基于UHPC的新老混凝土交接面钢筋锚固性能研究

基于UHPC的新老混凝土交接面钢筋锚固性能研究

白向东

中铁一局集团有限公司广州分公司     广东省广州市    510000

摘要：为探究桥梁结构中新老混凝土结合面短接钢筋的有效锚固方法，提出采用UHPC作为钢筋套筒灌注材料增强骨架受力能力，并利用试验和有限元方法研究其基本力学性能。建立UHPC-钢筋锚固试件的Abaqus三维非线性有限元分析模型，利用试验结果评估模型计算精度，并分析UHPC-钢筋搭接界面的应力分布特征。试验结果表明：随着钢筋锚固长度增加，短接钢筋的抗拉拔极限承载力不断增大，但界面的平均粘结强度有所减小此外，随着钢筋直径减小，短接钢筋易发生断裂破坏，采用UHPC包裹-钢筋焊接叠合形式的短接钢筋构件抗拉拔性能良好，在最不利设计工况下的构件安全储备超过18.7%。

关键词：超高性能混凝土；钢筋锚固；抗拉拔试验；足尺构件试验

引言

在桥梁工程中，为确保结构的整体工作性能，机械连接是应用较为普遍的利用连接件的机械咬合作用或钢筋端面的承压作用传递接长钢筋内力的连接方法，其接头质量稳定可靠。然而，机械连接要求新旧混凝土交接面的预留钢筋有足够长度，以确保接长质量，避免桥梁运营过程中轴向复杂应力造成连接套筒损坏。当旧混凝土表面预留钢筋长度难以满足机械连接要求时，焊接连接是一种极具竞争力的替代方案。然而，由于焊接接头邻近新旧混凝土交接面，其复杂的受力状态易引发钢筋与混凝土界面的相对滑移。如何有效提高靠近新就旧混凝土交接面短接钢筋的锚固性能，是国内外桥梁工作者关注的重点问题之一。

超高性能混凝土相比普通混凝土具备更好的流动性、强度、韧性和耐久性，结合相关试验结果，混杂纤维的掺入对混凝土与钢筋间的粘结强度产生了正混杂效应，且以钢纤维对粘结强度的提高作用最为显著，可以有效抑制混凝土内部粘结裂缝的发展，改善钢筋与混凝土的粘结性能，将UHPC作为钢筋锚固材料有望提高新旧混凝土短接钢筋的可靠性。

以肇庆马房北江特大桥为例，研究墩塔连接处砼交接面的钢筋锚固性能。如图1将UHPC作为新旧混凝土交接面钢筋锚固材料，进行两个系列试验研究：（1）短接钢筋抗拉拔性能研究，包括UHPC-钢筋的界面抗拉拔试验、UHPC包裹-钢筋焊接叠合抗拉拔试验，分析钢筋直径和锚固长度对界面锚固性能的影响规律；（2）短接钢筋足尺模型试验研究，包括足尺构件试验和数值分析，基于荷载-应变曲线和破坏模式，分析不同加载工况下的构件受力性能，并将其与最不利工况下的数值模拟结果进行比较，评估所提方案的适用性和试验依据。

               图1 墩塔连接处新老混凝土交接面钢筋接头示意

1. UHPC-钢筋界面抗拉拔性能试验
   1. 试验材料

新老混凝土交接面采用HRB400E钢筋，钢筋尺寸及基本力学性能指标如表1所示。锚固钢筋接头的超高性能混凝土（UHPC）组分主要包括活性粉末混凝土、硅灰、石英粉、石英砂和钢纤维等。为测试UHPC的力学性能指标，参照规范采用15个边长为100mm的立方体试件和15个400mm×100mm×100mm的棱柱体试件分别测试立方体抗压强度和抗折强度；并通过3个100mm×100mm×300mm的棱柱体试件测试弹性模量。所有试验的UHPC试件采用同一配比且在相同环境条件下养护28天，试验结果如表1所示。

表1 钢材和混凝土力学性能指标

1.2试件设计及测试程序

1.2.1 试件设计

试验共包含两种抗拉拔试件：（a）UHPC锚固界面抗拉拔试件；（b）UHPC包裹-钢筋焊接叠合试件。两类试件的详细构造尺寸见图2。

为了探究锚固长度和钢筋直径对UHPC锚固界面粘结作用的影响，参照《混凝土结构试验方法标准》制作UHPC锚固界面抗拉拔试件，且同一类试件制作3个试件，减少试验误差，以验证钢筋和UHPC之间的粘结性能。试件平面尺寸为250mm×250mm，试件长度根据粘结长度调整，具体尺寸见表2和图2（a）。由于试件加载端混凝土受到局部挤压将导致其应力状态与实际应力水平产生较大差异，因此在加载端设置控制长度为35mm的塑料套管形成无粘结区，以保证试验结果的准确性。试件加载端钢筋均伸出UHPC表面1000mm，保证了足够长度的单端拉拔区域。

