0 引言

在叠合梁中，混凝土桥面板常常采用工厂预制的方式以保证生产质量^[1-2]。湿接缝是连接预制混凝土桥面板的关键构造，对桥面板之间力的传递以及荷载的横向分布起着十分重要的作用^[3-4]。若设计不合理，湿接缝容易出现开裂、渗水以及老化等病害^[5-6]。湿接缝中钢连接构件的形式，可分为钢板连接、普通钢筋连接和预应力钢筋连接。其中普通钢筋湿接缝是最常用的湿接缝形式，按照构造形式可分为：直钢筋连接、环形钢筋连接、锚固板连接、弧形钢筋连接。

直钢筋和搭接环形钢筋施工中将预埋在桥面板中的上、下层钢筋交错布置并相互搭接，通过焊接或绑扎固定。国内外对于钢筋搭接长度的设计大多参照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》^{[5, 7-8]}通过荷载试验得出规范过于保守，不适用于环形钢筋湿接缝的设计。直钢筋连接湿接缝主要是通过钢筋与混凝土之间的黏结作用传力，破坏形式为湿接缝混凝土剪切破坏或直钢筋拔出^[9]。搭接环形钢筋连接湿接缝主要是通过环形钢筋围成的核心混凝土柱受力，破坏形式为核心混凝土柱发生剪切破坏或U形钢筋拉断^[10-11]。不搭接环形钢筋连接与锚固板连接湿接缝受力机理均类似于拉压杆^[12-15]，但环形钢筋连接在受力性能和施工工艺上更为优异^[16]。文献[8]提出一种弧形钢筋连接形式，通过试验得出此类湿接缝在拉力荷载下，钢筋屈服时对应的荷载比直钢筋、环形钢筋大。

目前几类钢筋连接形式各有优势，但在施工中均存在搭接长度大、绑扎或焊接难度高等缺陷，本研究提出一种新型(L形)钢筋连接构造。环形、弧形和L形搭接钢筋将包裹混凝土形成核心区域混凝土；不同的钢筋连接构造，形成的核心区域混凝土的大小、形状不同，对湿接缝的力学性能产生不同的影响。目前国内外大多数文献采用模型试验的方法对钢筋连接湿接缝的承载能力和破坏模式进行研究。相较于有限元仿真分析方法，采用模型试验和理论计算的研究方法，很难准确获得钢筋连接湿接缝(特别是核心区域混凝土)空间应力分布、裂缝出现及开展的规律。因此，本研究将采用有限元软件ANSYS，对L形钢筋连接的叠合梁桥面板湿接缝力学性能开展仿真分析，对比研究L形钢筋与3种传统普通钢筋连接湿接缝的受力特征和破坏形态。另外，本研究还将对比分析L形与3种传统普通钢筋(直钢筋、环形钢筋和弧形钢筋)连接的混凝土湿接缝施工工艺。

1 施工工艺对比

混凝土桥面板中预埋的上、下层钢筋具有不同形状，并伸出一定长度，便于在湿接缝浇注前交错布置，相互搭接。湿接缝中采用不同钢筋连接方式，在施工工艺上存在较大差距，图 1为3种传统普通钢筋连接湿接缝和L形钢筋连接湿接缝示意图。

在直钢筋混凝土湿接缝中，相邻预制桥面板伸出的上、下层钢筋交错布置并相互搭接，设计上要求将每层相互搭接的钢筋通过单侧焊缝连接。上层钢筋的单侧焊缝连接比较方便，但是由于湿接缝狭窄的空间中布置了横向钢筋、纵向钢筋以及钢构件顶部的剪力连接件，使得下层钢筋的焊接操作空间十分有限，增大了施工难度。因此在实际操作中，往往通过绑扎的方式连接下层直钢筋，甚至不连接。

在环形钢筋混凝土湿接缝中，将相邻预制混凝土桥面板端部的预埋环形钢筋相互交错布置并通过绑扎或焊接的形式连接，湿接缝内部仍要设置贯穿钢筋。搭接环形钢筋的搭接长度较短，但需要绑扎或焊接钢筋的施工工序。不搭接环形钢筋混凝土湿接缝是将相邻桥面板端部的预埋环形钢筋相互交错布置，不需要对钢筋进行繁琐的绑扎或焊接工序，但需要较长的重叠长度。另外，环形钢筋刚度较大，在现场调整位置时难以弯折，施工难度较大。

在弧形钢筋混凝土湿接缝中，上层钢筋相互交错布置并通过绑扎或焊接的形式连接，下层钢筋采用绑扎连接甚至不连接。在施工过程中，下层钢筋需要均匀弯起一定角度，对施工精度要求较为严格。

