摘要：針對(duì)某高速公路典型橋面鋪裝結(jié)構(gòu)受力性能，本文從微細(xì)觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，對(duì)橋面鋪裝層間過(guò)渡區(qū)的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，得出由于澆筑時(shí)間差等原因，該層間界面存在大量初始孔隙、初裂縫及低強(qiáng)度水泥晶體。為了對(duì)該層間界面的抗剪性能進(jìn)行進(jìn)一步深入研究，本文對(duì)其進(jìn)行了一組先后澆混凝土抗剪試驗(yàn)及有限元分析研究，對(duì)改善界面抗剪性能和鋪裝層使用性能具有重大意義。

　　關(guān)鍵字：抗剪性能,試驗(yàn)研究,先后澆混凝土

　　0引言

　　橋面鋪裝作為橋梁行車體系的重要組成部分，一方面鋪裝層可分散荷載并參與橋面板的受力，起聯(lián)結(jié)各主梁共同受力的作用，既是橋面保護(hù)層又是橋面結(jié)構(gòu)的共同受力層；另一方面大跨度橋梁橋面板的變形、位移、振動(dòng)等都將直接影響鋪裝層的工作狀態(tài)。然而，橋面鋪裝的各種病害一直困擾著橋梁的設(shè)計(jì)者和管理者[1]。國(guó)內(nèi)外研究人員從施工工藝、材料性能及結(jié)構(gòu)受力等各方面進(jìn)行了大量的研究[2-5]，努力尋求優(yōu)質(zhì)橋面鋪裝的施工方法及設(shè)計(jì)理論。

　　橋面鋪裝一般包括瀝青混凝土橋面鋪裝及水泥混凝土橋面鋪裝兩類。水泥混凝土橋面鋪裝是在橋面板完成后，橋面板上預(yù)留剪力鋼筋，并鋪上鋼筋網(wǎng)片后，澆筑8～15cm防水混凝土鋪裝層。瀝青混凝土橋面鋪裝一般是在水泥混凝土鋪裝層的基礎(chǔ)上再澆筑一層3～8cm的瀝青混凝土層。由于瀝青混凝土本身剛度較小，其主要作用為改善行車舒適性及擴(kuò)散行車荷載，一般不參與鋪裝層受力。因此，本文主要討論水泥混凝土鋪裝層與橋面板層間的受力性能。

　　圖1典型橋面鋪裝結(jié)構(gòu)形式

　　水泥混凝土鋪裝層為鋪置于橋道板上的后澆筑混凝土，為加強(qiáng)其與橋道板間的受力連續(xù)性，提高其在荷載下的變形剛度，某高速公路中各典型橋梁在二者間采用剪力鋼筋相互連接（圖1）。通過(guò)兩者之間的粘結(jié)力及剪力鋼筋銷栓力抵抗在活載作用下的各種水平剪力。當(dāng)該層間發(fā)生抗剪破壞時(shí)，鋪裝層受力剛度將大大降低，在活載水平荷載作用下發(fā)生局部破損；同時(shí)，水平抗剪破壞將導(dǎo)致二者間發(fā)生局部水平錯(cuò)動(dòng)，剪力鋼筋此時(shí)將使水平力以集中力的方式作用于鋪裝層中，從而導(dǎo)致鋼筋位置的混凝土發(fā)生破裂，引發(fā)和加劇鋪裝層的破壞。因此，本文將從橋面鋪裝層間抗剪性能出發(fā)，對(duì)層間抗剪性能進(jìn)行理論分析，并通過(guò)試驗(yàn)研究及有限元分析，提出相應(yīng)改善層間抗剪性能措施，從而減少橋面鋪裝由此產(chǎn)生的病害。

