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连续装配式预应力混凝土桥梁超高压混凝土中钢绞线连接的试验研究
L.F.玛雅,uArr;1 b Graybeal b
英国考文垂a火用有限公司
特纳费尔班克公路研究中心，美国联邦公路管理局，麦克林，弗吉尼亚州，美国
文章背景:
收到2016年2月22日修改后的2016年11月6日
2016年12月13日
2016年12月23日在线
关键词:拼接
链
连接连续梁
超高性能混凝土
目前的基础设施要求在保持建筑和结构简单性的同时，架起更大跨度的桥梁。采用标准预应力混凝土梁单元进行原位拼接是一种很有吸引力的解决方案。本文研究了超高性能混凝土(UHPC)嵌接接箍的性能，并对其在接箍梁桥结构连续性连接中的应用进行了探讨。初步试验结果表明，在钢纤维增强的超高压混凝土中，12.7 mm和15.2 mm直径的无应力预应力束的全长分别约为510 mm和610 mm (40ds)。进一步研究和试验评估了剪接梁式桥梁的剪接线连接概念的实现。对两种全尺寸箱梁支架进行了拼接和试验。结果表明，短搭接长度可以获得较大的抗弯承载力。全预应力连续梁的极限抗弯承载力约为预估极限抗弯承载力的90%，由采用762 mm (50 ds)钢绞线拼接而成的箱梁串联而成。讨论了结构体系的附加细节和加固方案，以提高系统的整体性能，特别是连接。
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1. 介绍
近60年来，预制预应力混凝土桥梁在世界范围内得到了广泛的应用。这些桥梁的大部分采用全长度简支预制预应力梁，这种结构方案具有模块化、低生命周期成本和足够的耐久性。然而，当前的基础设施需求需要在保持施工和结构简单性的同时架起更大跨度的桥梁。虽然使用新材料、新梁的集成部分,并提出在设计方法导致增加预制预应力混凝土梁的跨度范围多年来,增加相对较小,梁拼接技术的使用仍然是最具发展潜力的行来克服时间限制[1,2]。此外，梁运输和装卸的尺寸和重量限制使得有必要开发替代方案来连接预制构件，以实现原位连接
uArr;通讯作者:Technocentre,考文垂大学科技园区,街道地址,考文垂CV1 2 tt,英国。
电子邮件地址:femayadu@gmail.com (L.F. Maya)。
前身:特纳费尔班克公路研究中心，美国联邦公路管理局，麦克林，弗吉尼亚州，美国。
http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2016.12.018
0141-0296/ 2016爱思唯尔有限公司
结构连续性，同时扩大该结构类型的跨度范围。结构连续性使结构体系更加高效，上部结构内部应力分布更加有利，对下部结构[1]的要求降低。除了结构上的优势外，已有的连续性还带来了耐久性、安全性和经济效益，如消除桥面接缝和降低维护成本[3]。
梁接头可以安装在桥墩或跨内。特别是在墩上连接方面，在过去的50年里开发了大量的连接细节，包括使用现浇甲板和横隔板、后张拉索和螺栓、焊接板、螺纹杆等[1,4 - 6]。
国家公路合作研究项目(NCHRP)的报告519[7]提出了一项调查，最常用的负弯矩和正弯矩连接的预应力梁。共开发和测试了六种使用弯曲杆和弯曲股的连接细节。最小正弯矩为截面开裂弯矩的1.2倍定义为设计目标，以限制膜片裂缝宽度，避免连续性显著损失。使用弯曲条的连接细节比使用弯曲股的连接细节执行得更好，但是前者可能更困难现场实施。其他研究对连接细节、分析工具和现场实际性能进行了进一步的研究，考虑了温度和时间对连接性能的影响[8,9]。
然而，预制预应力混凝土梁桥跨度范围的显著提高可能需要跨内梁拼接的实施。NCHRP的报告517[1]总结了扩大该桥梁类型跨度的主要策略。剪接梁桥的概念早在1952年就已经有了被证实的历史记录，最早的一些剪接梁桥就是在1952年建成的。当使用拼接梁时，通常可以实现约50%的跨距增长，但使用加劲墩梁段的跨距增长可达100%。结构的连续性可以通过一些拼接细节来实现，这些拼接细节可能包括后张拉、预张拉和传统加固策略在单一或组合解决方案中的应用。后张拉解决方案的使用在实践中很常见，因为它们有潜力提供优越的长期使用性能，但是，它们也可能导致成形的复杂性和后张拉和灌浆任务的额外工作[1,2]。已建成大量的拼接梁桥;它们大多集成了预张和后张、分级后张或外部后张方案[1]。虽然文献中也有使用传统加固策略或附加跨内连接剪接装置的替代解决方案的报道，但可用的信息是有限的。Lin[10]的早期研究给出了拐点附近剪接的细节，并指出非后张拉连接细节，甚至是干接头在这些位置都是足够的解决方案，尽管需要进一步的研究。Gutzwiller和Lee[11]也完成了关于跨内连接的剪接细节的早期研究，该研究考虑了三种不同的解决方案:后张拉、现浇和插入。该接头整体性能良好，在一定条件下是一种可行的选择。对钢筋细部的修改建议适用于预制梁，而不是拼接本身。