对于L形钢筋混凝土湿接缝，仅将相邻预制桥面板端部的预埋上层直钢筋交错布置、相互搭接并通过单侧焊缝连接起来；而下层钢筋在端部垂直弯起至上层钢筋底端形成“L”形，可进行绑扎也可以不连接。相比直钢筋混凝土湿接缝，L形钢筋混凝土湿接缝搭接长度较短；相比环形钢筋混凝土湿接缝，L形钢筋混凝土湿接缝下层钢筋弯起难度较小；相比弧形钢筋混凝土湿接缝，L形钢筋混凝土湿接缝施工难度较低。因此，L形钢筋混凝土在实际工程施工过程中具有比较明显的构造优势。

2 湿接缝开裂荷载与承载力的理论计算方法

采用轴心受拉构件正截面计算公式^[17]可对普通钢筋混凝土湿接缝的开裂荷载及承载力进行计算。基于钢筋和混凝土不发生相对滑移，即应变相等的假设：

(1)

考虑材料本构关系：

(2)

(3)

式中，σ_s为钢筋应力；σ_c为混凝土应力；E′_c为混凝土割线模量，表示混凝土应力应变曲线上某点总应力与总应变之比；E_c为混凝土原点弹性模量，且E′_c=ν₀E_c；E_s为钢筋弹性模量；α_E为钢筋与混凝土的弹性模量之比，α_E=E_s/E_c；f_c为混凝土轴心抗压强度(棱柱体强度)；f_t为混凝土轴心抗拉强度；ν₀为弹性特征系数，等于混凝土弹性应变与总应变之比。当σ_c=0.5f_c时，ν₀=0.8~0.9；当σ_c=0.9f_c时，ν₀=0.4~0.9；当混凝土受拉开裂时，ν₀=0.5。一般情况下，混凝土强度愈高，ν₀值越大。

轴心受拉构件的纵向钢筋配筋率如式(4)所示：

(4)

式中，A_s为纵向受拉钢筋截面面积；A_c为混凝土截面面积，其值等于构件截面面积A减去受拉钢筋截面面积，即A_c=A-A_s。

构件开裂前，由界面受力平衡关系可得：

(5)

其中，换算截面面积如式(6)所示：

(6)

开裂荷载计算公式如式(7)所示：

(7)

相应地，开裂瞬间混凝土应力为σ_c=f_t，钢筋应力为σ_s=2α_Ef_t。这说明混凝土开裂前钢筋应力σ_s≤2α_Ef_t，远小于钢筋屈服强度。

荷载持续增加，混凝土湿接缝裂缝逐步发展直至混凝土全部退出工作，仅由钢筋承受外荷载。非搭接区域钢筋面积是搭接区域钢筋面积的一半，因此率先达到屈服强度，此时承载力公式为：

(8)

式中，N为轴向拉力设计值；N_u为极限承载力；f_y为钢筋抗拉强度设计值；γ₀为结构重要性系数；A_s为非搭接区域全部受拉钢筋的截面面积。

3 有限元仿真模型 3.1 有限元建模 3.1.1 几何模型及边界条件

所建几何模型从实桥湿接缝简化得到，包括湿接缝以及与湿接缝前后相邻的10 cm长(z方向)预制桥面板，如图 2所示。计算时约束计算模型底部AA′、BB′边线y方向位移，在预制桥面板端面ABCD和A′B′C′D′施加z方向面荷载，模拟前后两侧预制桥面板对湿接缝的张拉作用。

以L形钢筋连接湿接缝为例，图 3展示了湿接缝内部钢筋搭接构造。湿接缝的尺寸为：顺桥向(z方向)500 mm，横桥向(x方向)900 mm，高度方向(y方向)280 mm。顺桥向钢筋7根，直径为22 mm，按135 mm等间距布置；横桥向钢筋5根，直径为20 mm，按照(85+120+120+85)mm不等间距布置。本研究中涉及到的其他3种传统普通钢筋搭接构造细节略。

3.1.2 材料及单元属性

采用分离式模型建模，采用SOLID65单元(三维加筋混凝土实体单元，计算时关闭压碎选项)模拟C50混凝土，采用LINK8单元(三维杆单元)模拟HRB500钢筋。

C50混凝土单轴抗压强度f_c=23.1 MPa，单轴抗拉强度f_t=1.83 MPa，张开裂缝的剪力传递系数β t=0.5，闭合裂缝的剪力传递系数β_c=0.95，弹性模量E_c=3.45×10⁴ MPa，泊松比υ_c=0.2，拉应力释放系数采用缺省值T_c=0.6。

