收稿日期：2020-03-07
基金项目：湖南省科技计划重大专项（2017SK1010），Hunan Province Science and Technology Key Projects （2017SK1010）作者简介：邵旭东（1961—），男，浙江富阳人，湖南大学教授，博士生导师†通信联系人，E-mail ：**************.com
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第48卷第3期
2021年3月
湖南大学学报（自然科学版）
Journal of Hunan University （Natural Sciences ）
Vol.48，No.3
Mar.2021
DOI ：10.16339/jki.hdxbzkb.2021.03.001
文章编号：1674—2974（2021）03—0001—13先简支后连续混凝土梁负弯矩区UHPC “T 形”湿接缝试验研究
邵旭东†，孔小璇，邱明红，
陈玉宝（湖南大学土木工程学院，湖南长沙410082）
摘要：为了提高普通混凝土连续梁负弯矩区湿接缝的抗裂性能，简化施工工艺，提出了
混凝土梁桥负弯矩区UHPC 新型湿接缝方案.以某跨径为30m 的普通混凝土连续梁桥为背景，根据法国UHPC 结构设计规程和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG
3362—2018）对该桥进行正常使用极限状态下的配筋设计，
并参照配筋设计结果对UHPC 新型湿接缝构造进行1∶2缩尺模型试验研究.试验结果表明：取消负弯矩区预应力束、取消焊接的负弯矩区UHPC 新型湿接缝方案的抗裂性能和承载能力均满足工程要求，且试验值与数值模拟值拟合良好；UHPC 的引入能有效限制普通混凝土的裂缝宽度，显著提高普通混凝土截面的刚度，改善混凝土连续梁跨中区的内力及竖向挠度的重分布现象.与不考虑负弯矩预应力束的传统湿接缝构造相比，UHPC 新型接缝构造能降低混凝土连续梁内力及跨中竖向挠度的重分布系数至其30%~50%.参数分析表明：对于负弯矩区采用UHPC 新型湿接缝构造的混凝土连续梁桥，UHPC 沿
纵桥向的长度宜取0.27倍计算跨径，负弯矩区纵向受拉主筋直径可统一为20mm ，UHPC 层的厚度取60mm 即可.
关键词：先简支后连续梁；普通混凝土梁负弯矩区；UHPC 湿接缝；试验研究；截面刚度分析；抗裂参数分析
中图分类号：U443.32文献标志码：A
Experimental Study on UHPC “T-shaped ”Wet Joints in the Negative Moment Zone of Continuous Concrete Beams after Simple Support
SHAO Xudong †，
KONG Xiaoxuan ，QIU Minghong ，CHEN Yubao （College of Civil Engineering ，Hunan University ，Changsha 410082，China ）
Abstract ：In order to improve the crack resistance of wet joints in the negative bending moment area of ordinary
concrete continuous beams and simplify the construction process ，a new type of UHPC wet joint sc
heme for the nega -tive bending moment area of concrete beam bridges was propod.Taking a common concrete continuous beam bridge with a span of 30m as the background ，according to the French UHPC structural design regulations and Chine Speci -fication for Design of Highway Reinforced Concrete and Prestresd Concrete bridge and Culverts （JTG 3362—2018），the reinforcement design of the bridge under normal rvice limit state is carried out.Bad on the results of reinforcement design ，the 1∶2scale model test of UHPC new wet joint structure was carried out.The test results show that the crack resistance and load-bearing capacity of the UHPC new wet joint scheme without reinforcement welding
与简支梁桥相比，先简支后连续混凝土梁桥受力更加均匀，行车更为平顺舒适，因此应用广泛[1-7].
然而，在正常使用状态下，
其墩顶负弯矩湿接缝处承受着较大的负弯矩和剪力，是先简支后连续混凝土梁桥的设计控制截面[2].已有工程实践表明[2-8]，由于车辆超载、疲劳受荷等原因，一些运营中的先简支后连续梁桥在其湿接缝的桥面板处过早地出现了一些沿桥纵向和横向的裂缝，而这些裂缝对桥梁的受力性能和耐久性造成了相当不利的影响，负弯矩湿接缝开裂也成为先简支后连续混凝土梁桥最典型、最常见的问题.
