新型貫通性橋臺(tái)搭板連接構(gòu)造車輛荷載擬靜力試驗(yàn)

董 利， 張 一， 李松輝*

(1.山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，青島 266590; 2.商丘工學(xué)院土木工程學(xué)院，商丘 476000)

隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路貨運(yùn)總量呈逐年增長趨勢，對(duì)公路橋梁的安全運(yùn)營水平提出了更高的要求[1-3]。然而，由于地基條件、填料及設(shè)計(jì)施工等因素產(chǎn)生的差異沉降，在役橋梁橋臺(tái)與臺(tái)背路堤之間均存在不同程度的錯(cuò)臺(tái)，錯(cuò)臺(tái)高度一旦超過某一特定的限值，就會(huì)產(chǎn)生 “橋頭跳車”現(xiàn)象[4]。橋頭跳車嚴(yán)重危及行車安全，并大大增加道路維修費(fèi)用。根據(jù)中外已有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，美國大約25%的橋涵(約150 000座橋涵、通道等構(gòu)造物)存在較為嚴(yán)重的橋頭跳車病害，每年因此投入的維修費(fèi)用均在1億美元以上[5-7]。與美國相比，中國公路橋梁的橋臺(tái)跳車問題同樣不容樂觀，僅高速公路橋梁過渡段的年均維修治理費(fèi)用就已高達(dá)億元以上[8]。在傳統(tǒng)的處治方法中，一般通過增設(shè)橋頭搭板以緩解橋頭跳車的危害。然而，調(diào)查結(jié)果表明，傳統(tǒng)搭板構(gòu)造存在較大的缺陷，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：①臺(tái)背牛腿附近及以下部分填土難以充分壓實(shí)；②橋路過渡段雨水容易通過搭板端部與臺(tái)背之間的接縫滲入土體，牛腿附近土體在自重及固結(jié)雙重作用下發(fā)生較大沉降，加大搭板脫空量，并引發(fā)搭板斷裂。因此，有必要研究更為實(shí)用有效的搭板構(gòu)造，以從根本上解決橋頭跳車問題。

針對(duì)這一實(shí)際問題，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者相繼展開一系列的理論研究和試驗(yàn)。Shi等[9]和Cai等[10]分別建立了橋頭搭板的三維有限元分析模型，研究分析了當(dāng)橋頭搭板與下部基礎(chǔ)分離脫空時(shí)，橋頭搭板的損傷狀態(tài)。Chen等[11]對(duì)在車輛荷載作用下橋頭搭板的裂縫開展情況進(jìn)行了具體研究，進(jìn)行裂縫開展機(jī)理研究以及可解決的發(fā)展方向。周健等[12]通過調(diào)整樁長和樁數(shù),使樁基沉降從橋梁主跨往邊跨逐步增大,而在路橋連接處使邊跨橋墩沉降與橋坡填土沉降基本一致,實(shí)現(xiàn)路橋沉降協(xié)同,從而開辟了解決橋頭跳車問題的新途徑。丁勇等[13]提出一種基于分布式彈簧-阻尼單元的計(jì)算方法,考慮車輛-路面的接觸長度和車輪的動(dòng)力特性，分析載重汽車在橋梁伸縮縫處跳車時(shí)的動(dòng)力荷載，提出若要緩解臺(tái)車危害需對(duì)伸縮縫附近的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)。于天來等[14]針對(duì)橋臺(tái)高度對(duì)整體式橋臺(tái)橋梁內(nèi)力的影響進(jìn)行了有限元模擬以及具體的模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了在一定范圍內(nèi)橋臺(tái)高度對(duì)內(nèi)力不會(huì)有太大影響。

