华夫板设计指南 —— 连接件

 连接件

介绍

如第2章所述，与现浇（CIP）桥面板相比，全深度预制UHPC华夫桥面板具有显著优势，可充分设计以满足AASHTO LRFD桥梁设计规范规定的荷载设计要求(27)。然而，如先前对预制桥面板系统的研究所示，使用这些梁板建造的桥梁的短期和长期性能将受到面板之间的连接质量（即梁板纵向和横向的连接）以及梁板到大梁的连接质量的影响(5)。因此，为了在桥梁中成功更广泛地应用UHPC华夫桥面板，必须更加重视梁板和支撑梁之间在纵向（平行于交通）和横向（垂直于交通）方向上的现场安装连接。

在当前的施工实践中，梁板和梁之间的这些现场安装的连接需要连接元件的交错，例如从支撑梁和梁板元件延伸的低碳钢钢筋或头部剪力柱。这些方法经常导致现场的装配和公差问题。当在梁板的两个方向上使用预张拉或后张拉进行设计时，这些问题会加剧。此外，一些研究发现因常规使用水泥灌浆的现场浇注而带来的耐久性挑战（5，16）。

这些挑战的结合降低了连接的性能，因此降低了预制梁板系统的整体性能。因此，为了使预制UHPC华夫桥面板成为加速施工的经济、有吸引力且持久的解决方案，必须为UHPC华夫桥面板建立适当的连接。在这种情况下，避免使用后张技术，因为这增加了额外的材料和现场劳动力成本。此外，由于UHPC优越的结构和耐久性特性，以及华夫桥面板的耐久性性能，UHPC在本指南中通常被推荐作为现场铸造连接区域的填充物。特别是，UHPC在与先前浇筑的混凝土结合时表现出优异的粘结性，并显著降低了传统低碳钢钢筋的建造长度要求（见第1章）。这使连接细节的设计更加简化、不拥挤，既实现结构友好，又提供更优的长期性能。

接下来的章节介绍了梁板到梁板（横向和纵向）和梁板到纵梁连接的几个细节，这些连接细节是在早期研究项目中开发的，并在预制桥面板的实践中成功使用。这些连接细节是从许多来源获得的，包括FHWA国家合作公路研究计划（NCHRP）、预制/预应力混凝土研究所（PCI），以及ISU完成的实验测试计划。

值得注意的是，在大多数情况下，这些连接主要是对全深度实心预制板的，没有考虑UHPC作为连接填充材料。因此，这些连接中的一些细节可能需要修改，以将它们结合到UHPC华夫桥面板中，从而可以实现期望的结果。此外，利用超高性能混凝土优异的粘结和流动特性，可以减小连接区域的尺寸和加固细节。当与UHPC一起用于连接区域的填充材料时，提供合理的对所呈现的连接细节的潜在改进的评论和建议，可以提高连接的性能、可施工性和/或经济性。

板与板的连接

板间连接和桥面连接对于预制桥板间转移荷载以及将荷载分配到上部结构的不同构件有重要作用。板间连接在车辆载荷下承受弯矩和垂直剪切力。传统上，预制梁板边缘有细节设计，使得两个梁板放置在一起时沿着连接形成剪切键。该细节防止了交通负载下相邻面板之间的相对垂直移动。

近几十年来，在涉及全深度预制板的桥梁项目中，已经部署了各种各样的桥面连接设计，这些预制板在交通荷载下的性能有很大差异。性能良好的连接通常包括带有环氧粘合剂的匹配铸造剪切键或带有离散钢筋的灌浆母对母接头，结合现场浇注混凝土或与优质建筑一起灌浆。在灌浆连接中，预制构件和灌浆之间的界面结合有助于连接的水密性，从而提高耐久性。

根据Aaleti等人和Marcu等人最新的研究发现，通过在连接界面引入粗糙度或纹理，可以显著改善普通混凝土和UHPC之间的界面粘结。（44，45）根据这些研究，喷砂、喷丸或使用模板衬垫产生粗糙的表面纹理是选项，可在适当的板与板连接中考虑，以增加普通混凝土和UHPC之间的粘结特性。

基于与Iowa交通部和FHWA代表的讨论，研究人员建议使用可以在连接中利用现场投射UHPC的细节。适用于华夫板的几种连接的详细描述如下。此外，建议采用适当的表面处理准备方法，以提高连接件的长期性能。

