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，高速公路改擴建只能在不中斷交通的條件下進行。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材料性能的影響規(guī)律。潘慧敏等[2]通過振動臺，在凝結硬化期的不同粗骨料最大粒徑混凝土受早期擾動后，對力學性能進行了試驗研究。李雷等[3]利用振篩試驗機，模擬鐵路橋運營期內(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性能的影響進行了試驗研究。

通過室內(nèi)試驗，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，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，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”）進行材料性能測試。對拼寬橋梁進行精細化仿真分析，基于抗擾動混凝土材料性能試驗結果，驗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?？趪腋咚俟逢柦撩胃臄U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。項目總長108.593km，由雙向四車道改為雙向八車道。

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

圖1 20m 跨徑預應力混凝土空心板拼寬橋梁結構（半幅，單位：cm）

1.2 拼寬橋梁接縫方案

20m 跨徑預應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制但預留翼緣鋼筋，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，設計強度等級為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

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

制作混凝土標準試件，自澆筑成型起，振動18h后，進行28d 標準養(yǎng)護。采用標準試驗方法，對抗壓強度及劈裂抗拉強度進行測試，試驗結果如圖4所示。

圖4 拼寬橋梁仿真模型及邊界條件

圖4 抗擾動混凝土強度試驗結果

由圖4 可知，各試件的試驗強度均大于C50 混凝土強度的設計值。因此，在后續(xù)分析中，仍采用C50等級混凝土的強度設計值，進行仿真分析。

3 拼寬橋梁接縫方案仿真分析

3.1 有限元模型建立

以20m 跨徑空心板梁橋為例，根據(jù)拼寬橋梁的結構尺寸，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)《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）的相關規(guī)定，車輛荷載采用550kN 標準車輛重力進行計算[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，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，為進一步保障舊橋在改擴建工程中的安全性，部分舊橋未設置緊急停車帶（GK1），并考慮舊橋上實際車道分布情況（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行分析，利用有限元軟件計算不同荷載的效應，并按照承載能力的極限狀態(tài)進行荷載組合計算。

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力分布情況進行分析（見表1）。由計算結果可知，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力仍在C50 混凝土強度范圍內(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果

4 結論

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上，采用垂直模擬擾動對抗擾動混凝土材料性能進行試驗，并基于試驗結果，對拼寬橋梁接縫受力特性及方案的可行性進行分析。主要得出如下結論：

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力值差別較小，最大變形約為24mm，最大Mises 應力約為14.5MPa。

其三，拼接帶內(nèi)混凝土橫向最大拉應力為2.5MPa，最大壓應力為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。