通過對(duì)傳統(tǒng)橋頭搭板連接構(gòu)造細(xì)化分析，提出一種新型橋臺(tái)搭板連接方式：貫通性橋臺(tái)搭板連接構(gòu)造，并制作該模型開展設(shè)計(jì)車輛荷載擬靜力試驗(yàn)，從承載能力極限狀態(tài)和防止連接結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞(即滿足“強(qiáng)臺(tái)背，弱連接”的設(shè)計(jì)原則)兩個(gè)角度進(jìn)行該模型的工程適用性分析，得到在不同級(jí)別荷載作用下模型的試驗(yàn)現(xiàn)象以及應(yīng)變關(guān)系，以期對(duì)更新橋頭搭板設(shè)計(jì)、治理橋頭跳車危害提供有價(jià)值的理論與試驗(yàn)依據(jù)。

1 新型貫通性橋臺(tái)搭板連接構(gòu)造承載力試驗(yàn)

圖1 貫通性橋臺(tái)-搭板連接方式Fig.1 Run-throughabutment-buttplateconnection mode

中國高速公路路線上常用的橋臺(tái)搭板連接方式多在臺(tái)背設(shè)置牛腿，普遍存在臺(tái)背填土沉降和搭板斷裂的問題。為彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的不足，增強(qiáng)搭板承載能力，對(duì)橋臺(tái)搭板連接部位進(jìn)行了創(chuàng)新改進(jìn)，提出了新型貫通性橋臺(tái)搭板連接構(gòu)造。具體布置為：搭板貫通于橋臺(tái)頂面之上，伸縮縫設(shè)置在搭板與梁體之間，搭板與橋臺(tái)臺(tái)背采用錨固鋼筋連接，整體構(gòu)造如圖1所示。除此之外，增設(shè)剛性透水板這一附屬構(gòu)件以提高橋頭路堤剛度。新型橋臺(tái)搭板連接構(gòu)造省去臺(tái)背牛腿的設(shè)置，有效解決了牛腿下方土體無法壓實(shí)的問題；接縫設(shè)置在搭板近臺(tái)端與梁體之間，與伸縮縫合二為一，路面積水或雨水通過伸縮縫直接排出，不存在由于積水或雨水滲入土體加大搭板板底脫空問題。

1.1 試驗(yàn)材料及模型制作

為研究新型貫通性橋臺(tái)搭板連接構(gòu)造承載性能，從試驗(yàn)的角度進(jìn)一步驗(yàn)證新型貫通性橋臺(tái)搭板連接構(gòu)造運(yùn)用到實(shí)際工程的可行性，進(jìn)行車輛荷載擬靜力承載試驗(yàn)?？紤]到新型連接構(gòu)造主要在彎矩作用下工作，因此制作該連接構(gòu)造的節(jié)段足尺模型[15-16]進(jìn)行試驗(yàn)研究。節(jié)段足尺模型同實(shí)際橋臺(tái)搭板連接構(gòu)造相比，除了橋臺(tái)與搭板的連接部位受到的彎矩大小不同，力學(xué)性能和設(shè)計(jì)方法類似。

模型由橋臺(tái)、搭板、橋頭路堤、剛性透水板和填土5部分組裝而成。試驗(yàn)選用標(biāo)號(hào)C30的商品混凝土澆筑橋臺(tái)和搭板；HRB400螺紋鋼筋作為橋臺(tái)和搭板的縱向受力鋼筋；箍筋使用HPB300光圓鋼筋；素填土為交通部公路試驗(yàn)場地的地基開挖土；木質(zhì)模板；使用尺寸為220 cm×220 cm×200 cm的鋼板,制成尺寸為1.1 m×1.3 m×0.5 m的鋼槽，將鋼槽內(nèi)盛放的填土壓實(shí)，充當(dāng)橋頭路堤；安特固F-05環(huán)氧膠；采用由奧泰利新技術(shù)集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的CGM高性能水泥基灌漿料，對(duì)搭板表面的灌漿孔進(jìn)行灌漿，將橋臺(tái)與搭板連接成為一個(gè)整體，其產(chǎn)品主要性能參數(shù)如表1所示。

