负弯矩作用下连续梁中环氧树脂混凝土增强连续接缝的抗剪性能

《Journal of Building Engineering》：Shear performance of epoxy resin concrete–strengthened continuity joints in continuous beams under negative moments

连续梁桥负弯矩区ERC加强接缝的力学性能与开裂荷载预测研究，通过实验与数值分析验证了ERC对裂缝控制及变形改善的作用，提出开裂荷载计算公式并评估规范适用性。

　　

谢凯中|黄康|秦月|罗先燕|龙国强|孟德生|海家成

广西大学土木建筑工程学院，中国南宁530004

摘要

在负弯矩连续接头中，开裂和变形是服役中连续梁桥的重要性能问题，而针对这类接头的加固措施却相对较少受到关注。本研究旨在探讨环氧树脂混凝土（ERC）加固连续接头在负弯矩作用下的抗剪性能、裂缝控制行为及其力学贡献。为此，对十个带有ERC加固接头的连续梁试件和一个普通混凝土参考试件进行了五点弯曲试验。研究了破坏过程、裂缝发展及变形响应，并通过有限元分析阐明了ERC接头的力学作用。提出了ERC加固负弯矩接头的开裂荷载预测公式，并评估了各种基于规范的规定在带有ERC加固接头的连续梁中的适用性。试验结果表明，所有试件最终均表现出以剪切破坏为主，其中普通混凝土区域的裂缝为对角裂缝。与参考试件相比，加固接头的试件在接头区域的抗裂性和变形控制能力有所提高。接头区域的平均最大裂缝宽度从0.80毫米减小到0.19毫米，开裂荷载增加了134.63%。有限元模型能够准确再现试验结果，提出的开裂荷载表达式与试验结果相差在7%以内。对于所研究的试件，评估的剪切设计规定较为保守，安全裕度超过1.27倍。这些发现为连续梁桥中开裂连续接头的加固提供了实验依据和设计指导。

引言

简支-连续梁桥在市政和公路工程中得到广泛应用，因为它们减少了伸缩缝的数量，从而提高了行驶舒适性，并且与预制和快速施工技术兼容[1]，[2]。在这种桥梁系统中，通常通过在相邻梁之间浇筑现场连接接头来实现连续性，使结构从简支状态转变为连续状态[3]，如图1所示。这些连接接头在系统转换、预应力作用、温度变化和长期服役过程中起着关键作用，因此被视为简支-连续梁桥中的关键结构部件[4]。然而，工程实践表明，服役中的连续梁桥经常因车辆超载、疲劳荷载和环境温度变化而在接头区域的桥面板出现混凝土开裂、异常变形和渗水现象[5]，[6]。这些缺陷会显著影响桥梁的结构性能和耐久性。

为了解决连续梁桥中负弯矩连续接头易开裂的问题，人们对其加固细节和界面处理进行了大量研究[7]，[8]。Di等人[9]研究了四种U形接头在弯曲和剪切联合作用下的力学行为，发现T形接头配置有效提高了开裂荷载并抑制了界面裂缝的扩展。Wang等人[10]研究了表面粗糙处理、环氧树脂涂层和联合处理对钢-UHTCC复合桥面板湿接头的性能影响，证明联合表面粗糙处理和环氧树脂处理显著降低了界面裂缝宽度的增长速率。Jiang等人[11]研究了带有直形、U形和端锚固加固细节的湿接头的弯曲性能，发现U形加固效果最佳，其次是端锚固加固。

随着先进材料的快速发展，越来越多的人开始关注采用高性能材料的新型接头配置[12]，[13]。Xu等人[14]为预制梁设计了一种新型的跨内UHPC连接方式，发现与现场浇筑的接头相比，新型预制梁在变形和裂缝扩展控制方面表现更优。Qiu等人[15]开发了一种T形钢板-UHPC复合桥面板接头，该接头在施工过程中无需临时支撑和模板；其开裂后的刚度和极限承载能力与现场浇筑的钢筋混凝土桥面板相当，同时具有更好的延性。Contento等人[16]对连续复合桥中的UHPC梁-梁连接进行了全尺寸实验和数值研究，发现UHPC接头在初始开裂时的旋转角度比钢筋混凝土接头降低了约66%。这些研究为提高新建系统中连续梁接头的性能提供了宝贵的见解。同时，也开发了多种针对有缺陷的RC梁的局部加固技术[17]，[18]，[19]，包括套管加固、近表面加固、外部后张拉以及SHCC/钢基加固系统，这些技术能够提高抗剪性能、裂缝控制和延性。然而，这些研究主要集中在新建接头或传统的有缺陷RC构件上，对于服役中已开裂的负弯矩连续接头的加固关注较少，而快速裂缝重新开启、界面荷载传递和耐久密封是亟待解决的问题。此外，加固材料、接头几何形状和界面配置对这些接头力学响应的综合影响尚未得到充分量化。

