斜交濕接頭力學(xué)性能分析

曾繼祚 曹善慶 于 濤 劉金樟

(1.山東省路橋集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250021； 2.山東大學(xué)，山東 濟(jì)南 250100)

1 概述

先簡(jiǎn)支后連續(xù)空心板梁橋梁板安裝就位后，接下來(lái)的濕接頭施工是橋梁完成體系轉(zhuǎn)換最重要的一道工序，且濕接頭承受橋梁最大負(fù)彎矩及最大剪力，為連續(xù)梁危險(xiǎn)截面[1]?，F(xiàn)階段，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)時(shí)均按照無(wú)接縫的理想狀態(tài)下的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，然而在實(shí)際橋梁工程中必然會(huì)有一定數(shù)量的濕接頭的存在，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能明顯弱于一次性澆筑的混凝土構(gòu)件。

自20世紀(jì)60年代波特蘭混凝土協(xié)會(huì)率先實(shí)施了通過(guò)預(yù)制橋面板將橋梁縱向連接為整體后[2]，工程技術(shù)人員便開(kāi)始對(duì)簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)橋梁進(jìn)行研究。哥倫比亞大學(xué)考慮通過(guò)將鋼絞線延長(zhǎng)至橫隔板內(nèi)以實(shí)現(xiàn)頂板的正彎矩，并通過(guò)足尺模型試驗(yàn)研究了不同型號(hào)的鋼絞線[3]。內(nèi)達(dá)拉斯加州立大學(xué)通過(guò)濕接頭模型試驗(yàn)驗(yàn)證了濕接頭處預(yù)壓應(yīng)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(nèi)在聯(lián)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(duì)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(jī)理，提出了通過(guò)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(nèi)部約束以及改善濕接頭混凝土的養(yǎng)護(hù)條件來(lái)減緩裂縫開(kāi)展。黃志敏[7]對(duì)比研究60 m，70 m跨度的簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)橋梁的收縮俆變效應(yīng)，研究表明混凝土的收縮俆變對(duì)靜定結(jié)構(gòu)下的應(yīng)力、線形影響較小，對(duì)超靜定結(jié)構(gòu)下的連續(xù)狀態(tài)影響較大。秦?zé)諿8]通過(guò)對(duì)預(yù)制梁場(chǎng)混凝土箱梁水化熱RPC濕式接頭，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究描述了該濕接頭在負(fù)力矩下的力學(xué)行為，包括裂紋擴(kuò)展，應(yīng)變分布和載荷—撓度響應(yīng)，并通過(guò)有限元模型來(lái)補(bǔ)充參數(shù)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(fù)合橋的節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行了兩次撓曲測(cè)試，驗(yàn)證了所提出的接頭連接的有效性，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了輕質(zhì)薄板負(fù)彎矩區(qū)域的撓度，裂縫寬度和極限抗彎承載力的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法。Shuwen Deng等[10]提出了一種適用溫度應(yīng)變現(xiàn)場(chǎng)的原位試驗(yàn)，進(jìn)一步分析了預(yù)制箱梁早期的溫度場(chǎng)及應(yīng)變變化規(guī)律。

通過(guò)總結(jié)以上國(guó)內(nèi)外有關(guān)簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)橋梁相關(guān)研究，筆者發(fā)現(xiàn)較多文獻(xiàn)重點(diǎn)分析了簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)點(diǎn)，即力學(xué)的連續(xù)性。早期大多數(shù)研究重視工程應(yīng)用，提出了簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)的施工優(yōu)化工藝及相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)較多學(xué)者研究了混凝土的收縮徐變及多相耦合下混凝土的力學(xué)特征，為簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)濕接頭混凝土的應(yīng)用提供了一定基礎(chǔ)。同時(shí)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前研究中仍缺少對(duì)復(fù)雜約束下的濕接頭部位的單獨(dú)研究，未結(jié)合濕接頭自身的薄弱環(huán)節(jié)，因此本文主要基于濕接頭原位試驗(yàn)，圍繞復(fù)雜約束下濕接頭的受力性能展開(kāi)研究。

