斜交濕接頭力學性能分析

曾繼祚 曹善慶 于 濤 劉金樟

(1.山東省路橋集團有限公司，山東 濟南 250021； 2.山東大學，山東 濟南 250100)

1 概述

先簡支后連續空心板梁橋梁板安裝就位后，接下來的濕接頭施工是橋梁完成體系轉換最重要的一道工序，且濕接頭承受橋梁最大負彎矩及最大剪力，為連續梁危險截面[1]?，F階段，對預應力混凝土結構進行分析設計時均按照無接縫的理想狀態下的整體結構進行計算，然而在實際橋梁工程中必然會有一定數量的濕接頭的存在，導致預應力混凝土結構力學性能明顯弱于一次性澆筑的混凝土構件。

自20世紀60年代波特蘭混凝土協會率先實施了通過預制橋面板將橋梁縱向連接為整體后[2]，工程技術人員便開始對簡支轉連續橋梁進行研究。哥倫比亞大學考慮通過將鋼絞線延長至橫隔板內以實現頂板的正彎矩，并通過足尺模型試驗研究了不同型號的鋼絞線[3]。內達拉斯加州立大學通過濕接頭模型試驗驗證了濕接頭處預壓應力的效果[4]。Gawin建立了混凝土濕熱耦合模型，定義其土水化程度、溫度、濕度之間的內在聯系，全面分析了混凝土自干燥情況下的濕度變化下的孔隙率對水化速率的影響[5]。何承海等[6]研究濕接頭處混凝土裂縫形成機理，提出了通過降低混凝土水化熱、減小混凝土收縮徐變、減少墩座混凝土內部約束以及改善濕接頭混凝土的養護條件來減緩裂縫開展。黃志敏[7]對比研究60 m，70 m跨度的簡支轉連續橋梁的收縮俆變效應，研究表明混凝土的收縮俆變對靜定結構下的應力、線形影響較小，對超靜定結構下的連續狀態影響較大。秦熤[8]通過對預制梁場混凝土箱梁水化熱RPC濕式接頭，通過實驗研究描述了該濕接頭在負力矩下的力學行為，包括裂紋擴展，應變分布和載荷—撓度響應，并通過有限元模型來補充參數分析。Canhui Zhao等[9]提出了一種燕尾形于鋼—超高性能混凝土輕型復合橋的節點，并進行了兩次撓曲測試，驗證了所提出的接頭連接的有效性，并根據試驗結果提出了輕質薄板負彎矩區域的撓度，裂縫寬度和極限抗彎承載力的設計和計算方法。Shuwen Deng等[10]提出了一種適用溫度應變現場的原位試驗，進一步分析了預制箱梁早期的溫度場及應變變化規律。

通過總結以上國內外有關簡支轉連續橋梁相關研究，筆者發現較多文獻重點分析了簡支轉連續結構性能的優點，即力學的連續性。早期大多數研究重視工程應用，提出了簡支轉連續的施工優化工藝及相應關鍵技術。同時較多學者研究了混凝土的收縮徐變及多相耦合下混凝土的力學特征，為簡支轉連續濕接頭混凝土的應用提供了一定基礎。同時對比可以發現，當前研究中仍缺少對復雜約束下的濕接頭部位的單獨研究，未結合濕接頭自身的薄弱環節，因此本文主要基于濕接頭原位試驗，圍繞復雜約束下濕接頭的受力性能展開研究。

2 原位試驗布置

該橋梁的結構形式是由四片小箱梁斜交30°組成，并將四片小箱梁區分為邊梁以及中梁。平面布置如圖1所示。

共選用18個預埋式振弦式應變計(縱向16個，橫向2個)，埋入部位為濕接頭頂板、底板、翼緣及腹部中間位置。由于本工程中小箱梁放置均為斜交30°，因此橫向布置的應變計與濕接頭應平行埋設。測點布置如圖2所示。

