4.2 整平层层间强劲连接结构试验研究

在混凝土梁上浇筑混凝土桥面铺装层时，由于工程经济性和桥梁自重荷载的限制，桥面铺装层厚度一般在10 cm左右，且面积大，厚度不均，长厚比极不匹配，加之桥面的曲线半径、纵坡、超载车辆、气候等多种条件的影响，桥面铺装层混凝土受到拉、压、弯、剪、扭等复杂的应力体系作用，混凝土梁桥面铺装层是桥梁结构中受力最复杂的结构部位之一。且浇筑完成龄期不同，桥梁施工结合面积大，在实际桥梁施工的过程中可能会出现不同的浇筑界面，针对桥梁铺装层混凝土施工中不同的界面处理情况、钢筋剪力键形状、间距等，开展界面情况对梁体混凝土和铺装层混凝土连接力学性能的影响研究，对指导实际桥梁施工具有非常重要的意义。

为了加强梁体和铺装层混凝土的连接，使桥面铺装层混凝土和梁体作为一个整体协同受力，在混凝土梁预制的过程中将主梁钢筋伸出梁体顶面，弯成一定的形状，形成剪力键。在混凝土梁上常用的两种剪力键为马蹄形剪力键和L形剪力键，其结构尺寸和布置如图4-17、图4-18所示。

4.2.1 组合结构抗压性能

桥面铺装层是桥梁直接承受车辆等外部压力的结构部位，外部因素对桥面形成的压力是首先要考虑的因素。

4.2.1.1 试验试件

为了模拟梁体和铺装层混凝土组合结构的受力情况，采用制备出的高韧性低收缩混凝土，制作尺寸为150mm×150mm×150mm的抗压试件，在不同龄期分两次浇筑完成。试验时，先浇筑一半（厚度75mm）混凝土，然后植入钢筋剪力键（或不植入），标准养护7d后采用同样的配合比浇筑剩余75 mm，形成中间有分界面的试件，分别标准养护3d、7d、14d、28d和60d后进行抗压试验。为了研究梁体和铺装层结合面的力学性能，试验时受压面与结合面垂直。

界面剪力键采用L形和马蹄形两种形状，分别研究其对界面黏接力学性能的影响。剪力键按照比例缩小，L形剪力键采用 ϕ 9钢筋制作，马蹄形剪力键采用 ϕ 6钢筋制作，在界面上植入一个剪力键。试件中马蹄形和L形剪力键尺寸及埋设方式如图419、图4-20所示。

由于桥面铺装层施工面积大、厚度不均等因素，在混凝土梁桥面铺装施工中，有可能出现多种界面情况，所以结合桥面铺装现场施工的实际情况，研究混凝土梁桥面在干净干燥、有泥沙、保水和有积水情况下，梁体和铺装层结合结构的力学性能。试验过程如图4-21所示。

4.2.1.2 试验结果

养护龄期达到28d以后将混凝土试件从标准养护室中取出，进行抗压强度测试。梁体和铺装层混凝土界面情况对抗压强度的影响试验结果见表428~表4-32和图4-22。

从试验结果可以看出，界面情况对梁体和铺装层组合结构早期抗压强度影响较小，对后期抗压强度影响较大，这是由于组合结构的早期抗压强度主要取决于强度较低的后浇筑的铺装层混凝土，后期（60d）梁体和铺装层混凝土强度都已发挥出来，界面情况对组合结构抗压强度起主要作用。60 d龄期，界面干燥、有泥沙及有积水的组合结构抗压强度明显低于界面保水的组合结构；在界面植有马蹄形剪力键的情况下，界面保水的抗压强度比干燥界面的抗压强度高10.8%，比有泥沙界面的抗压强度高20%，比有积水界面的抗压强度高17.8%，因此界面保水情况为最理想的施工条件。

界面保水情况下60d抗压强度，植有马蹄形剪力键的试件比没有剪力键的试件高32%，比L形剪力键试件高20%，这是因为马蹄形剪力键采用柔性较好的 ϕ 6钢筋制作，L形剪力键采用刚性的 ϕ 9钢筋制作，在混凝土硬化后期，L形剪力键会在结构中形成较大的应力集中。