　　1．鋪裝層間黏結(jié)特性

　　橋面板為預(yù)先形成強(qiáng)度的先澆混凝土區(qū)，而水泥混凝土橋面鋪裝層為后澆混凝土區(qū)，兩者間的層間為先后澆混凝土界面。其接觸界面存在一個(gè)近似于整澆砼中骨料與水泥石之間的過(guò)渡區(qū)。事實(shí)上，先澆界面存在露出的骨料和已硬化的水泥石，可能比整澆混凝土中骨料與水泥石界面過(guò)渡區(qū)要復(fù)雜，目前過(guò)渡區(qū)理論還在探索，在沒(méi)有定論的情形下，我們不妨簡(jiǎn)單認(rèn)為先后澆混凝土界面區(qū)的構(gòu)成與混凝土中的過(guò)渡層類似，構(gòu)成主要為C-S-H凝膠(水化硅酸鈣)、C-H晶體[Ca(OH)2]、AFt(鈣礬石)和未水化的熟料顆粒及孔洞、裂縫[6]。界面區(qū)中C-H晶體數(shù)量多，而且晶體尺寸較大，同時(shí)界面區(qū)中孔洞較多時(shí)．對(duì)界面區(qū)粘結(jié)將產(chǎn)生不利影響。

　　同樣的受力條件下，橋面鋪裝層間的先后澆混凝土界面比整澆體系中骨科與水泥石界面還要薄弱，有以下幾方面原因：

　　1.1由于先澆混凝土的親水性，第二次澆筑會(huì)在先澆混凝土表面形成水膜，使結(jié)合面處后澆混凝土的局部水灰比高于體系中的水灰比，導(dǎo)致界面鈣礬石和氫氧化鈣晶體數(shù)量增多，形態(tài)變大，形成擇優(yōu)取向，降低界面強(qiáng)度。且由于先澆混凝土的阻礙，后澆混凝土中的泌水和氣泡積聚在先澆混凝土表面，不僅使得后澆混凝土局部水灰比更高，而且使得氣孔和微裂縫在該區(qū)富集，顯著降低界面強(qiáng)度。這是物質(zhì)結(jié)構(gòu)化學(xué)方面的原因，是影響先后澆凝土結(jié)合本質(zhì)的內(nèi)因。

　　1.2界面處的石子、水泥石和后澆混凝土的界面接觸與整澆混凝土中骨料與水泥漿的界面接觸有差別。水泥漿本身具有一定的粘結(jié)性，它主要用于包裹混凝土中的骨料，使之硬化成堅(jiān)硬的水泥石。在后澆混凝土中的骨科經(jīng)過(guò)攪拌、振搗被水泥漿包裹，而先后澆混凝土界面處后澆混凝土中的骨料經(jīng)過(guò)振搗可能擠壓在界面處，使骨料與界面突出的石子、水泥石等形成“點(diǎn)接觸”。骨料堆積在先澆混凝土表面，阻塞了一部分先澆混凝土表面的孔隙和凹凸不平部分，使具有粘結(jié)性的水泥漿不能完全滲入孔隙中去，形成“缺漿”現(xiàn)象。這樣使得粘結(jié)界面處的后澆混凝土中出現(xiàn)空隙，影響了先后澆混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度。

　　1.3當(dāng)混凝土干燥收縮時(shí)，因先后澆混凝土間齡期的差異，鋪裝層混凝土收縮時(shí)，橋面板混凝土收縮已經(jīng)全部完成或完成一部分，此時(shí)界面區(qū)處發(fā)生變形差異，由此產(chǎn)生了內(nèi)部初應(yīng)力。應(yīng)力得不到釋放，導(dǎo)致界面處收縮微裂紋。同時(shí)，界面處孔隙率較高，收縮微裂紋易連通成微裂縫。結(jié)構(gòu)在受到外荷載作用以前，界面區(qū)已經(jīng)存在初始微裂縫（圖2）。

　　綜上，橋面鋪裝層間先后澆砼界面區(qū)具有以下力學(xué)性質(zhì)：（1）界面區(qū)有較高的孔隙率，同時(shí)存在大量晶體水化產(chǎn)物，并傾向于定向排列。與緊密交叉排列的小晶體比較，這種定向排列的大晶體更容易開裂，裂紋更容易擴(kuò)展，強(qiáng)度也更低；（2）界面內(nèi)部存在復(fù)雜的初應(yīng)力及初始收縮微裂縫；（3）界面區(qū)通常為一平面，裂紋尖端應(yīng)力集中且延伸路徑順直，使得界面區(qū)易觸發(fā)和延伸裂縫，并易最終發(fā)生破壞。