为解决上述问题，已有学者从预应力布置、湿接缝材料和湿接缝构造形式等方面开展相关研究工作，
以期改善其受力性能与耐久性.传统负弯矩湿接缝构造通过张拉墩顶预应力束来限制负弯矩区的裂缝发展.由于施工面狭窄、高空作业困难等问题，墩顶预应力束施工复杂且施工质量低，由此导致的湿接缝实际构造情况难以达到设计预期效果[9-13].吕佳元等[12]、周建庭等[13]提出了一种新型的负弯矩区段构造来解决简支变连续预应力混凝土梁桥中预应力损失过大、主梁严重开裂等问题，但其增大了桥梁的自重和现场的焊接量；传统墩顶湿接缝构造材料采用高强微膨胀混凝土[2]，为了提高接缝的抗拉、抗裂强度，有部分学者[7,14]提出使用高强钢纤维混凝土来代替传统的普通高强微膨胀混凝土来改善湿接缝的受力性能.梁明元等人[2]认为钢纤维高性能混凝土材料对湿接缝性能的改善效果并不明显，因此引入强度
高、韧性大的超高韧性混凝土
（Ultra High Toughness Concrete ，简称UHTC ）来代替传统湿接缝采用的高强
微膨胀混凝土，然而其接缝结构中仍采用了墩顶预
应力束，仍会由于预应力的存在而增加施工难度、
降低施工质量；传统墩顶湿接缝通常采用矩形构造形式，这种构造形式使得现浇接缝与预制梁段的界面处于高应力区，极易开裂.张阳等人[15]对比矩形、楔形及菱形3种接缝截面形式对接缝板界面开裂强
度的影响，结果表明除矩形接缝形式外其余接缝形式均能提高接缝界面的开裂强度，其界面仍处于受拉高应力区，只是提高了界面处结合面的咬合能力.
综上，本文提出一种超高性能混凝土新型湿接缝构造.超高性能混凝土（Ultra High Performance Concrete ，UHPC ）是一种新型纤维增强水泥基复合材料，具有优异的力学性能和耐久性能且裂后的延性和韧性较好[16-18].将UHPC 应用于接缝结构，有望大幅提高其抗拉、抗裂性能，取消用于墩顶抗裂的负弯矩束，且利用UHPC 与钢筋间良好的锚固性能来取消接缝内钢筋间的焊接[19]，简化施工.为探究取消墩顶预应力束、取消钢筋焊接的UHPC 新型湿接缝在工程应用中的可行性，本文对提出的负弯矩区UHPC 新型湿接缝构造进行配筋试设计，并对其开展1∶2缩尺模型试验研究.
1UHPC 湿接缝设计方案
1.1“T 形”湿接缝概念设计
由于传统湿接缝构造存在负弯矩区预应力束张拉困难和钢筋焊接费时的问题，本文基于UHPC 材
and prestresd strands in the negative bending moment area are all in line with the engineering requirements.The test values are well fitted with the numerical simulation values.The introduction of UHPC can effectively limit the
crack width of normal concrete （NC ），significantly increa the rigidity of NC ction ，and reduce the redistribution of
internal force and vertical deflection of the continuous concrete beam in the mid-span.Compared with the traditional
wet joint structure without negative bending moment prestresd tendon ，the new UHPC joint structure can reduce the redistribution coefficient of the internal force and vertical deflection of the continuous concrete beam to about 30%~50%.The parameter analysis shows that ：for the concrete continuous beam bridge with UHPC new wet joint structure in the negative bending moment area ，the length of UHPC along the longitudinal direction of the bridge should be tak -en to be 0.27times the calculated span.The diameter of the longitudinal tensile main bars in the negative bending moment area can be unified to 20mm ，and the thickness of the UHPC layer can be 60mm.
Key words ：simply supported first and then continuous beam ；negative moment area of ordinary concrete beam ；UHPC wet joint ；experimental rearch ；ction stiffness analysis ；analysis of crack resistance parameters
湖南大学学报（自然科学版）2021年
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料优异的抗拉性能、与钢筋的高握裹性能和耐久性
能提出适用于先简支后连续混凝土梁桥的UHPC “T
形”湿接缝方案，该方案如图1所示.方案中的
“T 形”构造指的是墩顶负弯矩区现浇UHPC 的覆盖长度大于横梁的形式.该方案具有以下优势：
1）UHPC 层的覆盖能降低湿接缝构造内受拉钢筋的应力，尽管没有负弯矩预应力束也能有效限制负弯矩桥面板顶面的裂缝宽度，且UHPC 与普通混
凝土（Normal Concrete ，简称NC ）的竖向交界面由于
“T 形”构造而远离负弯矩高应力区，使得竖向交界面不至于过早开裂.
2）UHPC 由于超低水灰（胶）比和高胶凝材料用量，早期收缩发展较快且总收缩高于普通混凝土或高性能混凝土，而“T 形”接缝构造阻滞了UHPC 的收缩，减小了竖向交界面内由收缩约束产生的初始拉应力.
3）UHPC 具有优异的特性，有望取消传统湿接缝构造负弯矩预应力束和钢筋的焊接，因而能解决因狭窄工作面而引起的施工质量差的问题，以及因钢筋焊接引起的施工复杂、施工周期长的问题
littering.