3 濕接頭水化熱分析

3.1 濕接頭水化熱溫度分析

濕接頭中埋設的各測點溫度見圖3。從開始到30 h，溫度不斷升高。當濕接頭澆筑完成30 h，濕接頭各點溫度達到了峰值，中心位置的最高溫達到了53 ℃，此時濕接頭內部積蓄的熱量達到了最大；在30 h～168 h，各測點溫度不斷下降直至達到外界環境溫度；位于箱梁左右翼緣的測點1、測點14，受水化熱影響小，與環境溫度變化趨勢保持一致。測點3、測點15均在邊梁腹板中部，溫度變化趨勢較為一致，溫度峰值出現時間為22 h，溫度峰值為47.7 ℃；頂底板的各測點溫度變化均勻，曲線在圖中較為密集，溫度峰值為32 ℃～37 ℃。頂板溫度峰值：中梁為37.8 ℃，邊梁為35 ℃；底板溫度峰值：中梁為32.2 ℃，邊梁為32.0 ℃。

可見水化放熱下的濕接頭溫度上升規律符合認知。濕接頭結構由內到外，由中心至兩邊，溫度逐漸降低。此時溫度應力主要是兩部分組成，第一是濕接頭整體溫度升高導致了濕接頭混凝土限制膨脹，內部產生了溫度自應力；第二部分是濕接頭中心至端部的溫差，由于較大的溫度梯度而產生的溫差應力。

3.2 濕接頭水化熱應變分析

濕接頭水化熱應變分析見圖4，選擇具有代表性的6個測點，其中測點16、測點17位于濕接頭中心位置，熱量積蓄最多，同時應變也是最大。由于濕接頭部位混凝土限制膨脹，內部產生了壓應力，在大約38 h達到了峰值，為-117 με，隨后內部壓應力隨著溫度的下降得到了釋放，在第7天的時候減小為-57 με；測點8、測點9在濕接頭澆筑完成前期均出現了拉應變，數值較小為14 με，測點8、測點9位于箱梁的頂板、底板處，熱量積蓄少，應力波動范圍較?。粶y點2、測點3位于腹板處，在24 h應變達到峰值，為-60 με，此后應變未出現較大波動，基本保持恒定?？梢?，達到應變峰值的時間與濕接頭的位置之間存在一定關系。位置靠近中心，內部熱量積蓄時間越長溫度越高，應變峰值時間后移，數值較大。

濕接頭水化放熱時，其內部會產生壓應力及局部拉應力，隨著水化放熱程度的減弱，應力趨于穩定。濕接頭整體在澆筑完成的前期受壓、受拉均滿足要求，施工安全。

4 濕接頭各測點溫度、應變變化

4.1 濕接頭溫度變化

濕接頭內部預埋測點的溫度變化如圖5所示，受環境溫度影響，濕接頭溫度呈下降趨勢且各測點溫度圍繞環境溫度上下波動。在前7 d，濕接頭各測點溫度明顯高于環境溫度，第3天濕接頭各測點溫度在水化熱的作用下達到峰值。在第11天環境溫度升高達到一個峰值，隨后濕接頭各測點溫度在第12天均達到峰值，可見濕接頭內部溫度變化與環境溫度變化約滯后1 d的時間。

圖6為同一水平橫布置的三個測點，測點1位置為左側邊箱梁翼緣，測點4位置為左側邊箱梁頂板處，測點8位置為左側中箱梁頂板處。濕接頭澆筑前期，測點1的升溫并不明顯；在濕接頭澆筑完成7 d后，其溫度波動情況大于其余測點。測點4與測點8的溫度在濕接頭澆筑前期規律明顯，因測點8的位置更加接近濕接頭中心，因此其溫度較高，在濕接頭澆筑7 d后，其溫度規律變化并不明顯。當外界環境溫度升高時(比如第24天～第27天)，測點4的溫度略微大于測點8的溫度。當環境溫度下降時(如第33天～第36天)，測點4的溫度略微小于測點8的溫度。

