基于抗擾動混凝土材料性能的拼寬橋梁接縫方案仿真分析

曾過生、陳德華

（廣東省高速公路有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

拓建高速公路面臨現(xiàn)有道路交通量大，臨時封閉道路交通的組織難度、社會影響較大，高速公路改擴(kuò)建只能在不中斷交通的條件下進(jìn)行。由于新舊橋采用濕接縫連接，在不中斷交通，拼接新舊橋的過程中，舊橋上行車振動以及新舊橋之間的差異變形對混凝土質(zhì)量產(chǎn)生影響，缺乏抵抗振動、撓度差的拼接材料。

眾多學(xué)者對在行車振動下，混凝土受擾后材料性能展開了一定的研究。何歡等[1]利用電磁擾動臺模擬橋梁擾動，研究了擾動對硫鋁酸鹽水泥混凝土修補(bǔ)材料性能的影響規(guī)律。潘慧敏等[2]通過振動臺，在凝結(jié)硬化期的不同粗骨料最大粒徑混凝土受早期擾動后，對力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。李雷等[3]利用振篩試驗(yàn)機(jī)，模擬鐵路橋運(yùn)營期內(nèi)維修時，混凝土澆筑部位的受擾振動，對不同擾動制度下混凝土力學(xué)性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

通過室內(nèi)試驗(yàn)，研制具有增稠、調(diào)凝效果的粉料及外加劑，選型合適的骨料與纖維，開展多種配比的室內(nèi)振動模擬試驗(yàn)，開發(fā)了適用于拼寬橋梁接縫的混凝土產(chǎn)品。通過模擬垂直擾動試驗(yàn)，對開發(fā)的具有抵抗差異變形和擾動性能的新型混凝土材料（以下簡稱“抗擾動混凝土”）進(jìn)行材料性能測試。對拼寬橋梁進(jìn)行精細(xì)化仿真分析，基于抗擾動混凝土材料性能試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證接縫方案的受力特性及可行性。

1 工程概況

1.1 橋梁拼寬方案

沈陽至海口國家高速公路陽江至茂名段改擴(kuò)建工程，起于茂名市電白區(qū)觀珠鎮(zhèn)，順接陽茂高速公路，止于湛江市麻章區(qū)接湛徐高速公路。項(xiàng)目總長108.593km，由雙向四車道改為雙向八車道。

項(xiàng)目段內(nèi)常見的中小跨徑橋梁中，20m 空心板橋的擴(kuò)建設(shè)計為拼寬后橋梁由拼寬新橋、拼寬舊橋、拼接帶構(gòu)成，如圖1 所示。舊橋仍保留原橋的預(yù)制空心板梁，截面高度為0.95m；預(yù)制空心板、鉸縫、整體化層采用C40 混凝土。新橋采用截面高度為0.95m 的預(yù)制空心板梁結(jié)構(gòu)，新橋預(yù)制空心板、拼寬橋現(xiàn)澆整體化層采用C50 混凝土。

圖1 20m 跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土空心板拼寬橋梁結(jié)構(gòu)（半幅，單位：cm）

1.2 拼寬橋梁接縫方案

20m 跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土空心板拼寬橋梁的接縫方案：拼接前，先切除舊橋外側(cè)邊梁懸臂并植入連接鋼筋；與之相連的拼寬新橋邊梁翼緣不預(yù)制但預(yù)留翼緣鋼筋，與舊橋邊梁已植入的鋼筋焊接，形成拼接帶內(nèi)鋼筋骨架，并在拼接帶內(nèi)澆筑相應(yīng)混凝土材料。

拼接帶截面形式為T型，T 型拼接帶總厚度為45cm，上層厚度15cm，下層厚度30cm；接縫最大寬度155cm，下層寬度B=55cm，如圖2 所示。

圖2 拼接帶接縫方案

2 抗差異擾動混凝土材料

2.1 原材料

為滿足拼寬橋梁拼接帶在不中斷交通情況下的拼接養(yǎng)護(hù)需求，開發(fā)了具有抵抗差異變形和擾動性能的新型混凝土材料，設(shè)計強(qiáng)度等級為C50，其主要原材料包含新型定制P·II52.5 硅酸鹽水泥、天然河砂（Ⅱ區(qū)中砂，細(xì)度模數(shù)2.4）、天然碎石（粒 徑5～20mm）、定制減水劑、直徑0.5mm 長度25～35mm 的端鉤形鋼纖維，如圖3 所示。

圖3 抗擾動混凝土原材料

2.2 抗擾動混凝土材料性能試驗(yàn)

采用上海一華儀器設(shè)備有限公司生產(chǎn)的全功能微電腦控制振動試驗(yàn)臺，根據(jù)橋梁施工現(xiàn)場的實(shí)測振動參數(shù)，對混凝土材料進(jìn)行模擬垂直擾動。主要振動參數(shù)如下：