　　由以上分析知，界面的抗裂性能較一般混凝土薄弱。首先，由于墻壁效應(yīng)，界面內(nèi)混凝土中粗骨料數(shù)量較少，難以通過(guò)相互接觸傳遞應(yīng)力，而只能通過(guò)較弱的水泥漿進(jìn)行。界面混凝土中水泥漿水化不充分，加劇了界面受力的不利。

　　其次，骨料周圍的孔隙及先澆混凝土壁的氣泡等形成了多個(gè)潛在的薄弱截面。由最小勢(shì)能原理，最終破壞的裂縫將沿最薄弱的截面發(fā)生。界面開裂后，傳力方式與一般鋼筋混凝土開裂面相類似，主要通過(guò)三種作用傳遞：（1）骨料承壓作用：裂縫兩個(gè)表面凹凸不平的部份直接承壓來(lái)傳遞剪力。（2）摩擦作用：橫貫裂縫的鋼筋受拉而使裂縫兩側(cè)的混凝土相互受壓，使粗糙的接觸面產(chǎn)生摩接力從而傳遞剪力。（3）鋼筋的銷栓作用：橫貫裂縫的鋼筋通過(guò)受剪、受彎或受折作用來(lái)傳遞剪力。

　　2．層間抗剪性能試驗(yàn)研究

　　2.1試驗(yàn)情況介紹。為了研究上述類型橋面鋪裝層間抗剪性能，進(jìn)行了一組先后澆混凝土純剪試驗(yàn)，試驗(yàn)中主要考察混凝土強(qiáng)度、剪力鋼筋數(shù)量等參數(shù)對(duì)界面抗剪性能的影響。

　　試件的尺寸及形式如圖3，共32個(gè)試件。

　　圖3試件構(gòu)造及尺寸(cm)

　　2.2典型試驗(yàn)行為。圖4為不同配筋率時(shí)試件的P-△曲線。有無(wú)剪力鋼筋試件的P—△曲線在初始剪切剛度和曲線形狀等各個(gè)方面均有不同。有剪力鋼筋的初始剪切剛度大致相同，比無(wú)剪力鋼筋試件的剪切剛度明顯稍大；有剪力鋼筋試件的變形曲線為軟化曲線，基本可分為3個(gè)折線段：第一段從開始加載到出現(xiàn)第一條裂縫，此階段P-△曲線基本為一直線，為彈性變形階段；第二段從出現(xiàn)第一條裂縫開始，此階段裂縫發(fā)展穩(wěn)定，較前一階段每級(jí)荷載下變形增大，但仍成比例，為帶裂縫工作階段；之后，裂縫進(jìn)入不穩(wěn)定發(fā)展，為第三段—破壞延性階段，此階段荷載基本不再增加，變形增加卻非常明顯，P-△曲線基本為一水平線。無(wú)剪力鋼筋的變形曲線基本為兩折線，第一階段從開始到0.4～0.6Pu，此階段P-△曲線基本為一直線，為彈性變形階段；第二段為剪切強(qiáng)化階段，直至突然破壞。

　　圖4不同剪力鋼筋配筋率下試件的P-Δ曲線

　　圖5為剪力鋼筋配筋率不同、其它條件均相同的情況下計(jì)算出的界面處剪力筋荷載—主應(yīng)力圖。圖中四條曲線明顯呈兩組，分別為較小配筋量試件和較大配筋量試件。較小配筋量的兩條曲線在加載的初、中期幾乎重合，曲線斜率較大，較早出現(xiàn)應(yīng)力突增；較大配筋量的兩條曲線有一定的偏差，可以看出配筋量越大、開裂荷載和極限荷載越大。這一組曲線的斜率較前一組小，較晚出現(xiàn)應(yīng)力突增。

　　分析圖5，配筋率以1.67%為分界點(diǎn)，當(dāng)配筋率小于該值時(shí)，試件的抗剪強(qiáng)度與配筋率無(wú)明顯關(guān)系。當(dāng)配筋率較小時(shí)，有剪力筋試件較無(wú)剪力鋼筋試件，僅改善了試件的破壞脆性，并沒(méi)有明顯提高界面強(qiáng)度。只有當(dāng)配筋率較大時(shí)（＞1.67%）時(shí)，試件的強(qiáng)度隨配筋率增加而顯著提高，其破壞的延性也隨之增加。