由圖7可知，測點4、測點16、測點6可看作濕接頭縱向溫度梯度的三個測點。測點4由于是位于頂板處，因此其溫度與外界環境溫度是最為接近的。測點6位于底板處，受到環境溫度影響也較大，但由于無法被光照直射，因此其溫度低于測點4。測點16位于中心位置，在澆筑前期其溫度劇烈上升。在澆筑完成7 d后，其溫度低于測點4、測點6，由于混凝土的導熱性能較差，因此導致了中心位置測點16的混凝土溫度較低。當第27天環境溫度為22 ℃時，測點4與測點16溫差最大為7 ℃，測點6與測點16溫差為2.4 ℃。當環境溫度處于下降趨勢時，由于混凝土的保溫性能，中心位置測點16的溫度反而處于截面溫度最高點。

4.2 濕接頭各測點溫度及應變

濕接頭內部測點的溫度、應變隨時間的變化關系見圖8。整體而言，濕接頭內部各個測點的應變隨著時間其絕對值都在變大。測點1處的收縮值最大，最大壓應變為-283 με，達到了其余測點的2倍～3倍。這是由于翼緣混凝土的通風條件良好，收縮俆變較大，因此其內部產生了較大的壓應力。相對應，翼緣處粘結界面的混凝土承受較大拉力，容易開裂破壞。

將各測點數據繪制成圖，可以得到內部溫度對濕接頭的影響較大且規律明顯。各測點的溫度與應變具有以下關系：溫度上升、應變減小，溫度降低，應變增大。由于濕接頭混凝土溫度升高時，端部約束限制其膨脹，相當于濕接頭受到了端部的壓力，因此應變減小。當溫度升高幅度較小時，同時結構內溫度梯度明顯，此時溫度效應也可能會導致拉應力。

由測點16和測點17能夠看出，其應變隨時間波動較小，僅受溫度影響較大，施工荷載、施工工況變化對其影響較小。濕接頭內部結構力學性能穩定，不易發生破壞。

測點5沿濕接頭方向布置。其自身的應力變化最小，主要是由于測點5相鄰混凝土對其橫向約束較弱且橋梁濕接頭橫向受力較小，測點5壓應變基本處于20 με～50 με。

5 結語

針對簡支轉連續橋梁濕接頭進行了原位試驗，分析了溫度、應變隨時間的變化規律。分析濕接頭澆筑后在水化熱作用下的溫度、形變，分析簡支轉連續關鍵工況下的濕接頭變形。主要結論如下：

1)濕接頭澆筑完成30 h，濕接頭各點溫度達到了峰值，中心位置的最高溫達到了53 ℃，此時濕接頭內部積蓄的熱量達到了最大。翼緣處混凝土厚度較小，與外界大氣相接觸，溫度基本不變。

2)水化放熱，濕接頭部位混凝土限制膨脹，內部產生了壓應力，在大約38 h達到了峰值，為-117 με。隨后內部壓應力隨著溫度的下降得到了釋放，在第7天的時候減小為-57 με。位置越靠近中心，內部熱量積蓄時間越長，導致溫度、應變峰值時間后移且數值較大。

3)頂板張拉負彎矩后，濕接頭整體以受壓為主，位于濕接頭頂部測點壓應力增長較大、底部測點壓應力增長較小。負彎矩預應力的張拉對結構的翼緣影響最大，最大壓應力達到了-3.52 MPa；體系轉變后，結構整體發生內力重分配，翼緣處應力明顯減小，濕接頭底部壓應力增大。濕接頭在體系轉變后并未削弱自身預壓應力，安全性能得到了提高。

4)濕接頭內部測點溫度在第11天環境溫度升高時達到峰值，隨后濕接頭各測點溫度在第12天均達到峰值，濕接頭內部溫度變化與環境溫度變化約滯后1 d時間；同一水平橫向分布的三個測點，翼緣位置與空氣接觸面較大，因此其溫度變化接近于環境溫度變化；豎直分布的三個測點，當溫度升高時，上部測點與下部測點溫度高于中心測點。當溫度下降時，上部測點與下部測點溫度小于中心測點。

5)濕接頭內的各個測點的應變隨著時間的增加都在變大。測點溫度升高、應變減小，測點溫度降低，應變增大；翼緣處混凝土通風條件良好，收縮俆變較大，內部產生較大的壓應力。翼緣處粘結界面的混凝土承受較大拉力，施工中應重點防護；濕接頭部位各相應位置的測點對稱性較好。