0 引言

作为地下工程结构，装配式隧道拼接接头形式应具有良好的力学性能、防水性能及施工便捷性。装配式隧道拼接接头主要有预应力胶接连接^[1]、凹凸榫螺栓连接^[2]、注浆式榫槽连接^[3]等几种形式。对于装配式桥梁、房屋建筑等地上建筑，《预制拼装桥梁技术标准》(DG/TJ 08-2160—2021) 中有采用灌浆钢套筒连接形式，《装配式超高性能混凝土市政桥梁结构技术规程》 (DBJ/T 15-244—2022)和《装配式混凝土结构钢筋错位连接技术规程》 (T/CECS 1222—2022)中有采用UHPC钢筋错位互锚连接形式。以上拼接形式中，UHPC钢筋错位互锚连接形式为湿拼，其余形式均为干拼。干拼方式接头受力性能不如湿拼可靠，由于其对构件精度要求极高，工厂预制、现场拼装难度均较大，每块预制构件装配施工时精确对位、调整及后续预应力张拉、灌浆等需要耗费大量时间，有时甚至出现因预制误差而拼接不上等问题。工程实践中普遍发现干拼方式施工速度反而较慢，且由于拼缝难以做到严丝合缝而防水效果较差，即便采用了环氧胶等接缝材料，也难以保证其密实性能达到地下工程的防水要求。

超高性能混凝土(UHPC)是一种新型高性能纤维增强水泥基复合材料。与普通混凝土相比，UHPC具有超高抗压强度和抗拉强度、低渗透性、高耐久性等特点^[4-8]，应用在桥梁隧道工程中有很大优势^[9-12]。由于UHPC材料昂贵，将其用于直接制造主体结构部件会导致工程建设成本增加较多，利用UHPC的性能优势将其用于装配式结构的节点连接是其中较为合适的做法^[13-16]。

本研究依托广州市某交叉口立交工程装配式隧道项目，在研究并综合分析各种预制构件拼接形式优缺点、适用性的基础之上，结合装配式市政明挖隧道自身的特点，提出了预制构件预留槽内带锚固板主筋互锚并后浇UHPC拼接形式。构件表层主筋10 cm范围预留为后浇槽，主筋伸出外露，端部安装锚固板，核心混凝土为预制，拼装完成后上下主筋在后浇槽内交错搭接。后浇槽以UHPC浇注，而预制核心混凝土之间则通过高强砂浆连接，从而使整个拼接缝连为整体。该拼接形式是对UHPC钢筋错位互锚连接形式的进一步优化，接头中保留了核心部分普通混凝土，增设了钢筋端部锚固板，进一步增强了该拼接形式的适用性，其主要优点如下。

(1) 该拼接方法充分利用了UHPC自密实性高和渗透性低的优势，解决了地下工程预制构件拼接接头防水问题。

(2) 利用UHPC强度高，对钢筋锚固长度要求较普通混凝土大幅减少的特点，结合钢筋端部设置锚固板，解决了装配式建筑湿拼技术中狭小后浇槽内普通钢筋锚固长度不足的问题，充分发挥了普通钢筋作用，提高了结构安全性和可靠性。

(3) 该种干湿结合的拼接方式，预留构件核心混凝土可作为拼接过程中的临时支点，预留槽采用UHPC浇注，可大幅减少UHPC用量，节省造价。

(4) UHPC强度增长快，有利于加快拼装速度。

(5) 由于对施工精度要求不高，该拼接形式可调节性及适应性较强，对于一般市政隧道均可采用“等宽构件+楔形缝”方式进行平纵曲线的拟合，而无需采用楔形构件，大幅提高了装配式隧道的标准化程度。

本研究通过12个节点试件的拉拔试验考察钢筋搭接长度和UHPC厚度对节点锚固性能的影响。通过6个梁板试件受弯性能试验验证连接方式的可靠性，详细评价UHPC厚度、节点纵筋搭接长度对梁板构件受弯性能的影响。研究结果可为该新型装配式构件UHPC连接形式的推广应用提供技术支撑。

