的影响很小。环接重合长度对于破坏时接缝底部的裂缝的影响较大，试件破坏时接缝底部的裂缝随着环接重合长度的增加而减少，当环接重合长度达到450mm后，环接长度的增加对于底部裂缝的减少不明显。试件破坏后环接钢筋核心部分混凝土并未破碎，说明钢筋环接这种连接形式对于核心部分混凝土有较好的环箍作用。
四、结论
为研究预制板湿接缝在弯剪作用下的受力特点和破坏机理，本文进行了在湿接缝钢筋焊接、搭接和环接三种连接形式下的弯剪静载试验，对比了三种连接形式下试件的破坏形态，主要得出以下结论：
（1）三组试件破坏过程均经历三个典型阶段：弹性阶段、开裂及裂缝发展阶段、破坏阶段。焊接试件在荷载较小时发生钢筋连接失效，呈现出脆性破坏的特征；搭接试件和环接试件在受力钢筋达到屈服后发生斜拉破坏，破坏呈现出延性破坏的特征。
（2）三组试件在模拟实桥正常使用标准组合作用下，试件接缝均出现肉眼可见裂缝，结合面抗裂性能需重点关注。
（3）环形钢筋重合长度对于开裂荷载和破坏荷载的影响较小，对于破坏时接缝底部的裂缝的影响较大。
（4）环接钢筋接缝抗弯剪结构性能良好，接缝能有效传递弯矩和剪力，满足接缝的抗弯剪受力性能和承载能力要求，具有良好的施工性能。
参考文献：
[1] 李国平.全预制混凝土桥梁技术概论[Z].中国天津：2008.
[2] 徐有邻，程志军.混凝土结构中钢筋的连接[J].建筑结构，2003，（04）：67-69+72.[2017-08-31].
[3] 周翔宇.全预制装配桥梁工程实施要点简析[J].中国市政工程.2017（03）：99-101.
[4] 张士军，王良，辛振宇，周海涛.建筑施工中钢筋连接技术研究进展[J].山东建筑大学学报，2014，29（06）：546-550.
论文作者:陈维平
论文发表刊物:《基层建设》2018年第14期
论文发表时间:2018/7/23
标签：荷载论文; 裂缝论文; 钢筋论文; 位移论文; 加载论文; 阶段论文; 桥面论文; 《基层建设》2018年第14期论文;