此外，为了测试钢筋在焊接和UHPC锚固双重作用下的抗拉拔性能，并根据实际施工工况和施工工艺制作足尺寸实体结构模型，进行结构局部整体拉拔试验。试件高2800mm，底部至1000mm高度部分由C60混凝土浇筑而成，其余部分均由UHPC混凝土填充，试件上端部和中部由6根HRB400钢筋相连，钢筋直径为32mm，截面尺寸及配筋如图2（b）所示。

表2 UHPC锚固界面抗拉拔试件参数表

注：表2中“Ux-y”表示UHPC与钢筋直径为x的锚固界面抗拉拔试件，随后的数字表示钢筋的锚固长度为钢筋直径x的y倍。如标号“U32-8”表示UHPC与钢筋直径为32mm的锚固界面抗拉拔试件，且锚固长度为钢筋直径的8倍。

1.2.2 加载与测试

对于UHPC锚固界面抗拉拔试验，采用力控制的加载模式，加载速率为1kN/s。由0kN开始进行拉拔加载，直至滑移值达到8mm或钢筋拉断时终止试验。对于UHPC锚固和钢筋焊接叠合抗拉拔试验，设置2~3级预加载阶段，当预加载峰值达到160kN时预加载停止。预加载完毕后，进行正式加载。正式加载采用力控制的加载模式，加载步长控制为10kN，每次加载完成后记录各监测测点数据，并检查裂纹开展情况。加载至以下情形之一出现后停止加载：（1）顶伸位移发展趋势已呈现明显非线性；（2）达到极限荷载。图3展示了UHPC锚固和钢筋焊接叠合抗拉拔试验的仪器布置，在顶部混凝土块底面设置两个竖向位移计，以测试锚固试件的顶伸位移。

1.3试验结果与分析

1.3.1UHPC锚固界面抗拉拔试验结果

在UHPC锚固粘结界面拉拔试验中，观察到两种典型的破坏形态：钢筋拔出破坏和钢筋断开破坏，如图4所示，当钢筋锚固长度较短时，由于UHPC与钢筋的粘结应力小于钢筋的抗拉强度，部分试件发生钢筋拔出破坏。对于拥有足够锚固长度的试件，钢筋在发生粘结界面滑移破坏前达到极限抗拉强度，从而断裂失效。

表3给出了UHPC锚固界面拉拔性能的试验结果，包括不同锚固长度下的极限荷载、极限粘结应力和破坏模式。极限粘结应力表示在峰值荷载下的界面平均粘结应力，反映了钢筋-混凝土材料之间的粘结性能。可以发现，部分钢筋在发生粘结界面滑移破坏前达到极限抗拉强度导致断裂破坏，因此该部分试件的极限粘结应力计算值小于实际值。

结合表3可知，随着锚固长度的增加，极限荷载增大，而极限粘结应力逐渐减小。当钢筋直径为32mm时，锚固长度为8d试件的极限承载力相比锚固长度为2d试件增大了115.5%，相应的结合面粘结应力降低了46.1%。这是由于粘结应力在锚固区分布不均匀，随着锚固长度的增加，高应力区占比越小，故平均极限粘结应力越小。此外，超过一定的锚固长度，试件的破坏模式将由钢筋拔出转变为钢筋断裂，如U32-8和U32-10的破坏形态分别为钢筋拔出破坏和钢筋断裂破坏。这是由于锚固长度的增加显著提高了局部粘结应力，使其大于钢筋的极限拉应力，导致在钢筋拔出前发生断裂破坏。试验结果显示了直径较小的钢筋更易出现钢筋断开的破坏模式，例如锚固长度同为8d时，直径为28mm的试件发生钢筋断裂破坏而U32-8仍为钢筋拔出破坏，这是钢筋更小的截面尺寸所致。

表3 UHPC锚固界面抗拉拔试验结果汇总

1.3.2UHPC包裹-钢筋焊接叠合抗拉拔试验结果

2. 足尺构件试验研究
   1. 足尺模型设计与测试

有UHPC-钢筋界面抗拉拔性能试验结果可知，基于UHPC的新老混凝土交接面钢筋锚固形式具有抗拉拔性能良好。为进一步验证其在工程应用中的可行性，结合马房北江大桥的建设，设计桥梁主塔局部足尺构件试验如图5所示。试件总高2000mm，上端柱头高500mm，下端柱头高600mm，柱子中部高900mm。试件中部高1000~1500mm处浇筑500mm高的UHPC，其余部分均为C60混凝土。

试验通过在试件正面和侧面设置应变片获取其应变情况，应变片布置和测点编号如图5（b）所示。加载分为预加载阶段与正式加载阶段，加载程序与UHPC锚固和钢筋焊接叠合抗拉拔试验相同。为了检验连接方式的可靠性，试验中分别考虑了偏心受压和轴心受压两种极端情况，其荷载分别施加于距试件边缘150mm处和偏压柱中心处，如图5（c）所示。