UHPC能用于装配式结构的节点连接前提是钢筋与UHPC需要有可靠黏结性能以保证二者协同受力，共同工作。黏结性能不足会使钢筋与UHPC之间产生较大滑移，使结构因锚固性能不足而提前发生破坏。UHPC基体致密及内部钢纤维的阻裂作用，使得钢筋与UHPC的黏结性能较普通混凝土好^[17-19]。Bae^[20]通过拉拔试验发现UHPC与钢筋黏结强度随UHPC抗压强度和保护层厚度增加而增大，但增长速度逐渐下降，与普通混凝土表现相似。Alkaysi^[21]通过拉拔试验对比了1%和2%钢纤维体积含量下UHPC与钢筋的黏结强度，发现钢纤维掺量由1%增至2%，黏结强度增大36%。安明喆^[22]认为普通热轧变形钢筋与UHPC的黏结力随着钢筋锚固长度增加而增大，但黏结强度有所下降。

上述已有研究主要采用拔出试验的方式研究钢筋的锚固性能，而对钢筋通过UHPC进行锚固搭接的拔出试验和梁板抗弯试验还非常少。

1 试验方案 1.1 试件设计制作 1.1.1 拉拔试件设计制作

试验设计4组共计12个钢筋拉拔试件。试件的设计参数为UHPC厚度和纵筋搭接长度，拉拔试件信息如表 1所示。表中编号命名以“试件长度-UHPC厚度-纵筋搭接长度”表示，例如U40H10L15代表试件长度为40 cm，UHPC厚度为10 cm，纵向钢筋搭接长度为15 cm。

1组和2组对比研究纵筋搭接长度对节点锚固性能的影响，2~4组对比研究UHPC厚度对节点锚固性能的影响，拉拔试件尺寸和配筋如图 1所示。所有试件纵筋端部均设置有锚固板，型号为M14，材料为45^#钢，螺距为2.5 mm，外径为33.0 mm，厚度为15.5 mm，采用热锻工艺。

1.1.2 梁板试件设计制作

分别设计3根梁和3块板，梁板试件信息如表 2所示。表中编号命名规则为：B代表试件为梁，S代表试件为板，U代表UHPC，H代表UHPC连接层厚度，L代表纵筋搭接长度。梁板设计参数均为UHPC连接层厚度和纵筋搭接长度。梁板试件尺寸和配筋如图 2所示。梁板预制部分采用普通混凝土，节点连接采用UHPC。通过材性试验确定普通混凝土和UHPC的立方体抗压强度分别为41.24 MPa和143.95 MPa。纵筋和横向钢筋均采用HRB400级直径16 mm钢筋，通过材性试验确定其屈服强度为424.52 MPa，极限强度为597.57 MPa，弹性模量为249.76 GPa。预制梁板构件连接处纵向钢筋的端部均设置M14型锚固板。

1.2 加载测试装置 1.2.1 钢筋拉拔试验

本试验采用WAW-1000微机控制电液伺服万能材料试验机对UHPC水平接缝钢筋拉拔试件进行加载。拉拔试件加载测试装置如图 3所示。采用位移控制加载模式，加载速率为0.5 mm/min。

1.2.2 梁板四点弯曲试验

梁板四点弯曲试验采用2个1 000 kN的液压千斤顶对构件进行加载，以单个千斤顶的荷载数值作为构件承受的荷载，试件加载装置如图 4所示。加载方式采用单点连续加载。在正式加载之前，预加载至5 kN并保持5 min，检查测试装置和仪器。正式加载阶段，在试件屈服前采用力控制，加载速度为5 kN/级，试件屈服后采用位移控制加载，加载速度为1 mm/级直至试件破坏。

在支座顶端，跨中和左右各1/4跨的底部布置位移传感器(编号L1~L5)进行竖向变形监测。对UHPC连接试件，在试件底部UHPC和普通混凝土连接处左右对称设置2个位移传感器(编号L6~L7)，监测界面变形。

2 试验现象与破坏形态 2.1 拉拔试件试验现象与破坏形态

4组拉拔试件的破坏模式主要为钢筋拉断破坏，其中U40H10L30-1，U40H10L15-3，U40H20L30-2这3个试件由于夹具滑移失效发生提前破坏。试件破坏时，加载端UHPC均呈现出散射状裂缝，试件侧面均未观察到开裂。UHPC厚度和纵筋搭接长度对试件破坏形态无显著影响。