从组合结构的抗压性能来分析，采用柔性的马蹄形剪力键并在施工桥面铺装混凝土时保持混凝土梁顶面干净、用水充分浸透但不存在积水的情况为最佳的施工条件。

4.2.2 组合结构抗拉性能

由于主梁梁体与桥面铺装层混凝土浇筑龄期相差较大，在浇筑铺装层混凝土时，主梁梁体已经基本完成收缩、徐变等体积变形，主梁混凝土会对新浇筑的铺装层混凝土的收缩产生一定约束作用而造成接触面上存在剪应力。另外，车辆荷载也会引起主梁、铺装层混凝土之间的剪应力，当剪应力值大于梁体和铺装层混凝土黏结抗剪强度时，会造成两层混凝土结合面脱黏、损坏。因此两层混凝土要有良好的黏结效果，以保证有足够的抗剪强度。

一般认为普通混凝土的抗剪强度和抗拉强度数值相差不多，《混凝土结构设计规范》在板的抗冲切设计、梁柱等构件斜截面和扭曲截面承载力计算中就使用混凝土抗拉强度来替代抗剪强度。本节通过研究梁体混凝土和铺装层混凝土黏结面的抗拉强度来探讨界面情况对两层混凝土黏结抗剪性能的影响规律。

劈裂抗拉试验按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，制作和前述试验完全相同的试件进行劈裂抗拉试验。试验结果见表4-33~表4-37和图4-23。

从试验结果可以看出，无论是植入L形剪力键、马蹄形剪力键或不植入剪力键，界面保水的组合结构抗拉强度都是最大的。60d龄期，界面植入马蹄形剪力键的组合结构，其在界面保水情况下的抗拉强度比界面干燥时高8.6%，比界面有积水时高22.2%，比界面有泥沙时高54.6%。

在界面保水的情况下，界面植入马蹄形剪力键组合结构的抗拉强度比不植入剪力键时高60%，比植入L形剪力键时高21.2%；在界面干燥和有积水的情况下，马蹄形剪力键试件的抗拉强度也明显高于L形剪力键和无剪力键试件，这是由马蹄形剪力键的形状特征所决定的：浇筑的铺装层钢纤维混凝土嵌入其马蹄形结构中，当界面受到拉应力时，马蹄形结构可以起到比L形结构更大的阻止界面相对运动的作用，从而大大加强了两层混凝土之间的抗拉强度。

在混凝土梁体上浇筑铺装层混凝土时，如果梁体处于干燥状态，梁体混凝土会吸收新浇筑混凝土中的水分，使界面区域附近的新浇筑混凝土缺乏足够的水分，阻碍混凝土中水泥水化产生强度，极易造成界面结合区域黏结不牢固而开裂，影响桥面铺装的质量和寿命；而界面存在积水或者泥沙则会造成梁体和铺装层之间的薄弱环节，也会对界面黏结产生不利影响；在浇筑铺装层混凝土之前先对预制梁体进行洒水保湿，使梁体顶面充分润湿，以达到良好的黏结效果。因此，从梁体和铺装层之间黏结的抗拉强度来看，采用界面保水情况下的马蹄形剪力键为最佳施工方案。

4.2.3 组合结构抗折性能

大跨度预应力简支混凝土梁，由于梁体自重、铺装层重量和行车荷载等的作用，会在跨中形成较大的正弯矩，梁体底部混凝土处于拉应力区；在桥墩顶部位置由于梁体自重等因素会形成较大的负弯矩，使得桥面铺装层混凝土处于拉应力区。弯拉应力的作用是造成铺装层开裂的一个重要原因，因此梁体和铺装层组合整体在较大弯矩情况下要有足够的开裂极限强度。

4.2.3.1 试验试件

为了模拟铺装层混凝土受到弯拉应力作用时的力学行为，拟采用150 mm×150 mm×550 mm的试件，在不同龄期分两次浇筑完成。试验时，先浇筑底层的一半试件，然后在界面上植入钢筋剪力键（或不植入），标准养护7d后浇筑上层的另外一半试件，形成以纵截面作为分界面的完整试件，然后再分别标准养护3d、7d、14d、28d和60d后，把试件放置到混凝土抗折强度测试夹具上进行试验，试验时铺装层混凝土在下，梁体混凝土在上，使铺装层混凝土受拉，加载示意如图4-24所示。