在本研究的背景下，超高性能混凝土(UHPC)的潜在用途是开发简化的连接几何结构，在这种结构中，可以使用短剪接长度将钢绞线搭接在一起，这推动了对剪接预应力混凝土梁桥现浇概念的重新思考。超高pc是一种具有优异力学性能和耐久性的水泥基复合材料。这些材料的特点是抗压强度大于150mpa，并集成了相对较高的纤维增强体体积分数，使开裂后的拉伸强度持续，韧性增加[12,13]。这些特殊的材料性能允许增强钢筋和钢绞线的粘结，从而显著缩短了它们的发展长度[14-17]。
2. 钢绞线的开发和拼接
简化细节拼接链从预制预应力混凝土大梁的末端提供一种经济的解决方案不仅为on-pier连接系统,他们可能允许为甲板结构连续性和未来生活负荷也在连接解决方案,他们可能允许消除后拉和潜在的跨度范围的增加。混凝土中未张拉预应力筋的锚固不同于钢筋和张拉预应力筋[18]的锚固。充分开发预应力钢绞线所需的预埋长度取决于许多因素，包括混凝土的力学性能、混凝土所受的约束和被动钢筋，以及钢绞线的表面性能。当钢绞线被释放，预应力有效地传递到混凝土构件上时，在钢绞线的两端发生楔入效应，这被称为霍耶效应，是一种重要的阻力机制，这种机制在混凝土中未受拉钢绞线浇注时不存在。结构设计指南和建议中提供了预测预应力钢绞线发展长度的关系，它们通常估计发展长度约为钢绞线直径(ds)的150倍[19,20]。然而，未张拉预应力钢绞线的发展长度通常预计比准则中预张拉钢绞线的发展长度要长。
当前设计指南中所提供的预测关系的适用性仅限于其验证中所考虑的参数范围，而这些参数在大多数情况下并没有特别涵盖高性能材料。特别是，对钢筋和钢绞线锚固的描述可能需要考虑到主要参数，包括材料特性、单元类型、可施工性和加载条件，采取更全面的方法。NCHRP报告603[21]对高强混凝土中钢绞线的传递、发展和拼接长度进行了全面的回顾，旨在扩大美国公路桥梁设计规范[19]对抗压强度高达100mpa混凝土的适用性。研究结果表明，混凝土的传递和发展长度的缩短与混凝土强度的提高具有明显的相关性。同样，混凝土的抗拉强度和韧性也被确定为影响钢筋粘结的参数。此外，事实证明，在埋设钢绞线的周围围上混凝土可以有效地缩短所需的开发长度。在钢绞线预埋长度的预测关系中，没有明确考虑通常由低碳钢钢筋或纤维钢筋提供的被动约束。
2.1。以前的钢绞线开发测试
纤维混凝土(FRC)和超高预应力混凝土(UHPC)中未张拉预应力束的发展长度尚未得到广泛的研究。Chao等人[17]证明，纤维的约束作用增加了未张拉预应力筋与混凝土基体之间的粘结强度，可能导致全展开长度减小。然而，研究中使用的短嵌入长度的结果可能不能直接推断出完整的开发长度。Baran等人的[22]也观察到了类似的结果，即使在纤维体积分数较低的情况下，对键合强度的有益影响也很明显。Bertram和Hegger[16]研究了不同UHPC配方中纤维体积分数在0.9到2.5%之间的链的键合行为。采用拉拔试验研究了超短埋深条件下霍耶效应和混凝土覆盖层的影响。此外，为了研究混凝土截面的尺寸，避免开裂和传递长度，还进行了附加的小尺度梁试验。研究结果表明，粘结应力在霍耶效应不存在时约为13mpa，在霍耶效应显著时约为30mpa。同样，结果表明，直径至少为钢绞线直径2.5倍的混凝土覆盖层可以显著降低断裂失效的可能性。此前在俄亥俄大学[23]完成的研究调查了12.7毫米的未张拉预应力束嵌入钢纤维增强超高压混凝土的发展长度。
L.F. Maya, B. Graybeal /工程结构133 (2017)81-90 83
所研究的嵌入长度分别为304.8 mm(12英寸)、457.2 mm(18英寸)和609.6 mm(24英寸)。所有嵌固股均发生断裂。
虽然目前没有具体设计准则可用于预应力链的转移和发展长度UHPC元素,Gowripalan吉尔伯特[24]开发了一些设计建议预应力UHPC光束的传输长度范围内20 ds 40 ds, ds是链的直径。John et al.[25]报道了在钢纤维增强UHPC梁中测量的12.7 mm钢绞线的传递和发展长度。平均转移长度为355.6 mm, 28 ds，显影长度低于889 mm, 70 ds。