2.2 梁板试件试验现象与破坏形态

梁板试件破坏形态如图 5所示，所有试件的破坏模式均为弯曲破坏。试件的破坏过程可分为弹性阶段、开裂阶段、屈服阶段3个阶段。对于UHPC连接梁板试件，加载开始时试件处于弹性阶段。竖向变形随荷载的增大而线性增大。在加载点附近，UHPC与普通混凝土界面底部开始产生竖向裂缝。随着荷载增大，加载点外侧开始出现裂缝，试件荷载-位移曲线的斜率随着裂缝产生和扩展而不断降低。荷载继续增大，纵向钢筋屈服，试件进入屈服阶段。裂缝沿试件向上迅速扩展，裂缝宽度不断扩大，主裂缝由UHPC与普通混凝土界面底部向上贯通。最后，受压区普通混凝土被压坏，终止试验。对于整浇梁板试件，裂缝首先出现在梁底部跨中附近，为竖向裂缝。当荷载继续增加，2个加载点外侧附近产生少量弯曲裂缝并逐步发展为斜裂缝，加载点内侧产生大量弯曲裂缝且快速发展。试件屈服后，裂缝宽度不断扩大，跨中裂缝发展为主裂缝并接近竖向贯通，最终受压区混凝土被压碎剥落，试件破坏。

对比整浇试件和UHPC连接试件可以发现，UHPC接缝在试验过程中未发现开裂，而整浇试件跨中则产生较多裂缝且主裂缝也在跨中附近，如图 5(a)和图 5(d)所示。

3 试验结果及分析 3.1 拉伸试验

各组拉拔试件的试验结果如表 3所示。破坏形态为钢筋拉断破坏的试件极限荷载相近，即为钢筋拉断所需的荷载。除个别夹具滑移失效破坏的试件，加载点的位移均在30 mm以上，主要为钢筋颈缩拉伸的变形，滑移变形很小。这说明在UHPC层厚度不低于10 cm、横向钢筋间距为5 cm且纵筋搭接长度不低于15 cm的情况下，可以保证UHPC与钢筋间良好的锚固性能。

4组拉拔试件的荷载-加载点位移曲线如图 6所示。各组试件的曲线呈现出弹性、屈服和破坏3个阶段，且屈服荷载、极限荷载和极限滑移相差不大。U40H20L30组试件在弹性阶段斜率最为陡峭，可能是因为该试件厚度大，刚度更高所致。

3.2 梁板受弯试验

各组试件的荷载-跨中位移曲线如图 7所示。所有试件的加载过程均经历了开裂、屈服、极限3个阶段。加载开始时，所有试件均处于弹性阶段，UHPC连接试件的初始抗弯刚度略高于整浇试件，这是由于UHPC刚度要高于普通混凝土且与普通混凝土间黏结良好。在纵向钢筋屈服之前，初始开裂会导致试件抗弯刚度略有降低。达到屈服荷载后，试件的刚度显著降低。

试件的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载如表 4所示。S-U-H10-L15和S-U-H10-L30的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载均高于S-U-H0-L0。S-U-H10-L15的屈服荷载为172.234 kN，较S-U-H0-L0提高了17.54%。这表明15 cm钢筋搭接长度可以保证UHPC与纵向钢筋的良好黏结。S-U-H10-L30的极限荷载较S-U-H10-L15提高了5.78%，这表明增加纵向钢筋的搭接长度可以提高试件的抗弯承载力。

B-U-H10-L30和B-U-H15-L30的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载均高于B-U-H0-L0，其中B- U-H10-L30的屈服荷载和极限荷载最高，较B-U-H0-L0分别提高了11.95%和9.55%。这表明采用10 cm和15 cm厚UHPC拼接的梁极限承载力可以达到整浇梁的抗弯承载力，符合工程实际要求。B-U-H15-L30比B-U-H10-L30的开裂荷载略有提升，而屈服荷载和极限荷载有所下降，这是因为UHPC层厚度增加提升了梁的抗弯刚度，同时由图 8(c)可以观察到由于接缝处高度增加使得梁受压区破坏位置更接近相对薄弱的UHPC与普通混凝土界面处，导致梁抗弯性能有所降低。

试验过程中通过布置钢筋和混凝土应变片监测二者的变形，应变测点布置如图 8所示。梁板试件的应变发展趋势相似，以试件S-U-H0-L0(见图 8(a), Z1~Z7为应变测点)和S-U-H10-L15为例，对比分析钢筋和混凝土在加载过程中的应变发展规律。试件S-U-H0-L0混凝土应变的测点布置与S-U-H10-L15相同。试件S-U-H0-L0和S-U-H10-L15应变测试结果如图 9所示。