连接1  

该连接详图是FHWA·HfL项目的一部分，该项目支持UHPC华夫桥面板系统的开发，以加速桥梁建设。连接细节如图48所示，使用直径为1英寸的销钉杆（环氧涂层或不锈钢），从板内延伸，用额外的横向钢筋拼接在一起，并在间隙中填充UHPC。

图48. ISU测试华夫桥面板的横向连接详图（40）  

在模拟交通载荷下评估该连接的结构性能是ISU进行的实验研究的一部分，。第一章是实验测试的总结。关于这种连接的实验和现场测试性能的更多细节可以在Aaleti等人的研究（39）中找到。

连接2  

在最近的一项研究中，Graybeal调查了现场铸造UHPC连接的结构性能，这些连接分别代表预制桥面板之间的横向和纵向连接以及桥面球三通梁顶部腹板之间的连接。（36）连接细节如图49所示。

图49. NYSDOT使用现场浇铸UHPC的HPC梁板的板间连接细节（36）  

在今天使用预制梁板的实践中，连接区域通常用传统的灌浆方法填充，并利用机械连接器（例如耦合器）和使用钢管或箍筋的约束来发展连接区域中的钢筋。这种连接的细节如下所示，如连接3、4和5。

这些细节主要是为传统水泥灌浆和高性能混凝土预制梁板开发的。这些连接细节中的一些可能相对难以建造，因此，它们可能不具有成本效益。然而，通过利用UHPC优异的粘结性能（因为它用于连接而不是灌浆），这些连接细节可以适当修改，以在使用UHPC华夫桥面板的桥梁中找到应用。

连接3

此处推荐用于板间连接的连接3是作为NCHRP项目10-71的一部分开发的，旨在为预制桥面系统的耐用钢筋混凝土连接制定设计和施工规范。（46）连接的典型细节如图50所示，该连接由沿面板长度与搭接U形钢筋交错的灌浆剪切键组成。

图50.NCHRP 10-71纵向板对板连接（46）

对该连接的实验研究表明，对于确定的最大使用载荷，建议的纵向接头具有足够的强度、疲劳特性和裂缝控制。虽然在连接中使用了NSC，但这里建议使用UHPC。由于使用了U形杆和UHPC，连接的长度可以适当地减小到与连接1相当的值。

第二个战略公路研究计划（SHRP 2）项目R04也开发了类似的连接，该项目旨在通过建造一座示范桥梁来制定加速桥梁建设的标准和规范。桥墩上的UHPC横向桥面接头是ISU进行的实验室实验的主要焦点，因为它位于负弯矩产生的张力区。这种连接随后被用于爱荷华州Pottawattamie县的一座示范桥（见图51）。

图51. 爱荷华州Pottawattamie县的美国6号公路示范桥（47）  

图52和图53展示了连接相对于其他桥构件的配置和连接细节

图52.整体连接配置（47）  

图53. SHRP 2横向连接详图（47）  

对这种连接的测试显示，UHPC接缝填充和HPC桥面板之间的界面在服务水平负弯矩下经历了脱粘和显著打开，引起了对连接耐久性的挑战。然而，类似的设计细节已经成功地用于单跨桥梁的横向连接。开发并成功实施了短距离后张改造，并施加了足够的预应力，以消除桥墩上承受的负弯矩造成的界面破裂。（47）如果华夫桥面板的中心位于桥墩上方，则可以利用板的固有抗拉力来确保这种连接的性能，无需任何预应力。

结论：

●如果希望在多跨桥梁内部支撑的高负弯矩区域使用该连接，应进一步研究其在任何张力区域的适用性。一种选择是使用预应力，另一种是将连接从桥墩顶部移开。

●在典型的横向连接细节中，面板顶部的空隙宽度可限制在约8db或6号杆的6英寸。这将使面板在中间深度的间隔减少到9英寸。

●由于UHPC和钢筋之间具有优越的粘结强度，并且相应地减少了开发长度，因此可以用传统的直钢筋取代U形钢筋。

●如果U形钢筋与超高压混凝土一起使用，连接的长度可适当缩短，前提是不影响连接在现场的可加工性。

FHWA公布了预制桥梁构件和系统的连接细节，以宣传在桥梁中使用预制构件和系统的优势。（48）该文件展示了加速桥梁建设的实践状态，并侧重于提供质量细节，供桥梁工程师在设计项目的结构类型研究阶段使用。本节中的其余详细信息是从该文档中获得的精选详细信息。