4.2.3.2 试验结果

由混凝土试件在抗折试验时的受力分析可知，在对混凝土试件加载的过程中， BC 段之间为纯弯段，梁的横截面上只有正应力，没有剪应力，梁体的下表面受到最大的拉应力，当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，混凝土开裂。本节设置两种剪力键间距（300mm和500mm），研究剪力键间距对组合结构抗弯拉性能的影响规律。剪力键布置如图4-25、图4-26所示，试验结果见表4-38~表4-42所示。

将上述试验结果绘制成图4-27,U1表示间距500 mm的马蹄形剪力键，U2表示间距300 mm马蹄形剪力键；L1表示间距500 mm的L形剪力键，L2表示间距300 mm的L形剪力键。

从试验结果可以看出，在界面没有剪力键的情况下，界面处理情况对梁体和铺装层整体的抗折强度有较大的影响；在界面植入剪力键后，界面处理情况对整体结构的抗折强度影响不明显，但从后期强度来看，界面保水的试件比其他三种界面试件的抗折强度高。这是由于铺装层混凝土受到较大拉应力开裂后，由于钢纤维的存在，结构呈现延性破坏，当裂缝扩展到梁体和铺装层界面的时候，界面处理情况会对裂缝的扩展产生影响。

植入间距为500 mm马蹄形剪力键的试件，界面保水时的抗折强度比界面干燥时高6.4%，比有积水的高7.5%；剪力键间距小于500 mm时，剪力键间距对组合结构的抗折强度影响不大；马蹄形剪力键试件的抗折强度略高于L形剪力键试件，在界面保水情况下，间距为500 mm的马蹄形剪力键比间距为500 mm的L形剪力键抗折强度高7%。

4.2.4 组合结构抗弯性能

4.2.4.1 试验试件

设计采用150 mm×150 mm×550 mm的试件，先浇筑150 mm×150 mm×275 mm一半试件，然后在界面上植入钢筋剪力键（或不植入），标准养护7d后浇筑另一半试件，形成以横截面作为分界面的完整试件，然后再分别标准养护3d、7d、14d、28d和60d后，把试件放置到混凝土抗折强度测试夹具上进行试验，试验过程如图4-28、图4-29所示。

4.2.4.2 试验结果

试验结果见表4-43~表4-47和图4-30。由混凝土试件在抗折试验时的受力分析可知，组合结构受到弯拉应力时，中性轴上半部分混凝土受压应力作用，下半部分受拉应力作用，当拉应力超过梁体和铺装层混凝土界面黏结的抗拉强度时，组合结构破坏。界面处理情况和剪力键的设置对混凝土弯拉强度有着至关重要的作用。

由于试验工艺条件的限制，以横截面为界面的组合结构在浇筑铺装层混凝土时，难以保证界面存在积水。从试验结果可以看出，剪力键布置相同的组合结构，界面保水和有积水试件的抗弯拉强度高于界面干燥和有泥沙试件；在保水情况下，界面植有马蹄形剪力键试件的抗弯拉强度比植L形剪力键试件高6.8%，比没有剪力键的试件高17%，这和前述试验结果一致，验证了马蹄形剪力键对梁体和铺装层界面黏结抗弯拉性能的贡献优于L形剪力键。

因此，从梁体和铺装层整体结构的抗弯强度来看，界面保水并植入马蹄形剪力键为最佳的施工方案。

4.2.5 组合结构疲劳性能

在实际使用的过程中，桥梁每天都承受着重荷载车辆的反复作用，而桥梁是按照恒载和动载在极限情况下的静荷载载设计的，车辆的反复荷载不会超过这个极限荷载，但是桥梁在这样的反复的荷载作用下，结构内部的损伤劣化会不断累积，当累积到一定程度以后，桥梁结构会发生疲劳破坏，疲劳破坏是脆性破坏，破坏之前没有明显的变形，也没有任何征兆。例如1967年，美国弗吉尼亚Point Pleasant的“银桥”（Silver Bridge）突然坍塌，造成46人死亡，坍塌原因是一根拉杆在疲劳荷载作用下，内部缺陷扩展到临界尺寸；1980年，英国北海Ekofisk油田的一个钻井平台发生倒塌，导致127人落水，38人丧生，事故是由于在疲劳荷载作用下，一根支撑管与支腿连接处的裂缝扩展导致断裂，从而引发的。因此，探究组合结构的疲劳性能对材料和结构的优化设计很有必要。