图1UHPC 新型湿接缝构造示意图Fig.1UHPC new wet joint structure diagram
1.2整体计算
本文以某跨径布置为5×30m 的普通混凝土先简支后连续预制T 梁为背景，采用UHPC 新型湿接缝的设计方案，预制段采用强度等级为C50的NC.该桥宽为16.25m ，梁高2m.现浇UHPC “T 形”湿接缝翼缘沿桥纵向的长度为5.8m ，高度为0.08m ，其腹板沿桥纵向的长度为0.5m ，高度为1.92m ，方案具体尺寸如图2所示.
采用MIDAS/Civil 软件建立背景桥例的有限元
模型，模型中，“T 形”接缝外伸段与预制NC 梁形成
的组合截面段采用联合截面，其截面特性中基本材
料为UHPC.模型主要考虑恒载、
汽车活载、温度荷载、支座沉降、预应力、收缩徐变等荷载和作用，其中
汽车活载为公路-Ⅰ级车道荷载.
预制C50混凝土现浇UHPC 预制C50混凝土
控制截面1
控制截面2
2650
5800500
2650
图2NC 连续梁桥负弯矩区UHPC
新型湿接缝方案（单位：mm ）Fig.2UHPC newtype wet joint scheme for normal concrete beam bridge （unit ：mm ）
根据《公路桥涵设计通用规范》
（JTG D60—2015）和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计
规范》（JTG 3362—2018）[20]
要求，对背景工程按正常
使用极限状态和承载能力极限状态分别进行荷载组合，重点关注两个关键截面（如图2所示）的弯矩及其顶面应力，计算结果见表1.
表1整体计算结果Tab.1Overall calculation results
控制截面（kN ·m ）应力/MPa （kN ·m ）应力/MPa 14473
4.56900
10.02
3520.1 3.5
3079.6
6.4
注：控制截面1为距墩顶截面0.25m 的全UHPC 截面与UHPC-NC 组合截面的交界面；控制截面2为距墩顶截面2.90m 的UHPC-NC 组合截面与全NC 截面的交界面.
1.3试验配筋设计
本文通过MATLAB 数值模拟来控制1.2节所述控制截面在设计应力下的裂缝宽度来进行配筋设计.据相关研究[21-22]，当UHPC 的裂缝宽度不超过0.05mm 时对其耐久性没有影响，因此计算配筋时控制
UHPC 裂缝宽度为0.05mm ，其裂缝宽度的计算基于
法国UHPC 结构设计规程[23]；UHPC 覆盖下的NC 的控制裂缝宽度按规范取值，由《公路钢筋混凝土及预
应力混凝土桥涵设计规范》[20]
可知，正常使用极限状
态下，一般环境中的钢筋混凝土构件的最大裂缝宽度为0.2mm.
计算控制裂缝宽度下的配筋面积是一个迭代计算的过程，通过迭代曲率来得到控制裂缝宽度下截面弯矩和配筋面积的关系式，最终得到满足正常使用极限状态的裂缝宽度要求下控制截面1处NC 层
第3期邵旭东等：先简支后连续混凝土梁负弯矩区UHPC “T 形”湿接缝试验研究
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的最小配筋面积.计算时，控制截面1和控制截面2
分别偏安全地按UHPC-NC 组合截面和全NC 截面计算.参考文献[24]中UHPC 桥面板内钢筋的布置，拟定UHPC 层内钢筋等级为HRB400，直径为20mm ，间距为100mm.MATLAB 程序中偏安全地忽略预应力筋对截面轴向平衡的影响，其具体计算示意
图和流程图分别如图3和图4所示.采用的各材料的本构关系如图5所示，其中UHPC 仅受拉，其单轴抗拉强度f tu 参考《钢-超高韧性混凝土轻型组合结
构桥面技术规范》（DB43/T 1173—2016）[25]
取7MPa ，弹性模量为42GPa ；C50的单轴抗拉本构参考文
献[26]，其单轴抗拉强度f td 取1.89MPa ，
单轴抗压本构参考《混凝土结构设计规范》
（GB 50010—2010）[27]，其单轴抗压强度f cd 取32.4MPa ，弹性模量取34.5GPa ；钢筋的拉压本构关系参考文献[26]，其屈服强度f y 取420MPa ，弹性模量E s 取200GPa ，E s ′=0.01E s .