表1 CGM高性能水泥基灌漿料的性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)器材

試驗(yàn)器材主要有ZB4-500型電動(dòng)油泵、測力顯示儀、YCW60B型千斤頂、UCAM-60B靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、SYE-2000型手動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)、壓力傳感器、反力架、分配梁、橡膠支座、ULITE電焊機(jī)、筆記本電腦、萬能表、角磨機(jī)、電阻應(yīng)變計(jì)、焊槍、鋼槽、人工壓實(shí)錘、攪拌棒等。

1.3 試驗(yàn)方案

為檢測試驗(yàn)?zāi)Ｐ推茐倪^程中搭板鋼筋的應(yīng)變變化情況，在搭板上下兩層臺(tái)背截面處的鋼筋上粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片具體布置如圖2所示。

圖2 應(yīng)變片布置Fig.2 Strain gauge layout

在搭板的遠(yuǎn)臺(tái)端端部施加荷載P，在試驗(yàn)荷載逐級(jí)增加過程中，靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀隨時(shí)采集各應(yīng)變片的應(yīng)變值。將貼好應(yīng)變片的剛性透水板埋置于臺(tái)背填土中，探究剛性透水板在試驗(yàn)荷載作用下能否正常工作。為對(duì)該模型的工作性能進(jìn)行對(duì)比研究，設(shè)計(jì)兩組平行試驗(yàn)：A、B兩組以最外側(cè)伸出橋臺(tái)頂面鋼筋根數(shù)不同進(jìn)行區(qū)別，并且在A組模型中埋置剛性透水板，搭板配筋情況二者相同。為方便論述，將最外側(cè)伸出橋臺(tái)頂面鋼筋為2根φ22 mm的試驗(yàn)?zāi)Ｐ兔麨?號(hào)模型(其橋臺(tái)頂面配筋圖及應(yīng)變片編號(hào)如圖3所示)，另一個(gè)模型命名為3號(hào)模型，該模型比2號(hào)模型多出一根臺(tái)頂外伸鋼筋(其橋臺(tái)頂面配筋圖及應(yīng)變片編號(hào)如圖4所示)，且3號(hào)模型的臺(tái)背填土中埋置有剛性透水板。

圖3 2號(hào)模型橋臺(tái)頂面配筋圖及應(yīng)變片編號(hào)Fig.3 Reinforcement drawing and strain gauge number of abutment top surface of model 2

圖4 3號(hào)模型橋臺(tái)頂面配筋圖及應(yīng)變片編號(hào)Fig.4 Reinforcement drawing and strain gauge number of abutment top surface of model 3

1.4 試驗(yàn)加載及測試內(nèi)容

試件放置于正常環(huán)境下，養(yǎng)護(hù)28 d，確保其抗壓強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度規(guī)定的30 MPa。在搭板端部安放橡膠支座，座上安放分配梁，將YCW60B型液壓千斤頂擱置在分配梁上并通過油管與ZB4-500型電動(dòng)油泵相接，試驗(yàn)?zāi)Ｐ图虞d設(shè)備如圖5所示。通過控制油泵對(duì)搭板端部進(jìn)行逐級(jí)加載，加載質(zhì)量為1、2、5、8、10、12、15、18、20、23、25、28、30、33、35、38、42、45 t，從低一級(jí)荷載到高一級(jí)荷載的調(diào)節(jié)時(shí)間為1 min，在每級(jí)荷載停留5 min。待每級(jí)荷載穩(wěn)定后，電腦自動(dòng)記錄各級(jí)荷載下各部位的應(yīng)變值。

圖5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图虞d設(shè)備Fig.5 Loading equipment for test model