4.2.5.1 试验参数

疲劳破坏是指结构或构件在外部荷载反复加载和卸载作用下，材料内部的损伤劣化随着加卸载次数的增加不断累积，最终导致破坏的现象。材料的静载破坏是在外荷载超过材料所能承受的极限荷载时引起的破坏，而引起疲劳破坏的荷载比材料的极限荷载要小很多，但就是在这样比较小的荷载的反复作用下，使材料内部的损伤不断累积，最终导致材料的疲劳破坏。

疲劳试验按照应力水平的大小可以分为高周疲劳和低周疲劳。高周疲劳是指材料所承受的应力水平远远低于其屈服强度，在施加循环荷载的过程中，材料处于弹性变形范围之内，疲劳寿命高于10 ⁵ 次，高周疲劳应选取应力作为主要控制方式；低周疲劳是指材料所承受的应力水平接近或大于其屈服强度，材料的疲劳寿命低于10 ⁵ 次，低周疲劳加载过程中，会引起材料较大的塑性变形，应选取应变作用主要控制方式。

本节疲劳加载试验加载波形采用正弦波[ F （ t ）= A+B cos wt ]（图4-31），加载过程中参数主要有正弦波荷载的峰值 S _max ，谷值 S _min ，平均应力 S _m ，应力幅Δ S ，加载频率 f ，应力水平 r ，循环应力比 S _a ，试件的极限荷载 σ _max ，各参数之间的关系见式（4-5）~式（4-8）：

1）应力水平

本节采用控制应力的方式进行加载，疲劳试验的应力水平 r 根据试件的疲劳循环周次决定，以试件的疲劳寿命达到10 ⁵ 数量级为依据。试验时采取0.7的应力水平。

2）循环应力比

当循环应力比 S _a =0时，为脉冲循环；当 S _a =1时， S _max =S _min 为静荷载。疲劳试验的循环应力比 S _a 一般在0~1之间，对于用于路面、桥面的混凝土，考虑桥梁在实际使用中的受力情况，循环应力比一般取0.1。

3）加载频率

美国混凝土协会的研究报告指出，当混凝土疲劳试验的循环应力比高于0.75时，加载频率对疲劳寿命有很大的影响；而当循环应力比为0.75及以下时，加载频率在1~15 Hz之间对混凝土构件疲劳寿命的影响可以忽略。本节试验采用频率为10 Hz的正弦波加载。

试验时，先用砂纸将铺装层表面中部位置沿与纵轴向45°方向打磨光滑，再用酒精将打磨的表面擦拭干净，在试件下表面沿跨中位置的横向贴三个应变片，以监测加载的均匀性，应变片布置如图4-32所示，采用MTS250KN疲劳试验机加载，如图4-33所示。

4）试件设计

材料在发生破坏时所施加的应力循环次数称为材料的疲劳寿命，桥面铺装层材料的疲劳性能要满足桥梁设计使用年限内疲劳寿命的要求，而桥面铺装层依附于主梁梁体，与梁体一起协同受力，因此，只有研究铺装层和梁体的组合结构，才能更真实地反映桥面铺装层的实际受力状况。为探讨剪力键形状、间距对梁体和铺装层形成的组合结构整体疲劳寿命的影响，设计了两类不同尺寸结构模型试件：150mm×150mm×550 mm和1400 mm×450 mm×180 mm，混凝土梁体与铺装层分层浇筑，界面采用保水养护，两类模型试件详细特征参数见表4-48、表4-49。

（1）尺寸为150mm×150mm×550mm的组合结构模型试件。铺装层采用两种结构形式：钢筋网+素混凝土+剪力键、高韧性低收缩混凝土+剪力键。铺装层素混凝土中不掺加纤维，其他原材料及配合比与高韧性低收缩混凝土相同；钢筋网片采用 ϕ 12带肋钢筋焊接，网格间距为100 mm×100 mm；剪力键采用L形和马蹄形两种，间距均为500 mm，在铺装层混凝土内埋深60 mm。按实际工程中主梁与桥面铺装的施工顺序，先浇筑模拟主梁的底板（75 mm厚混凝土），并按设计间距埋入剪力键，7d后浇筑剩余75 mm铺装层混凝土，两层之间形成有分界面的组合结构模型试件。对于有钢筋网片的试件，浇筑铺装层混凝土时埋入钢筋网片，以研究剪力键形状及铺装层结构形式对组合结构疲劳寿命的影响，如图4-34所示。