连接4  

连接4详图是爱荷华DOT相邻全深度梁板之间横向接缝的典型灌浆剪切键。如图54所示，这种连接被归类为2级，这意味着它只在一个项目中使用过，但被认为是实用的，并且执行得足够好。（48）

图54. 灌浆剪切键板间详图（48）  

类似的细节通常用于在接头上施加纵向后张，以确保接头活荷载负力矩下保持压缩状态。尽管有些国家使用了没有后张的细节，但也有报告聚焦在渗漏的问题上。（48）

图55所示的连接是另一个横向剪切键连接，但包括后张细节，如图所示，这是由NYSDOT提出的。

图55. 后张灌浆剪切键板间横向接缝详图。（48）  

这种连接被归类为1级细节，已在多个项目中使用，并已成为至少一个所有者/机构的标准做法。（48）建议的替代方案是用UHPC填充袋，以提高连接的耐久性。有了这个细节，连接可以提供可靠的负力矩阻力。

总结

● 许多剪切键几何形状已经在实践中成功使用。可能希望的剪切键几何形状如简化图54和55所示，以降低制造难度（详见图56）。该决定应在考虑适当因素后，在单个项目的基础上应用。

● 后张拉往往成本高、耗时长，而且必须雇用专业人员，使施工过程不理想地复杂化。因此，基于UHPC和低碳钢加固组合的替代细节应在选择此类细节之前进行评估。然而，如果后张被认为是必要的，它已经被证明在板间连接中提供了极好的裂缝控制和水密性，减少了许多耐久性问题。如果使用后张，损失后接缝处应保持250 psi的最低预应力水平。（49）

图56. 具有简化凹穴几何形状的后张横向接头连接（48）  

连接5  

在连接5详图中，在面板的一侧，#6钢筋嵌入镀锌、凸出的中空结构部分(HSS 4 in. x 12 in. x 3/8 in.)。在面板的另一侧，加强件伸出面板7 1/2英寸。一根直径为1英寸的塑料管连接到HSS管的顶面，用于在安装后用灌浆填充管。HSS管在面板的自由侧有一个超大孔（直径1.75英寸），有助于安装相邻的面板。

HSS面板的安装使得第一面板铺设时HSS暴露在外，并准备好接收来自相邻面板的突出钢筋。相邻面板铺设后，用灌浆填充HSS，以完成面板元件之间的连接。请注意，这种连接的安装需要倾斜面板，以避免干扰连接到上部结构的剪切连接器。图57和图58显示了单个面板和相邻面板之间的连接接口。

图57. NCHRP 584系统CD-1A面板(50）

图58.NCHRP面板到面板连接接口(50）  

在面板中使用HSS管是因为管能够在类似的细节中限制传统使用的灌浆。约束允许杆在比未约束时更短的距离内发展达到其屈服强度。试验表明，在这些细节中，常规灌浆能够充分发挥#6钢筋的屈服强度。因此，鉴于UHPC的增强粘结特性，钢筋开发不应成为详细介绍的关注点。

NCHRP报告584《全深度预制混凝土桥面面板系统》中描述了这种连接，该报告记录了一个由开发完全预制桥梁施工系统的潜力所激发的研究项目。（50）项目目标之一是开发新桥面面板系统的连接细节。要求是细节满足以下条件：高耐久性、快速施工时间、良好的乘坐质量和高结构性能。该研究产生了两个面板到面板的连接细节，其中一个在这里显示为连接5。（该研究还为混凝土和钢梁桥梁分别开发了一个板梁连接详图，这些详图将在本章的下一节中介绍。）

虽然这些细节没有明确地设计用于UHPC，但当使用UHPC时，它们可以和预期表现得一样好或更好。因此，它们在这里被介绍为预制梁板建设的可行选择。作为参考，开发这种连接的桥面板长8英尺，覆盖44英尺桥梁的整个宽度；面板具有8英寸的结构深度，顶部有额外的1/4英寸保护层，允许板的顶面纹理化（用于行驶性处理）。这些面板以13.3英寸的间距用#6钢筋纵向加固。