σs2σs1
2350
500
中性轴
A CT
φ
f sd
f cd
f u M
2320@100mm
图3配筋面积计算示意图（单位：mm ）
Fig.3Reinforcement area calculation diagram （unit ：mm ）
英语倡议书给定初始曲率φ0和增量Δφ
φ=φ0+Δφ
拟定组合截面NC 层配筋面积A CT
根据轴力平衡方程∑F N =0得到
截面中性轴高度和弯矩及钢筋应力
计算UHPC 裂缝宽度W s
是
否
怎样学数学计算完成得到A C
W s ≤0.05mm
图4配筋面积计算流程图
Fig.4Reinforcement area calculation flowchart
-0.0033
f cu
f cu /E u
f tu
f tu /E u
0.003
σ
ε
（a ）UHPC
σ
ε
0.001
εcd f cd
f td
f td /E c
（b ）C50
ε
σ
0.01
-
0.01
-f y /E s
f y
f y /E s
E ′
s -f y
（c ）钢筋
图5材料本构关系图Fig.5Material constitutive diagram
经计算，控制截面1处NC 层的最小配筋面积为1500mm 2
（
约为12根直径为14mm 的钢筋），偏安全地统一UHPC 层和NC 层钢筋直径，大小为20mm.此时控制截面1处UHPC 顶面的裂缝宽度为0.03mm ，NC 顶面的裂缝宽度为0.05mm ，满足设计
要求；控制截面2的钢筋面积和布置形式均与控制
截面1相同，在此配筋下，设计应力时控制截面2处NC 顶面的裂缝宽度为0.061mm ，也满足设计要求.因此控制截面1和控制截面2内配筋形式见表2.
表2控制截面初步配筋形式
Tab.2Control ction preliminary reinforcement form
截面位置控制截面1控制截面2受拉纵筋女明星合成图
（UHPC 层钢筋）
（上层钢筋）布置形式
（NC 层钢筋）
（下层钢筋）
湖南大学学报（自然科学版）
2021年
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2普通混凝土梁负弯矩区UHPC 接缝缩尺
模型试验
2.1试件设计
为了研究上述负弯矩区UHPC 新型湿接缝构造的可行性，按与背景桥例中两个控制截面应力等效的原则对其进行1∶2的缩尺设计.模型相似关系见表3.舍相如广成传舍
过故人庄译文表3模型与实桥物理相似关系
Tab.3Physical similarity between model and real bridge
物理量截面高度截面宽度纵筋配筋率接缝长度应力弯矩结构相似比
1/2
1/2
1
1/2
1
1/8
试验模型全长5.74m ，计算跨径为5.54m ，宽
1.175m ，梁高1m ，翼缘板厚度0.08m.现浇UHPC “T 形”接缝翼缘沿纵向的长度为
2.9m ，高度为0.04m ，“T 形”接缝腹板沿纵向的长度为0.25m ，高度为0.96m.纵筋的配筋率不变，全梁段配筋相同，受拉区均采用双层配筋，上层布置16根直径为12mm 的钢筋，
间距为70mm ；下层布置8根直径为12mm 的钢筋，间距为140mm ；受压纵筋为3根直径为16mm 的钢筋，间距为80mm.纵筋的形心距为原桥的1/2.该缩尺模型构造如图6所示.
试验模型预制部分采用C50混凝土材料，现浇UHPC 内钢纤维采用直径为0.12mm ，长度为8mm 的直纤维，体积掺量为2.5%.钢筋等级为HRB400.T 梁预制部分浇筑完成并养护28d 后对界面使用电镐
进行凿毛处理.凿毛时尽量使得粗骨料部分露于表面，完成后用清水洗净.为了保证界面的黏结强度，在界面湿润的状态下浇筑UHPC ，自然养护2个月后进行模型试验.
浇筑试件时制作3个150mm 的C50立方体试块、3个150mm ×150mm ×300mm 、6个150mm ×150
mm ×400mm 的C50混凝土棱柱体试块和6个100mm 的UHPC 立方体试块、6个100mm ×100mm ×300mm 、6个100mm ×100mm ×400mm 的UHPC 棱柱体试块.与试件同条件养护，养护完成后按标准试验方法测得C50混凝土和UHPC 的基本力学性能如表4所示；纵向受拉主筋的实测屈服强度为430MPa ，极限抗拉强度为578MPa ，弹性模量为195.6GPa.
图6试验模型构造图（单位：mm ）Fig.6Test model construction diagram （unit ：mm ）
225立面图
A B C
1420
1325
57402900250
100
100
A
B
C
横断面B-B
横断面A-A 63
117515×70
2320
633×140238316
杂诗陶渊明250
2×80316
238
3×1406363
117515×70
20
232×80250
250
2×80316
693×1401175
3×7020
2357
3×140横断面C-C
代表预制C50
代表现浇UHPC 1325
1420
100
100
第3期邵旭东等：先简支后连续混凝土梁负弯矩区UHPC “T 形”湿接缝试验研究
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