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

該新型貫通性橋臺(tái)搭板連接構(gòu)造是一個(gè)大型混凝土構(gòu)件，為保證該新型橋臺(tái)搭板連接構(gòu)造的工程適用性，對(duì)該新型構(gòu)造進(jìn)行簡單的受力分析可知，該構(gòu)造中有以下3個(gè)部位極易發(fā)生破壞：①連接部位的鋼筋發(fā)生屈服破壞；②橋臺(tái)臺(tái)背處的混凝土被連接鋼筋拉裂；③搭板上表面受彎裂縫超出允許范圍。若要將該新型連接構(gòu)造運(yùn)用到實(shí)際橋梁工程中，新型貫通性橋臺(tái)搭板連接構(gòu)造需滿足“強(qiáng)臺(tái)背，弱連接”的設(shè)計(jì)原則，阻止連接結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞，從而保證工程的安全性、適用性及耐久性，即該新型連接構(gòu)造在車輛交通荷載的循環(huán)往復(fù)作用下，橋臺(tái)與鋼筋之間的連接鋼筋發(fā)生較大塑性變形，橋臺(tái)臺(tái)背不會(huì)出現(xiàn)水平裂縫或裂縫寬度在允許范圍內(nèi)。除此之外，它還應(yīng)該滿足承載能力極限狀態(tài)下的要求，即當(dāng)連接鋼筋屈服后橋頭臺(tái)搭板表面裂縫寬度在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

基于車輛動(dòng)荷載的特點(diǎn)和中國車輛普遍超載的現(xiàn)狀，將車輛動(dòng)荷載等效簡化為靜荷載，并假定了簡化后等效靜荷載的3 種分布形式：集中分布、矩形分布和帶狀分布[17]。由于橋頭搭板連接部位占整個(gè)橋梁面積較小，故取代表集中分布的靜力荷載進(jìn)行等條件替代。橋梁荷載規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)五軸車輛只能作用后軸一個(gè)車輪，相當(dāng)于集中荷載70 kN，為增加構(gòu)造的安全儲(chǔ)備，現(xiàn)取P=2×70=140 kN作為試驗(yàn)設(shè)計(jì)荷載。公路路基規(guī)范[18]中規(guī)定，普通高速公路路基土的回彈模量不低于30 MPa，此處取受壓土體的回彈模量為30 MPa。根據(jù)小變形假設(shè)，假定在受到荷載作用后，搭板、連接鋼筋和受壓土體的應(yīng)變?nèi)栽谝粋€(gè)平面內(nèi)。

為驗(yàn)證新型貫通性橋臺(tái)搭接構(gòu)造是否滿足正常使用極限狀態(tài)的要求以及“強(qiáng)臺(tái)背、弱連接”的設(shè)計(jì)原則，對(duì)所測得數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化分析，測得數(shù)據(jù)以2號(hào)模型為例，如表2所示。

2.1 鋼筋力學(xué)性能分析

依據(jù)測得試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表2)分別繪制了兩個(gè)模型在各級(jí)荷載下，關(guān)于鋼筋應(yīng)力變化的關(guān)系曲線，如圖6所示。

由實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)以及混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[19]可知：在達(dá)到設(shè)計(jì)荷載時(shí)，橋臺(tái)與搭板的連接鋼筋應(yīng)力未超過屈服應(yīng)力且橋臺(tái)及搭板的混凝土表面裂縫寬度未超過允許值(0.2 mm)，證明該構(gòu)件滿足承載力及變形要求。圖6(a)、圖6(b)分別為2號(hào)模型與3號(hào)模型在各級(jí)荷載下的鋼筋應(yīng)力曲線。由圖6得到，連接鋼筋的應(yīng)力變化最大，其變化趨勢近似為45°直線上升，而搭板上下層鋼筋的應(yīng)力變化幅度較為平緩。在試驗(yàn)過程中，當(dāng)兩個(gè)模型的連接鋼筋應(yīng)力滿足鋼筋屈服要求時(shí)，該構(gòu)件搭板裂縫寬度分別為0.15、0.16 mm，且均不超過設(shè)計(jì)要求的裂縫寬度(0.2 mm)，但由于2號(hào)模型鋼筋面積不符合設(shè)計(jì)要求，未達(dá)到設(shè)計(jì)荷載(140 kN)要求。經(jīng)以上分析可知，當(dāng)鋼筋受力面積滿足設(shè)計(jì)要求(如3號(hào)模型)，模型的鋼筋屈服應(yīng)力和搭板裂縫寬度均滿足實(shí)際承載力及變形要求。