结论

● 建议连接5不适用于典型的华夫桥面板结构，因为钢管的规定尺寸大于华夫格面板的典型肋宽度。然而，连接4被认为可以用于将内部华夫桥面板连接到实心板的悬垂部分的选项。在这种情况下，HSS管将嵌入到实心突出面板中，并将接受从相邻华夫格面板延伸的加强件。HSS管的嵌入可以通过短剪力柱来实现，短剪力柱固定在悬垂板的周围UHPC中，不需要从该板延伸的钢筋。

● 除了用超高性能混凝土填充管道外，还应填充面板之间的空隙，以防止穿过接缝界面的钢筋腐蚀。

板梁连接详图

连接6a和6b  

连接6a和6b是为前面提到的ISU测试而设计的。在这项研究中，两个梁板横跨桥梁的宽度，由五个预应力混凝土梁支撑。两个梁板在中心梁处相遇，需要纵向面板到面板到梁的连接。这种连接可以使用从面板延伸的传力杆和从大梁伸出的剪切钩来建立，它们用纵向（沿着大梁长度）放置的附加钢筋系在一起。面板之间的空隙随后用UHPC填充。此连接细节如图59所示。（注意，为清楚起见，未显示出从大梁突出的剪切钩）

图59.ISU华夫桥面板纵向连接试验（40）

梁板也由预应力混凝土梁支撑在边缘之间。为了提供板和梁之间的连接，沿梁板间隔地提供剪切袋，并且水平剪切连接器集群在这些位置处从支撑梁突出。在这种情况下，如图60所示，从大梁延伸的抗剪钩被嵌入UHPC，该UHPC被浇注以填充抗剪袋。（关于剪切袋和水平剪切连接的附加信息包含在第4章中。）

图60.在ISU试验的剪切袋连接（40）  

这两种连接都是专门为超高性能混凝土填充连接而设计的，并显示出优异的性能。

连接7  

FHWA开发了一种新型复合连接详图，用于将预制混凝土桥面连接到支撑上部结构构件上。（51）研究努力的重点是创造一个简单的细节，很少或没有干扰或现场安装问题，提高长期耐久性能，减少美观和行驶性问题。FHWA设计这种连接是为了利用现场铸造的UHPC的持续拉伸能力。

支撑梁处的连接类似于传统的CIP桥面结构，其中头部立柱/钢筋沿着构件从梁中连续突出到臀部。然而，一个区别是减少了连接器高度的延伸，以避免与预制梁板的干扰。连续的通道/空隙被铸造到梁板面板的下侧。横向钢筋的底部垫穿过这个空隙。预制梁板的空隙消除了全深度剪切袋的需要；因此，可以避免连接件的聚集，并且剪切连接件可以沿着主梁连续放置。

在预制部件组装到位后，形成实体，并将UHPC浇铸到空隙中，以完全填充连接。可以在梁板上提供通风孔，以确保UHPC完全填充空隙。该研究的结论是，所开发的连接能够满足与水平剪切连接相关的要求，并确保复合材料的性能，并且它超过了配套的常规试样所显示的性能。图61和62从概念上分别显示了钢梁和混凝土梁上部结构的FHWA连接详图。

图61.FHWA板-钢梁连接详图。（51）  

图62.FHWA板-混凝土梁。（51）

● 使预制部件之间的界面和表面粗糙化可以增强界面对水平剪切应力的抵抗力。

● 上述细节只是概念性的，尚未在实际桥梁建设项目中使用。因此，必须确定和评估相关的尺寸、杆的尺寸等，然后才能在实践中有把握地指定连接应用。

连接8a和8b  

如上一节所述，作为NCHRP 584研究的一部分，开发了两种板梁连接（钢梁桥和混凝土梁桥各一种）。（50）图63所示的第一个连接详图包括以规定的间隔焊接到支撑钢梁顶部翼缘板上的头部剪力螺柱，1个1/4英寸直径的螺柱以8个为一组放置，间距为48英寸。

部分深度剪切袋在桥面板中与沿主梁的立柱群位置相对应的位置制造，建议随后用原位UHPC（通过延伸至桥面顶面的灌浆管）填充，以完成连接。这些口袋设计有一根HSS管或三根#6封闭拉杆，以提供限制并增加所用灌浆的抗压强度；由于其优越的抗压强度，当使用UHPC填料时，这可能是不必要的。