振幅3mm、振頻6Hz；振動規(guī)律為振動15s，停止45s。

制作混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件，自澆筑成型起，振動18h后，進(jìn)行28d 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。采用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，對抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測試，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 拼寬橋梁仿真模型及邊界條件

圖4 抗擾動混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由圖4 可知，各試件的試驗(yàn)強(qiáng)度均大于C50 混凝土強(qiáng)度的設(shè)計值。因此，在后續(xù)分析中，仍采用C50等級混凝土的強(qiáng)度設(shè)計值，進(jìn)行仿真分析。

3 拼寬橋梁接縫方案仿真分析

3.1 有限元模型建立

以20m 跨徑空心板梁橋?yàn)槔鶕?jù)拼寬橋梁的結(jié)構(gòu)尺寸，利用大型有限元軟件ANSYS 建立數(shù)值分析模型，如圖5 所示。模型中，根據(jù)拼寬橋梁的實(shí)際支承情況，采用簡支方式模擬；欄桿等二期恒載以面荷載的方式，施加到拼寬橋梁上。

新橋、整體化層及拼接帶內(nèi)混凝土材料均采用C50 等級材料進(jìn)行模擬，密度為2600kg/m3，彈性模量為3.45×104MPa，泊松比為0.167。舊橋的混凝土材料采用C40 等級材料進(jìn)行模擬，其密度為2600kg/m3，彈性模量為3.25×104MPa，泊松比為0.167。此外，考慮到舊橋鉸縫在長期使用過程中存在性能退化的可能，采用折減彈性模量的方式模擬舊橋鉸縫損傷[4]。

3.2 工況分析

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）的相關(guān)規(guī)定，車輛荷載采用550kN 標(biāo)準(zhǔn)車輛重力進(jìn)行計算[5]。為計算20m 空心板梁橋在承受車輛荷載時的最不利受彎效應(yīng)，將車輛荷載的后輪著地位置布置在舊橋跨中截面近拼接帶位置處。由于橋梁長度的限制，在有限元模型中，僅能布置中、后輪共4 個輪軸。

由于案例工程中多為中小跨徑橋梁，為進(jìn)一步保障舊橋在改擴(kuò)建工程中的安全性，部分舊橋未設(shè)置緊急停車帶（GK1），并考慮舊橋上實(shí)際車道分布情況（GK2）。此外，根據(jù)規(guī)范規(guī)定的車輛荷載布置形式，考慮通車條件下舊橋上最不利中載工況（GK3）及偏載工況（GK4）。對不同工況下車輛荷載分布工況進(jìn)行分析，利用有限元軟件計算不同荷載的效應(yīng)，并按照承載能力的極限狀態(tài)進(jìn)行荷載組合計算。

3.3 基于拼寬橋梁受力性能的接縫方案分析

在不同荷載布置工況，承載能力的極限狀態(tài)基本組合下，對拼寬橋梁的變形及應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析（見表1）。由計算結(jié)果可知，各工況下拼寬橋梁的最大變形位置均為舊橋邊梁跨中，各工況下拼寬橋梁的最大變形及最大應(yīng)力值差別較小。拼接帶混凝土受力以頂部受壓、底部受拉為主，且支點(diǎn)位置附近混凝土出現(xiàn)偏壓趨勢。拼接帶內(nèi)抗擾動混凝土材料應(yīng)力仍在C50 混凝土強(qiáng)度范圍內(nèi)，且抗擾動混凝土材料在添加鋼纖維的情況下，抗拉性能更好，完全滿足拼接帶的受力需求，說明拼寬橋梁接縫方案基本可行。

表1 基本組合下拼寬橋梁計算結(jié)果

4 結(jié)論

在開發(fā)具有抵抗差異變形和擾動性能的新型混凝土材料的基礎(chǔ)上，采用垂直模擬擾動對抗擾動混凝土材料性能進(jìn)行試驗(yàn)，并基于試驗(yàn)結(jié)果，對拼寬橋梁接縫受力特性及方案的可行性進(jìn)行分析。主要得出如下結(jié)論：

其一，開發(fā)的抗擾動混凝土可滿足在振幅3mm、振頻6Hz 受擾振動后，C50 等級混凝土的強(qiáng)度要求。

其二，在基本組合下，不同荷載布置工況的拼寬橋梁最大變形及最大應(yīng)力值差別較小，最大變形約為24mm，最大Mises 應(yīng)力約為14.5MPa。

其三，拼接帶內(nèi)混凝土橫向最大拉應(yīng)力為2.5MPa，最大壓應(yīng)力為1.6MPa，抗擾動混凝土滿足拼接帶受力要求，拼接方案基本可行。