表2 2號(hào)試驗(yàn)?zāi)Ｐ透骷?jí)荷載作用下的應(yīng)力

圖6 各級(jí)荷載下鋼筋應(yīng)力曲線Fig.6 Stress curve of reinforcement under various loads

2.2 可行性分析

依據(jù)測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)(表2)分別繪制了兩個(gè)模型在各級(jí)荷載下，關(guān)于臺(tái)背混凝土與搭板混凝土的應(yīng)力變化的關(guān)系曲線，如圖7所示，圖7(a)、圖7(b)分別為2號(hào)模型與3號(hào)模型在各級(jí)荷載下模型主要部位應(yīng)變關(guān)系。

若試驗(yàn)荷載超過設(shè)計(jì)荷載繼續(xù)增大的過程中，橋臺(tái)與搭板的連接鋼筋應(yīng)力率先達(dá)到屈服應(yīng)力而橋臺(tái)及搭板的混凝土表面裂縫寬度仍未超過允許值(0.2 mm)，表明新型貫通性橋臺(tái)搭板連接構(gòu)造符合“強(qiáng)臺(tái)背、弱連接”的設(shè)計(jì)原則，未發(fā)生脆性破壞。

圖7 各級(jí)荷載下模型主要部位應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.7 Stress relation curves of main parts of components under various loads

圖8 兩組試驗(yàn)中模型的搭板裂縫Fig.8 Cracks in the model’s overlay in two groups of experiments

由圖6、圖7綜合分析可知，2號(hào)模型在逐級(jí)加載過程中，臺(tái)背混凝土的應(yīng)力一直處于較小值；當(dāng)荷載達(dá)到約75 kN時(shí)，橋臺(tái)與搭板連接構(gòu)造的最外側(cè)連接鋼筋應(yīng)力已達(dá)到屈服應(yīng)力，此時(shí)搭板與臺(tái)背的混凝土應(yīng)變曲線變化趨勢近乎一樣且數(shù)值均較小，其應(yīng)變強(qiáng)度遠(yuǎn)達(dá)不到混凝土的開裂要求；當(dāng)荷載繼續(xù)增加到約170 kN，搭板表面應(yīng)變片失值，表明搭板表面出現(xiàn)裂縫[圖8(a)]；與此同時(shí)，搭板上層鋼筋應(yīng)力也達(dá)到屈服應(yīng)力。3號(hào)模型在逐級(jí)加載過程中，當(dāng)荷載達(dá)到設(shè)計(jì)荷載(140 kN)時(shí)，橋臺(tái)搭板最外側(cè)的連接鋼筋尚未達(dá)到屈服強(qiáng)度，搭板與臺(tái)背混凝土的應(yīng)力均較小，遠(yuǎn)達(dá)不到混凝土的開裂應(yīng)力；當(dāng)荷載繼續(xù)增加到約250 kN時(shí)，橋臺(tái)搭板連接最外側(cè)的連接鋼筋率先發(fā)生屈服，搭板上表面應(yīng)變片失值，搭板上表面開始出現(xiàn)細(xì)小的裂縫[圖8(b)]；荷載繼續(xù)增加到約380 kN時(shí)，搭板上層鋼筋發(fā)生屈服。整個(gè)加載過程中，臺(tái)背混凝土持續(xù)工作且應(yīng)力一直遠(yuǎn)小于混凝土的開裂應(yīng)力。通過模型整體性分析可知，連接鋼筋發(fā)生屈服后，臺(tái)背混凝土應(yīng)變一直處于較小變化，相反搭板部位混凝土在滿足實(shí)際承載力后應(yīng)變會(huì)急劇增加。由此可得，在試驗(yàn)荷載超過設(shè)計(jì)荷載繼續(xù)增大的過程中，橋臺(tái)與搭板的連接鋼筋應(yīng)力值率先達(dá)到屈服應(yīng)力而橋臺(tái)及搭板的混凝土表面裂縫寬度仍未超過允許值(0.2 mm)，整個(gè)加載工程中臺(tái)背混凝土處于持續(xù)工作狀態(tài)未發(fā)生明顯破壞，表明新型貫通性橋臺(tái)搭板連接構(gòu)造符合“強(qiáng)臺(tái)背、弱連接”的設(shè)計(jì)原則。