对混凝土单轴应力应变关系上升段和平稳段进行模拟，上升段采用《混凝土结构设计规范GB 50010—2010》规定的计算式，即：

当ε_c≤ε₀时

(9)

当ε₀ < ε_c≤ε_cu时

(10)

按照规范计算可得n=2，ε₀=0.002，ε_cu=0.003 3。上述曲线采用一系列数据点拟合以便输入，此处采用多线性等强化模型MISO模拟。

HRB500钢筋屈服强度f_y=500 MPa，弹性模量E_c=2.0×10⁵ MPa，泊松比υ_c=0.3。本研究采用双线性等向强化模型BISO模拟钢筋的应力应变关系。

3.1.3 网格划分及节点耦合

网格划分越精细，越容易造成应力集中，从而造成过早开裂^[18]。一般而言，混凝土构件网格划分尺寸不宜小于50 mm为宜。

由于假设钢筋与混凝土之间不发生相对滑移，可以采用共用节点的方式模拟钢筋与混凝土的共同作用。先建出混凝土湿接缝，再利用工作平面切出普通钢筋位置，并定义钢筋属性，钢筋及混凝土网格划分尺寸设定为50 mm。在环形钢筋、弧形钢筋以及L形钢筋湿接缝的模拟中，对于弯起部分的钢筋位置采用工作平面切分则会严重影响网格质量，更会增加计算时长，因此弯起部分钢筋采用与附近混凝土节点耦合的方式进行模拟。

3.2 计算精度验证

为了确保L形钢筋湿接缝有限元模型的正确性，用理论公式和模型试验^[8]得到的3类普通钢筋(直钢筋、环形钢筋、弧形钢筋)连接构造湿接缝的开裂荷载、承载力与采用本研究有限元模型计算结果进行对比，分别如表 1和表 2所示，以验证本研究有限元模型计算的准确性。

在开裂荷载计算方面，理论计算结果略微偏大，有限元计算结果与模型试验结果相近；具体而言，3类普通钢筋连接构造的有限元和模型试验结果比理论计算结果偏小约2.2%~5.2%；造成开裂荷载理论计算结果略微偏大的原因在于模型试验或有限元模拟中测试的开裂荷载为裂缝发展至混凝土表面可被肉眼观察到时的荷载大小，此时内部裂缝可能早已出现并有一定发展。在承载力计算方面，模型试验结果略微偏小，有限元计算结果与理论计算结果几乎相同；具体而言，直钢筋和环形钢筋的有限元计算结果模型试验大2.0%，而弧形钢筋的有限元计算结果比模型试验小1.9%；造成模型试验承载力略微偏小的主要原因是试验过程中现浇混凝土配比、养护条件等均有可能影响混凝土的实际抗拉强度，与C50混凝土理论上的力学性能存在一定差异。总体而言，3种方法得到的开裂荷载和承载力吻合比较好。

验证结果表明，本研究有限元方法能够较好地模拟出各类普通钢筋湿接缝开裂荷载和承载能力。

4 湿接缝受力特征分析 4.1 湿接缝表面开裂前

L形钢筋连接的湿接缝开裂前混凝土应力及钢筋应力分别如图 4和图 5所示。图中黑色实线框内的A区域为纵向(z方向)钢筋搭接区域，点线框内的E区域为L形钢筋布置区域，点画线框内的B区域为非搭接区域。搭接区域混凝土应力较小，约为1.37 MPa，其主要原因在于搭接区域钢筋数量是非搭接区域的2倍，相当于换算截面面积较大，在拉力荷载作用下混凝土所受拉应力较小。在搭接区域中，上下层横向钢筋所处的位置(如图 4(b)圆圈标注的位置)混凝土应力明显增大，是因为横向钢筋阻碍了混凝土在拉力荷载作用下的横向(x方向)收缩。混凝土最大应力出现在非搭接区域与L形钢筋布置区域的交界处(如图 4(b)应力云图中深色位置)，此处由于L形钢筋向上垂直弯起，纵向钢筋数量突然减半，因此截面换算面积突然减小，混凝土应力增大，最大为1.82 MPa，即将开裂。