试件S-U-H0-L0开裂前，钢筋应变随荷载线性增加，开裂后，钢筋应变增加较快。对于S-U-H10-L15试件，在纵筋搭接范围外的4个测点(L1，L3，R1，R3)钢筋应变与S-U-H0-L0试件相似；在搭接范围内的4个测点(L2，L4，R2，R4)的应变较小，且钢筋基本处于弹性阶段，未屈服。这是由于纵向钢筋在UHPC接缝中是重叠的，连接处配筋率是整浇板的2倍，故应变较小。

试件S-U-H0-L0混凝土应变测点A1受压，A2、A3和A4受拉且A4测点拉应变增加较快，这与观察到的试件底部首先出现开裂的现象是一致的。对于S-U-H10-L15试件，A1测点与A4测点位于UHPC层，A2测点和A3测点位于普通混凝土。随着荷载增加，A1测点混凝土受压，A2测点混凝土由初始受压后期转变为受拉，A3测点和A4测点混凝土受拉。A4测点处的应变小于A3测点处的应变，验证了试验过程中UHPC层未开裂的试验现象。

4 接缝承载机理分析 4.1 拉拔试验钢筋锚固长度分析

《混凝土结构设计规范》 (GB 50010—2010)和《装配式超高性能混凝土市政桥梁结构技术规程》(DBJ/T 15-244—2022)锚固长度计算公式为：

(1)

(2)

式中L为锚固长度；ζ_a为锚固长度修正系数；L_ab为基本锚固长度；α为钢筋外形系数；f_y为钢筋屈服强度；f_t为UHPC抗拉强度；d为锚固钢筋的直径。

按照规范规定，当纵向受拉普通钢筋末端采用弯钩或机械锚固措施时，包括弯钩或锚固端头在内的锚固长度可取为基本锚固长度L_ab的60%。根据材性试验及规范规定，本研究中α=0.14，f_y=424.52 MPa，d=16 mm。根据材性试验，UHPC立方体抗压强度标准值为143.95 MPa，根据《装配式超高性能混凝土市政桥梁结构技术规程》(DBJ/T 15-244—2022)计算得f_t=6.898 MPa。按规范计算得L_ab=138 mm，包括弯钩或锚头在内的锚固长度L=0.6L_ab=83 mm，即5.2倍直径。

拉拔试验中为了模拟工程实际采用设计，U40H10L15拉拔试件钢筋锚固长度L=275 mm，即17.2倍直径，U40H10L30，U40H15L30，U40H20L30拉拔试件钢筋锚固长度为350 mm，即22倍直径，且钢筋端部均设置了锚固板，锚固长度远大于规范计算值，故均表现为钢筋拉断破坏。不同搭接长度试件极限荷载未表现出随搭接长度增大而增大的明确规律，其原因在于最终极限荷载是由钢筋强度控制而不是由锚固长度控制的。

4.2 弯曲试验极限荷载分析

弯曲试验采用UHPC后浇槽内钢筋交错互锚连接，400 mm宽UHPC后浇槽中钢筋搭接长度S-U-H10-L15试件为150 mm，S-U-H10-L30，B-U-H10-L30，B-U-H15-L30试件为300 mm。《装配式超高性能混凝土市政桥梁结构技术规程》(DBJ/T 15-244—2022)有关于钢筋采用错位互锚连接的具体规定，与本试验及其依托的工程项目设计情况对照如下。

(1) 锚固长度。交错布置钢筋的锚固长度应符合规范规定。根据5.1节的阐述，锚固长度均满足该规范规定。

(2) 重叠长度。交错布置钢筋的重叠长度不应小于0.75倍接缝宽度，即接缝宽度为400 mm时，重叠长度不小于300 mm。工程项目的设计中重叠长度为300 mm，满足规范规定，而本试验中重叠长度除了300 mm试件外，还设置了重叠长度150 mm的对照组。

(3) 钢筋净距。交错布置钢筋的净距不应小于1.5倍最大纤维长度，且不应大于钢筋重叠长度。本试验及工程设计中最大纤维长度为13 mm，故S-U-H10-L15试件钢筋净距应为19.5~150.0 mm，S-U-H10-L30，B-U-H10-L30，B-U-H15-L30试件钢筋净距应满足19.5~300.0 mm范围，试验中钢筋净距为48.2 mm，满足规范规定。