图63.板-钢梁连接（50）  

11/4英寸的螺柱有利于7/8英寸直径的螺柱，以减少每个口袋的螺柱数量，从而减小口袋尺寸。48英寸的间距尺寸违反了AASHTO LRFD桥的立柱间距设计规范。然而，作为研究的一部分，NCHRP进行了测试，得出的结论是，对于7/8英寸和1 1/4英寸的螺柱直径，当提供螺柱簇周围灌浆的限制时，螺柱簇的最大间距可以扩展到48英寸。

在麦迪逊90号州际公路Door Creek大桥的桥面更换过程中，威斯康星交通部在实践中成功实施了这一设计。（52，53）所示的连接利用了部分深度剪切袋；因此，在评估这种类型的剪切袋的适用性时，必须考虑额外的因素。

结论

● 当使用UHPC作为填充材料时，由于其增加的抗压强度，可以消除通过封闭连接钢筋或HSS管对剪切袋的限制。

● 水平剪力柱的尺寸和数量及其间距不必如上文所述。单个项目的需求决定了所需的大小、数量和间距。

NCHRP584报告中开发的第二个细节要求由三个直径为1 1/4英寸的双头螺柱组成，间距为48英寸，如图64所示。这些立柱嵌入混凝土梁的顶部凸缘。使用三个双头立柱而不是延长主梁的垂直腹板抗剪钢筋的原因是为了最小化抗剪袋的尺寸。类似于与钢梁的连接，部分深度剪力袋设置在面板中与剪力柱相对应的位置，剪力袋可以用UHPC填充以完成连接。

结论

● 当UHPC用作填充材料时，由于其增加的抗压强度，可以消除通过封闭连接钢筋或HSS管对剪切袋的限制。

● 同样，剪力连接件的尺寸、数量和间距可以根据所提供的内容进行修改，以满足具体的项目需求。

图64.板与混凝土梁的连接（50）  

连接9  

图65显示了一个典型的板-梁连接，它有助于水平剪力传递和桥面/梁系统复合作用的发展。梁板沿梁的长度以规定的间隔制成锥形剪切袋或封闭件。在与封闭区相对应的位置，头部剪力柱焊接到钢梁的顶部翼缘板上。在梁板运输到现场并正确设置到位后，执行所需的后张程序，然后填充封闭层以完成连接。

图65.板梁（钢）剪力螺栓连接。（54）  

由于其与用于填充剪切袋的典型灌浆相比的优越特性，UHPC可能会导致更小的袋尺寸和/或每个袋提供更小的剪切连接器。关于钢梁和预制混凝土桥面板之间水平剪切连接的更多信息包含在第4章中。

结论

● 细节所示的磨损过程是可选的。由于UHPC表现出独特的耐久性特征，包括优异的耐磨性，因此可以根据个别项目的要求取消。

● 除了两个单独铸造的材料之间的界面摩擦之外，可能希望提供如图所示的锥形封闭件，以获得UHPC和梁板之间的机械结合。

● 此外，椭圆形封堵（在计划中）可以最大限度地减少裂缝，因此，如果成本差异合理，可能优于典型的矩形封堵。（椭圆形封锁的额外成本通常是微不足道的。）

连接10  

另一种形式的水平抗剪连接件可以提供在混凝土梁中，突出到预制桥面板中以确保复合材料性能，这是钩形钢筋。这种加固通常是通过将主梁中的剪力箍筋伸出顶部翼缘板来提供的，如图66的顶部所示。这种突出的钩形钢筋以规则的间隔提供，而不是连续地提供在与梁板中制造的剪切袋相对应的位置，类似于前面两个连接中提到的程序。

图66.作为水平剪切连接件的延伸箍筋和现场安装钢筋（49）  

然而，另一种选择是在混凝土梁顶部翼缘板上钻孔并填充环氧树脂的孔中提供现场安装的钩形钢筋。这尤其适用于桥面更换项目，当现有的CIP混凝土桥面被拆除时。当CIP桥面要用预制桥面板替换时，需要从大梁上移除所有现有的水平剪切钢筋（以避免现有钢筋干扰放置预制桥面），并在桥面替换操作期间在规定的剪切袋位置用新的剪切连接器替换。图66展示了这两个概念。顶部示意图显示了延伸的剪切箍筋，底部示意图显示了现场安装的钢筋。