2.3 剛性透水板受力分析

試驗(yàn)中，在3號(hào)模型的臺(tái)背填土每隔一定深度埋置一層具有剛度的PVC塑料板，目的在于增加橋頭路堤的剛度，減小橋臺(tái)與路堤之間的剛度差，進(jìn)而減小搭板板底脫空量。參考表3中的數(shù)據(jù)以及3號(hào)模型在各級(jí)荷載下的應(yīng)力曲線[圖7(b)]可知，隨著荷載級(jí)數(shù)增加，內(nèi)嵌剛性透水板的應(yīng)力較小且增幅不大，其應(yīng)力變化趨勢類似臺(tái)背混凝土，這表明整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，內(nèi)嵌剛性透水板剛度滿足實(shí)際承載力要求，且有較高的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

表3 內(nèi)嵌剛性透水板在各級(jí)荷載作用下的應(yīng)力

注：1代表從左向右數(shù)第1個(gè)；1′代表從右向左第1個(gè)；-1代表第1排；2代表從左向右數(shù)第2個(gè)；2′代表從右向左第2個(gè)；-2代表第2排。

綜合上述，由兩個(gè)模型的應(yīng)力變化的關(guān)系曲線可知，當(dāng)減少設(shè)計(jì)配筋中橋臺(tái)與搭板連接構(gòu)造的連接鋼筋的數(shù)量(2號(hào)模型)，同連接鋼筋數(shù)量滿足設(shè)計(jì)要求的構(gòu)件(3號(hào)模型)相比，新型連接構(gòu)造除了不滿足設(shè)計(jì)荷載承載力要求，仍然滿足“強(qiáng)臺(tái)背、弱連接”的設(shè)計(jì)原則。因此設(shè)計(jì)配筋下的新型連接構(gòu)造滿足承載力及變形要求，同時(shí)也滿足“強(qiáng)臺(tái)背、弱連接”的設(shè)計(jì)原則，且內(nèi)嵌剛性透水板在設(shè)計(jì)荷載下完全達(dá)不到破壞狀態(tài)，其剛度滿足設(shè)計(jì)需要。

3 結(jié)論

基于中國橋頭搭板受力特點(diǎn)和車輛荷載的實(shí)際情況，提出一種新型貫通性橋臺(tái)搭板連接構(gòu)造，并通過車輛荷載擬靜力試驗(yàn)驗(yàn)證了該新型搭板連接構(gòu)造的工程適用性。經(jīng)研究得出以下結(jié)論。

(1)新型貫通性橋臺(tái)搭板連接構(gòu)造滿足設(shè)計(jì)車輛荷載作用下的承載力和變形要求，并具有一定的安全儲(chǔ)備，同時(shí)符合“強(qiáng)臺(tái)背、弱連接”的設(shè)計(jì)原則，驗(yàn)證了其設(shè)計(jì)方法的合理性與正確性。

(2)若將設(shè)計(jì)中連接鋼筋的面積減小，該模型不一定滿足承載力要求，但仍會(huì)滿足“強(qiáng)臺(tái)背、弱連接”的設(shè)計(jì)原則，進(jìn)一步驗(yàn)證新型貫通性橋臺(tái)搭板連接構(gòu)造的切實(shí)可行性，也突出了連接鋼筋是該構(gòu)造承載力的一大支撐點(diǎn)。

(3)路堤填土中的內(nèi)嵌剛性透水板在設(shè)計(jì)車輛荷載作用下遠(yuǎn)達(dá)不到破壞狀態(tài)，可以起到增加橋頭路堤的剛度和減小橋臺(tái)與路堤之間的剛度差的作用，進(jìn)而減小橋路過渡段的差異沉降。