在这个阶段，钢筋应力如图 5所示。通过本研究有限元计算对比分析得出，L形搭接钢筋应力与其他3类钢筋连接混凝土湿接缝相似，即由于中部纵向(z方向)直钢筋交错重叠布置，搭接区域纵向钢筋数量是非搭接区域纵向钢筋的2倍，因此非搭接区域钢筋应力较大(对于L形搭接钢筋最大为23.34 MPa)，搭接区域钢筋应力较小(对于L形搭接钢筋约为12.28 MPa)。钢筋混凝土湿接缝在拉力作用(沿z方向)下，沿横桥向(x方向)收缩，此时横向钢筋阻碍其收缩趋势，于是横向钢筋受压，最大压应力约为2.24 MPa。同时，湿接缝沿高度方向(y方向)收缩，此时弯起的L形钢筋阻碍其收缩趋势，因此也受压，最大压应力为1.54 MPa，如图 5(b)所示。

4.2 湿接缝表面开裂后

继续加载直至湿接缝表面开裂，此时荷载为491 kN，表面裂缝分布如图 6所示，可见开裂位置主要位于非搭接区域，搭接区域与L形钢筋布置区域混凝土几乎没有开裂，这与其他3类钢筋连接混凝土湿接缝开裂位置类似。相互搭接的L钢筋弯起至上层钢筋则包裹住内部混凝土形成核心混凝土区域，该区域受到钢筋约束，开裂较少。

混凝土及钢筋应力云图如图 7所示。在拉力作用下，钢筋搭接区域混凝土未开裂，仍可承受拉应力，最大拉应力为0.90 MPa。而非搭接区域混凝土开裂严重，退出工作，应力几乎为0 MPa(如图 7(a)云图中深色区域)。此时纵向钢筋拉应力相比开裂前显著增大，非搭接区域纵向钢筋最大拉应力达到48.20 MPa。横向钢筋相比开裂前应力有所降低，约为1.13 MPa，主要原因在于非搭接区混凝土开裂后受到的拉应力比开裂前减小，因此横向变形也比开裂前减小，则横向钢筋所受压应力降低。

将采用L形钢筋连接的湿接缝开裂荷载与采用已有3类普通钢筋连接的湿接缝开裂荷载对比如表 3所示，可见L形钢筋开裂荷载比环形钢筋小4 %，而与直钢筋、弧形钢筋基本一致。

4.3 纵向钢筋屈服

荷载增加至2 660 kN时，非搭接区域的纵向钢筋达到屈服应力500 MPa，此时混凝土湿接缝开裂非常严重，裂缝分布如图 8所示。

由图 9可见，该阶段钢筋应力的显著特征为非搭接区域纵向钢筋HI段、HI′段达到屈服荷载500 MPa。此时搭接区域纵向钢筋HH′段拉应力约为278 MPa，并未达到屈服荷载。对于弯起的L形钢筋(GH和G′H′)，由于混凝土开裂严重，几乎退出工作，于是其沿高度方向(y方向)不再有收缩趋势，因此HG段、HG′段钢筋应力几乎为0 MPa。

对比结果表明，L形钢筋与3类普通钢筋混凝土湿接缝在外荷载作用下受力情况及开裂位置均相似。加载初期，钢筋混凝土湿接缝受拉，钢筋搭接区混凝土拉应力较小，非搭接区混凝土拉应力较大，纵向钢筋受拉，但拉应力较小，横向钢筋受压。随着荷载增大，裂缝逐渐出现，主要分布在搭接区域与非搭接区域的交界处，此截面上钢筋数量发生突变，是湿接缝的薄弱区域。此后混凝土开裂愈发严重，混凝土几乎全部退出工作，钢筋承受全部荷载，直至非搭接区域钢筋屈服，结构破环。

5 结论

将本研究提出的L形钢筋混凝土湿接缝与其他3类普通钢筋混凝土湿接缝的受力性能、构造形式及施工工艺进行对比，整理如表 4所示。

综合比较4类普通钢筋混凝土湿接缝的受力性能、搭接长度与施工工艺可得出如下结论：

(1) 4类普通钢筋混凝土湿接缝受拉时最先开裂的部位在钢筋的非搭接区，在湿接缝截面尺寸相同，配筋率相同的条件下，开裂荷载在499 kN(表 1中3类湿接缝开裂荷载平均值)左右，误差在2 %以内，且开裂荷载与钢筋混凝土轴心受拉构件的开裂荷载理论值564 kN较为接近。

(2) 4类普通钢筋混凝土湿接缝在达到承载力极限状态时的拉力只与非搭接区普通钢筋的面积和强度的乘积有关，即承载力等于非搭接区钢筋屈服时承受的拉力。

(3) 与直钢筋、环形钢筋和弧形钢筋连接的湿接缝相比，L形钢筋湿接缝具有相似的受力性能，但其钢筋加工与湿接缝施工工艺简单，是一种值得推广的湿接缝钢筋布置方式。