（2）尺寸为1400 mm×450 mm×180 mm的组合结构模型试件。铺装层只采用“高韧性低收缩混凝土+剪力键”一种形式。模拟梁体的底层混凝土厚度100 mm，铺装层混凝土厚度80 mm，为了确保底板在试验过程中不先出现破坏，在其中加设钢筋网，钢筋直径 ϕ 12，网格间距100 mm×100 mm。剪力键采用马蹄形（钢筋直径10 mm，剪力键高80 mm），间距分别为400 mm、500 mm、600 mm和1000 mm，以研究剪力键间距对组合结构疲劳寿命的影响，剪力键按照设计间距焊接在梁体钢筋网上。模型试件制作采用分层浇筑，先浇筑底板混凝土，7d后浇筑铺装层混凝土；剪力键在铺装层混凝土内埋深60 mm。模型试件如图4-35所示。

4.2.5.2 疲劳性能试验

疲劳试验的控制参数主要包括加载频率、加载波形、加载应力水平、循环应力比等。疲劳试验前先进行静力试验，以静载破坏时的极限荷载为参考，根据疲劳试验测试采取的应力比，得到疲劳试验控制荷载，进行疲劳试验测试。

1）静力试验

静力试验加载如图4-36所示，加载速率2kN/10 s，测得各试件极限破坏荷载，为疲劳试验加载参数确定提供依据，测试结果见表4-50、表4-51，试件测试龄期为180d。

从表4-50可以看出，对于尺寸为150 mm×150 mm×550 mm的组合结构模型试件，无论采用“钢筋网+素混凝土+剪力键”铺装方案，还是“高韧性低收缩混凝土+剪力键”铺装方案，剪力键的加设均可提高构件的抗弯拉承载力，且马蹄形剪力键对构件承载力的提高相对更有利；采用“高韧性低收缩混凝土+剪力键”铺装方案的构件抗弯承载力，高于“钢筋网+素混凝土+剪力键”铺装方案构件，可见高韧性低收缩混凝土对构件的抗弯性能有较大的改善。由表4-51可知，对于尺寸为1 400 mm×450 mm×180 mm的组合结构模型试件，随着剪力键间距增大，组合结构的抗弯拉承载力降低，剪力键间距从400 mm增加到500 mm，降低不明显；超过500 mm时，抗弯拉强度明显降低。

2）动力试验

疲劳试验加载如图4-37所示，以静力加载时测得的各试件极限荷载为疲劳试验加载时的控制荷载，疲劳试验采用正弦波加载[ F （ t ） = A+B cos wt ]，加载频率4 Hz，应力比取0.7，循环应力比取0.1，试验结果见表4-52、表4-53。

从表4-52的试验结果可以看出，对于尺寸为150mm×150 mm×550 mm的组合结构模型试件，采用“高韧性低收缩混凝土+剪力键”铺装方案试件的疲劳寿命均超过200万次，比采用“钢筋网+素混凝土+剪力键”试件的疲劳寿命大，且马蹄形剪力键对提高组合结构疲劳寿命的贡献略大于L形剪力键。

从表4-53的试验结果可以看出，对于尺寸为1400 mm×450 mm×180 mm的组合结构模型试件，剪力键间距400~1 000 mm，各构件的疲劳寿命均超过200万次，且随着剪力键间距增大，组合结构的疲劳寿命降低，剪力键间距从400 mm增加到500 mm，降低不明显；超过500 mm时，疲劳寿命明显降低。因此，剪力键间距不宜超过500 mm。

综上可知，混凝土桥面铺装层采用“高韧性低收缩混凝土+剪力键”方案，无论是静力性能还是疲劳性能，均优于“钢筋网+素混凝土+剪力键”方案，且应力比取0.7时，疲劳加载次数超过200万次，满足工程设计要求。所以，在混凝土桥面铺装层中可以取消钢筋网片，而采用高韧性低收缩混凝土，并通过剪力键强化铺装层与梁体的截面连接，提高受力性能与耐久性能。 UKQU2rL84T4ExY3pf983siOnrYB+rqGIAdylxmDca3lBs7UCeNi/+eXiS+Zx46ck