2.2足尺模型试验结果与分析

2.2.1破坏形态

图6给出了偏压试件和轴心试件的开裂形态。由于偏压试验极限状态未进行拍照记录，图中仅给出加载至600kN时的破坏形态。对于偏压试验，当荷载达到0.35倍极限荷载（Pu）时，试件侧面两种材料交界处首次出现一条水平裂缝，这是由于偏心弯矩引起右侧面局部拉应力较大所致；施加的荷载在0.35~0.5Pu过程中，交界面的水平横向裂缝随着荷载增大，不断延伸至形成一条贯穿侧面的主裂缝，与此同时，试件中心线上下300mm处各出现一条水平细裂缝；加载至0.75Pu时，试件上端部出现明显开裂；当施加荷载达到极限荷载（1192kN）时，上端柱头被拉坏，出现一条水平主裂缝，裂缝宽度大于1.5mm。

对于轴心受压试验，加载至极限荷载的23%，距中心线以下约300mm处出现首条微裂缝，这是由于微小偏心荷载作用及下部较弱的混凝土强度所致；外加荷载处于0.75Pu 至极限荷载（2591kN）时，裂缝于试件上端柱头出现，并随着荷载的增大而不断加宽，且伴有表面混凝土脱落，最终破坏裂缝开展至柱身与牛腿连接处，如图6（b）所示。由于上端柱头混凝土强度较低，且处于高应力集中区域，导致两种加载方式下最终破坏均由上端柱头破坏控制。构件破坏时柱身未出现明显破坏形式，仍处于良好的状态，表明此时试件的承载能力并未完全利用，仍存在较大的剩余承载能力。

2.2.2荷载与应变关系

对于偏心受压试件，可以发现靠近上部柱头的应变片由于偏心力矩导致这些位置产生拉应力。此外，靠近底部的全部观测到压应变，这是由于荷载轴向传递引起的，对于轴心受压构件，由于施加荷载位于柱身中心，可以观察到各个测点所测的应变均为压应变。

2.3有限元模拟分析

2.3.1有限元模型建立

为了分析钢筋接头及连接区域混凝土结构的应力分布情况，判断结构的受力状态，通过软件Abaqus进行局部精确有限元分析，共有三维实体单元1827221个，杆件单元22420个，节点361018个。主梁底部墩顶区域采用固定支撑，约束三维实体模型，如图8所示。

荷载采用标准荷载组合包络值对精细有限元模型进行加载，相应的荷载值从Midas杆系结构设计模型中读取，其中塔身所受内力考虑3种工况：纵向绝对弯矩最大、横向绝对弯矩最大和轴力最小，具体取值见表4。

表4 有限元模型加载方案

2.3.2有限元模拟结果分析

表5给出了不同工况下塔身应力有限元模拟结果。可以发现，塔身轴向压应力最大值为18.59MPa，钢筋的应力值为94.79MPa。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》要求，受压区混凝土最大压应力应不超过0.5fck，对于UHPC和C60混凝土该值分别为52.50MPa和19.25MPa。因此，塔身轴向压应力满足规范要求。钢筋的应力值为94.79MPa，远小于HRB400钢筋设计值330MPa。

表5 不同工况下塔身应力结果汇总

经设计计算最不利设计荷载下，塔柱两侧边缘应力值分别为19.2MPa和19.8MPa，与通过计算得到柱子边缘的应力值分别为σmax = 60.1MPa和σmin = -80.4MPa相比，具有足够的安全储备。足尺轴压柱破坏试验的极限荷载为2591.43kN，大于设计轴压力2184kN安全储备18.7%。

3. 结论

本文对基于UHPC的新老混凝土交接面锚固性能进行了试验研究和有限元模拟，在UHPC与钢筋的界面抗拉拔试验中，基于极限荷载、极限粘结应力和破坏模式等试验结果分析钢筋直径和锚固长度对锚固界面抗拉拔性能的影响，并通过UHPC锚固和钢筋焊接叠合抗拉拔试验探究其整体抗拉拔行为。在足尺构件试验中，根据荷载与应变关系和破坏模式分析了加载方式对构件极限性能的影响，并将其与最不利工况下的数值模拟结果进行对比，验证本文提出方案的工程适用性，并得到基本结论如下：

（1）随着钢筋锚固长度的增加，抗拉拔极限荷载增大，而平均粘结应力减小。当钢筋直径为32mm时，锚固长度为8d的试件相比锚固长度为2d的试件，其极限承载力增大了115.5%，相应的平均粘结应力减少了46.1%。并且随着钢筋直径减小，钢筋断开的破坏模式更易出现。

（2）采用钢筋搭接焊及UHPC包裹连接具有足够的抗拉拔强度。当钢筋接近极限状态时，钢筋与UHPC没有明显的界面相对滑动，表明UHPC对钢筋焊接接头的锚固性能优异。

（3）基于UHPC的新老混凝土交接面钢筋锚固方案具备较大的安全储备。偏压试验柱边缘的应力值分别为σmax = 60.1MPa和σmin = -80.4MPa，与最不利设计荷载下的应力值19.2MPa和19.8MPa相比具有足够的安全储备。足尺轴压柱破坏试验的极限荷载为2591.43kN，大于设计轴压力2184kN，安全储备18.7%。

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