2.2。搭接试验程序
本研究的第一阶段主要是研究UHPC中12.7 mm和15.2 mm直径的未施硅绞线的发育长度。虽然对两种不同类型的纤维增强进行了研究，但这里只讨论了与钢纤维增强超高pc有关的结果，进一步的细节可以从灰度[15]得到。
本研究中使用的UHPC是一种专有材料，其基本配方已在其他地方详细说明[14,15]。钢纤维为无变形圆柱形高抗拉强度钢，直径0.2 mm，长度12.7 mm，最小抗拉强度2.4 GPa。本研究采用2.0%的纤维增强体积分数。UHPC的抗压强度是根据ASTM C39[26]在负载率为1mpa /s的76毫米直径钢瓶上进行评估的。在搭接试验完成时，试件的平均抗压强度为160 MPa。前人对该UHPC配方的拉伸响应研究表明，该材料的抗拉强度一般在8mpa ~ 10mpa之间，具有稳定的应变硬化响应[27]。本研究使用的预应力钢绞线抗拉强度为1860 MPa，松弛度低，为7根钢绞线。根据ASTM A1081-12[28]，对两种不同的钢绞线直径进行了标准粘结试验，以确保与混凝土的适当粘结。
试样几何模拟了52毫米网格上间隔股的搭接拼接，这是美国常见的股网格。试样几何形状和加载设置如图1所示。试样截面厚76毫米，宽127毫米，直径12.7毫米的直径为32毫米，直径15.2毫米的直径为30毫米。对于直径为12.7 mm和15.2 mm的试样，相邻搭接股之间的间距分别为12.7 mm和10.2 mm。这些间距小于1.5倍的纤维长度，这是在AFGC建议[12]为超高压混凝土流动周围加固推荐的间距，但它代表了在美国预应力施工实践中常见的钢绞线网格。试件长度随剪接长度的变化而变化，剪接长度范围为203-610 mm。表1总结了两组研究的钢纤维增强UHPC试件。
采用500kn容量伺服液压试验机，以1mm /min的速度对试件进行位移控制试验。单轴拉伸力通过两端的单股和两端的双股施加。所施加的载荷随中心钢绞线卸载端滑移量的变化而变化。
图2为每组试件的荷载与锚链滑移结果。一般情况下，当单根钢绞线有效地传递施加的载荷时，可以观察到初始的弹性响应
图1所示。试样几何形状和加载设置
将超高pc放入搭接股中。在搭接长度足够长的试件上出现横向拉伸裂纹。同样的，纵向劈裂裂纹开始出现在单线的末端，并沿着试样的长度分布。在某些情况下，在裂纹扩展到试样的另一端之前，钢绞线断裂，如图2所示。在大多数试件中，裂纹最终沿着试件的整个长度扩展，导致约束失效，承载力降低。
试件设置为R2A，直径为12.7 mm，剪接长度为406mm，达到标称绞线能力的98%，约为绞线直径的32倍。观察到这两种断线的时间较长
图2所示。R2A和R2D试样的载荷与钢绞线滑移的关系。
在本样本集中研究了剪接长度。直径为15.2 mm的R2D试样，剪接长度为610 mm，达到标称绞线容量的104%，约为绞线直径的40倍。基于观察到的峰值应力,拼接链的长度完全开发能力研究UHPC配方可以估计为12.7毫米直径510毫米线为15.2毫米和610毫米直径线,对应在这两种情况下链直径约40倍。虽然在上述剪接长度下，预应力筋直径至少为预应力筋直径两倍的混凝土覆盖层已被证明足以避免劈裂破坏，但较大的混凝土覆盖层将提供更多的约束，从而降低劈裂破坏的可能性。
3.拼接梁
在本研究的第二阶段，研究了钢绞线剪接的概念，作为简化连续预应力混凝土梁桥连接细节的另一种解决方案。从预制预应力梁延伸出来的钢绞线搭接可能会产生较大的弯矩承载力，从而产生适用于墩内和跨内连接的连接细节。本研究在提高结构效率的前提下，通过避免后张拉，简化连接细节，对跨内连接细节进行了具体评价。
3.1。箱梁单元和试验装
AASHTO类型BII-36框梁在这项研究中的应用是一项研究的一部分在相邻的预制混凝土箱形梁桥梁、四个15.2米长框梁在装配式预制工厂,运输结构实验室和连接成对使用两个不同的纵向抗剪键连接细节[29]。这些试验完成后，梁没有受到损坏。在这些试验中，施加的最大弯矩不超过预应力极限弯矩的16%。
然而，纵向连接的优异性能使得分离纵向连接的箱形梁变得不可行，因此决定将梁拼接并测试为tandems。图3为箱梁tandems的截面，其中每个AASTHO型BII-36梁宽914 mm，深838 mm。箱梁内钢筋抗拉强度为1860 MPa，松弛度低，7根标称直径15.2 mm的钢绞线。当工厂释放预应力时，钢绞线的两端离开梁的两端至少延伸900毫米。
完成了两项全尺寸弯曲试验。在第
资料编号：[5452]
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