　　通過(guò)以上分析得出：剪力鋼筋抵抗剪力的作用有最小配筋率的要求。當(dāng)剪力鋼筋配筋率小于此最小配筋率時(shí)，剪力鋼筋不能有效的發(fā)揮抗剪作用；當(dāng)剪力鋼筋配筋率大于此最小配筋率時(shí)，剪力鋼筋才可以有效抗剪，且配筋率越大，開裂荷載和極限荷載越大。

　　3.剪力筋力學(xué)行為有限元分析

　　本文采用大型有限元軟件ANSYS對(duì)本次試驗(yàn)進(jìn)行了相應(yīng)的有限元分析，重點(diǎn)對(duì)剪力筋的細(xì)部受力進(jìn)行了分析。圖6為分析得到的剪力鋼筋周圍混凝土壓應(yīng)力分布規(guī)律。鋼筋彎曲變形集中在界面附近，造成界面混凝土局部承受鋼筋線荷載，先澆混凝土的下緣和后澆混凝土的上緣在線荷載集中壓應(yīng)力作用下，發(fā)生局部破壞如圖6所示。

　　為了解剪力鋼筋各部位在抗剪全過(guò)程的力學(xué)行為，圖7和圖8分別繪出了典型N2試件和N4試件中剪力筋在先澆混凝土外框（圖中end）、后澆混凝土芯（圖中mid）和界面處（圖中sur）三點(diǎn)的荷載—主應(yīng)力圖。圖中顯示了試件在界面受剪中剪力鋼筋在不同階段的受力，其特點(diǎn)為：

　　1．剪力筋在界面處主應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它位置，因此可以認(rèn)為剪力筋在界面處的受力形式為純剪切。

　　2．在界面出現(xiàn)裂縫后，界面處剪力筋成為抗剪各因素的核心因素。

　　3．當(dāng)剪力筋設(shè)計(jì)為多排時(shí)，各排鋼筋可以通過(guò)之間的混凝土協(xié)調(diào)參與者受力，將破壞時(shí)混凝土的突然破壞分解成幾部分，增加了破壞時(shí)的延性。

　　4.層間受力性能改善措施研究

　　4.1在澆筑防水混凝土?xí)r，應(yīng)清潔并充分潤(rùn)濕橋面板表面，充分鑿毛，清潔骨料，以增強(qiáng)橋面板與鋪裝層間有粘結(jié)力抗剪力；

　　4.2橋面鋪裝層澆筑時(shí)應(yīng)保證其良好的和易性并振搗充分，同時(shí)水泥混凝土鋪裝層內(nèi)應(yīng)添加一定膨脹劑以抵消二者間的混凝土收縮差。

　　4.3剪力筋應(yīng)布置均勻并適當(dāng)加密，分析表明，剪力鋼筋的數(shù)量對(duì)于P-Δ曲線有明顯影響，抗剪數(shù)量增加不僅提高層間界面抗剪強(qiáng)度，還提高了荷載作用下的材料剛度。建議先后澆混凝土層間剪力鋼筋的最小配筋率應(yīng)不小于1.7％。

　　5.結(jié)論

　　5.1橋面鋪裝層和橋道板混凝土由于澆筑時(shí)間差，其界面存在不可避免的薄弱層，該層內(nèi)有大量的初始孔隙、初裂縫及低強(qiáng)度水泥晶體。

　　5.2試驗(yàn)表明，界面剪力筋可以增大界面的抗剪剛度，提高界面開裂荷載，改善鋪裝層受力性能。

　　5.3界面抗剪強(qiáng)度的大小很大程度上取決于剪力筋數(shù)量，當(dāng)其配筋率大于最小配筋率時(shí)，剪力鋼筋的作用才能得到充分發(fā)揮。由試驗(yàn)結(jié)果建議，最小有效配筋率可取為1.7%。

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