(4) 保护层厚度。交错布置钢筋的保护层厚度不应小于2倍钢筋公称直径。本试验中钢筋直径为16 mm，保护层厚度为40.8 mm，满足规范规定。

综上所述，除搭接长度150 mm构件不满足规范关于重叠长度的规定外，其余均满足规范规定。熊二刚^[23]研究中钢筋直径为16 mm，钢筋极限搭接长度为直径的5倍，即80 mm，且未设置锚固板。这说明本试验中试件搭接长度150 mm虽不满足规范规定，但超过了参考文献中的搭接长度。试验中不同搭接长度试件极限荷载未表现出随搭接长度增大而增大的明确规律，这表明本试验中所采用设计均可保证钢筋充分发挥作用，参考规范关于重叠长度的规定可能偏保守。

4.3 弯曲试验裂缝开展分析

弯曲试验中，整浇梁(板)裂缝首先出现在跨中处，而拼接梁(板)裂缝首先出现在UHPC与普通混凝土界面处，针对该界面首先出现裂缝的问题，从以下几个方面分析其产生的原因。根据梁板试件加载测试装置图(见图 4)可知，试验梁板弯矩及剪力分布如图 10所示。

试件加载点之间区段为弯矩值相同的纯弯曲，对于整浇梁，由于主筋配置相同，但跨中挠度最大，故首先于跨中出现竖向裂缝，而加载点处由于弯矩、剪力均最大，故首先出现斜裂缝。对于拼接梁，加载点之间可分为普通混凝土段、UHPC段及二者界面，由于加载点之间区段弯矩不变，但UHPC段更强，故UHPC段未开裂，普通混凝土段及界面由于界面处挠度最大，故首先出现竖向裂缝，而加载点处由于弯矩、剪力均最大，故同样首先出现斜裂缝。界面处首先出现竖向裂缝，除了因为该处位于UHPC段挠度最大处外，还受到界面黏接力的影响，界面处黏接力与UHPC及普通混凝土浇注的先后顺序、界面处凿毛、浇注密实程度等因素有关。本试验中为预制普通混凝土构件槽内后浇UHPC，且界面处采用了良好的凿毛措施，故可保证界面黏接力不低于普通混凝土段，界面混凝土抗拉强度应介于普通混凝土与UHPC之间。从微观上进行分析，构件受力后，界面处应力会牵引界面侧边纯普通混凝土开裂，由于二者距离很近，从宏观上来看，表现为从界面处开裂。

4.4 弯曲试验应变结果分析

观察图 9(b)弯曲试验中受拉底边钢筋的应变情况，ε_R3≈2 400 με，ε_R4≈200 με，符合钢筋锚固段普遍应变分布规律，钢筋实测应变与一般锚固段应变规律对照如图 11所示。由图可见，弯曲试验中钢筋端部应变几乎为0，锚固长度能满足锚固需要，印证了弯曲试验中各试验试件极限荷载未表现出随搭接长度增大而增大的明确规律。

5 结论

本研究通过12个拉拔试件考察了钢筋搭接长度和UHPC厚度对新型拼接接头节点锚固性能的影响。结合6个梁板试件的受弯性能试验验证了连接方式的可靠性，详细评价了UHPC厚度和接缝纵筋搭接长度对试件破坏模式、开裂荷载、屈服荷载和极限承载力等的影响。

(1) 拉拔试件的破坏形态主要表现为钢筋拉断破坏，在UHPC层厚度不低于10 cm，横向钢筋间距为5 cm且纵筋搭接长度不低于15 cm的情况下，可以保证UHPC与纵筋间的良好黏结。

(2) 梁板试件的破坏过程可分为弹性、开裂和屈服3个阶段。所有试件均表现为受拉钢筋先屈服而后受压区普通混凝土被压碎的破坏形态。整浇梁板试件的裂缝首先出现在跨中，装配式UHPC连接试件的裂缝首先出现在UHPC与预制部分的接缝附近。

(3) 对比整浇梁板试件，装配式UHPC连接试件的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载均有所增加，表现出良好的抗弯性能，满足了抗弯性能等同现浇的设计要求。