环氧树脂混凝土（ERC）是一种高性能复合材料，以环氧树脂作为粘合剂，结合骨料制成[20]。与传统波特兰水泥混凝土相比，ERC具有更优异的耐腐蚀性、不透水性、抗冻融性、粘结性能，以及较高的强度和早期强度[21]，[22]。因此，ERC被广泛应用于裂缝修复和路面工程等加固领域[23]，[24]。先前的研究已广泛探讨了ERC的基本力学性能，并建立了其压缩和拉伸行为的本构模型，同时也有一些在复合结构系统中的探索性应用[25]。Zheng等人[25]发现，环氧树脂混凝土在暴露于各种侵蚀性介质（包括新鲜水和海水）时，其耐久性优于普通波特兰水泥混凝土。Chen等人[26]通过实验和有限元分析研究了钢筋与ERC之间的粘结-滑移行为，发现ERC的粘结强度约为普通混凝土的3.23倍。Shao等人[27]研究了ERC与现有水泥混凝土之间的粘结性能，平均界面粘结强度为1.72 MPa，满足结构修复的要求。Gil-Martín等人[28]研究了用ERC加固的钢筋混凝土梁-柱接头的循环性能，发现ERC在接头区域表现出良好的抗剪性能，显示出其在局部加固方面的潜力。Chen等人[29]评估了用ERC作为后浇材料的预制复合梁的抗震性能，发现其能量耗散能力、滞后行为和裂缝扩展控制能力均优于普通混凝土。这些研究表明，ERC在结构工程应用中具有巨大潜力。

虽然基于UHPC的湿接头在新建连续系统中得到了广泛研究，但对于已开裂的服役中负弯矩连续接头的加固措施——其中快速裂缝重新开启和耐久密封至关重要——仍然较少。ERC提供了一种基于聚合物的替代方案，具有较高的抗拉能力和优异的粘结/不透水性，但其在连续接头中的力学贡献尚未得到充分量化，且缺乏基于设计的开裂预测方法。特别是，加固连续接头的力学响应不仅受加固材料本身的影响，还受接头几何形状和界面配置的影响，因为这些因素直接影响界面荷载传递、裂缝起始和负弯矩区域的变形控制。

本研究对带有ERC加固负弯矩连续接头的连续梁进行了五点弯曲试验，并结合数字图像相关（DIC）测量和验证的有限元模拟，以阐明主导破坏机制以及ERC在裂缝和变形控制中的作用。推导出了适用于非均匀截面的封闭形式开裂荷载模型，并通过试验进行了验证，同时评估了代表性的剪切设计规定。本研究的新颖性体现在三个方面：（i）提出ERC作为服役中开裂负弯矩连续接头的局部加固材料；（ii）明确其对抗裂性、变形控制和破坏行为的影响；（iii）开发封闭形式的开裂荷载预测模型，并评估现有剪切设计规定在ERC加固连续梁中的适用性。总体而言，本研究为连续梁桥中连续接头提供了基于性能的加固证据和实用的预测工具。

试件设计与制造

共设计并制造了十一个连续梁试件，其中十个试件带有ERC接头，一个试件带有普通混凝土（OC）接头。所有试件的整体尺寸相同，总长度为3000毫米，高度为400毫米，宽度为250毫米。梁体采用普通混凝土浇筑，钢筋布置符合设计要求。

破坏模式

所有试件在五点弯曲作用下的破坏过程如图6所示。所有试件最终均表现为以剪切破坏为主，其中OC区域的裂缝为对角裂缝。初始裂缝首先出现在两个跨度中间的底部表面，呈纵向弯曲裂缝。随着荷载的增加，这些纵向裂缝逐渐向外扩展。随后，在加载点和中间支座之间形成了斜向剪切裂缝。

有限元分析

鉴于试件数量有限且实验观察到的破坏模式一致，使用ABAQUS软件进行了三维有限元分析，以进一步研究带有ERC加固连续接头的连续梁。有限元模型用于量化混凝土强度、深度与跨度比以及接头几何形状对结构响应的影响。

ERC加固连续接头开裂荷载模型

为了预测ERC加固连续接头的分裂荷载，开发了一个简化的弹性模型。采用变换截面方法考虑了材料的不均匀性，其中OC作为参考材料，ERC层和钢筋通过模块化比例进行变换，如图19所示。

中间支座处的负弯矩临界截面由三个部分组成：（i）厚度为的ERC层；（ii）OC层

结论

本研究对十一个连续梁试件进行了五点弯曲试验，包括十个带有ERC接头的试件和一个OC参考试件。系统研究了破坏行为、裂缝发展、荷载-挠度响应和应变分布。通过有限元分析进一步阐明了破坏机制，并提出了ERC加固连续梁在负弯矩区域的分裂荷载预测模型。

CRediT作者贡献声明

谢凯中：监督、方法论、资金获取、概念构思。黄康：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 初稿、方法论、数据管理、概念构思。孟德生：撰写 – 审稿与编辑。海家成：可视化。罗先燕：撰写 – 初稿、方法论、数据管理。龙国强：撰写 – 审稿与编辑、可视化。秦月：撰写 – 审稿与编辑、方法论、数据管理、概念构思

未引用的参考文献

[40], [41], [42], [44], [46], [47]。

作者声明模板

我们确认本文不存在已知的利益冲突，且本研究未接受任何可能影响其结果的财务支持。我们确认手稿“负弯矩作用下环氧树脂混凝土加固连续接头的抗剪性能”已由所有署名作者阅读并批准，且没有其他符合作者资格但未列出的人员。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢从广西重点研发计划（AB24010265）、广西自然科学基金（2025GXNSFDA069033）和中国国家自然科学基金（52568021, 51868007）获得的研究资助。