2 原位試驗(yàn)布置

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

共選用18個(gè)預(yù)埋式振弦式應(yīng)變計(jì)(縱向16個(gè)，橫向2個(gè))，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(yīng)變計(jì)與濕接頭應(yīng)平行埋設(shè)。測(cè)點(diǎn)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(shè)的各測(cè)點(diǎn)溫度見(jiàn)圖3。從開(kāi)始到30 h，溫度不斷升高。當(dāng)濕接頭澆筑完成30 h，濕接頭各點(diǎn)溫度達(dá)到了峰值，中心位置的最高溫達(dá)到了53 ℃，此時(shí)濕接頭內(nèi)部積蓄的熱量達(dá)到了最大；在30 h～168 h，各測(cè)點(diǎn)溫度不斷下降直至達(dá)到外界環(huán)境溫度；位于箱梁左右翼緣的測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)14，受水化熱影響小，與環(huán)境溫度變化趨勢(shì)保持一致。測(cè)點(diǎn)3、測(cè)點(diǎn)15均在邊梁腹板中部，溫度變化趨勢(shì)較為一致，溫度峰值出現(xiàn)時(shí)間為22 h，溫度峰值為47.7 ℃；頂?shù)装宓母鳒y(cè)點(diǎn)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(jiàn)水化放熱下的濕接頭溫度上升規(guī)律符合認(rèn)知。濕接頭結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外，由中心至兩邊，溫度逐漸降低。此時(shí)溫度應(yīng)力主要是兩部分組成，第一是濕接頭整體溫度升高導(dǎo)致了濕接頭混凝土限制膨脹，內(nèi)部產(chǎn)生了溫度自應(yīng)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(chǎn)生的溫差應(yīng)力。

3.2 濕接頭水化熱應(yīng)變分析

濕接頭水化熱應(yīng)變分析見(jiàn)圖4，選擇具有代表性的6個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中測(cè)點(diǎn)16、測(cè)點(diǎn)17位于濕接頭中心位置，熱量積蓄最多，同時(shí)應(yīng)變也是最大。由于濕接頭部位混凝土限制膨脹，內(nèi)部產(chǎn)生了壓應(yīng)力，在大約38 h達(dá)到了峰值，為-117 με，隨后內(nèi)部壓應(yīng)力隨著溫度的下降得到了釋放，在第7天的時(shí)候減小為-57 με；測(cè)點(diǎn)8、測(cè)點(diǎn)9在濕接頭澆筑完成前期均出現(xiàn)了拉應(yīng)變，數(shù)值較小為14 με，測(cè)點(diǎn)8、測(cè)點(diǎn)9位于箱梁的頂板、底板處，熱量積蓄少，應(yīng)力波動(dòng)范圍較?。粶y(cè)點(diǎn)2、測(cè)點(diǎn)3位于腹板處，在24 h應(yīng)變達(dá)到峰值，為-60 με，此后應(yīng)變未出現(xiàn)較大波動(dòng)，基本保持恒定。可見(jiàn)，達(dá)到應(yīng)變峰值的時(shí)間與濕接頭的位置之間存在一定關(guān)系。位置靠近中心，內(nèi)部熱量積蓄時(shí)間越長(zhǎng)溫度越高，應(yīng)變峰值時(shí)間后移，數(shù)值較大。

濕接頭水化放熱時(shí)，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力及局部拉應(yīng)力，隨著水化放熱程度的減弱，應(yīng)力趨于穩(wěn)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(cè)點(diǎn)溫度、應(yīng)變變化

4.1 濕接頭溫度變化

濕接頭內(nèi)部預(yù)埋測(cè)點(diǎn)的溫度變化如圖5所示，受環(huán)境溫度影響，濕接頭溫度呈下降趨勢(shì)且各測(cè)點(diǎn)溫度圍繞環(huán)境溫度上下波動(dòng)。在前7 d，濕接頭各測(cè)點(diǎn)溫度明顯高于環(huán)境溫度，第3天濕接頭各測(cè)點(diǎn)溫度在水化熱的作用下達(dá)到峰值。在第11天環(huán)境溫度升高達(dá)到一個(gè)峰值，隨后濕接頭各測(cè)點(diǎn)溫度在第12天均達(dá)到峰值，可見(jiàn)濕接頭內(nèi)部溫度變化與環(huán)境溫度變化約滯后1 d的時(shí)間。

圖6為同一水平橫布置的三個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)1位置為左側(cè)邊箱梁翼緣，測(cè)點(diǎn)4位置為左側(cè)邊箱梁頂板處，測(cè)點(diǎn)8位置為左側(cè)中箱梁頂板處。濕接頭澆筑前期，測(cè)點(diǎn)1的升溫并不明顯；在濕接頭澆筑完成7 d后，其溫度波動(dòng)情況大于其余測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)4與測(cè)點(diǎn)8的溫度在濕接頭澆筑前期規(guī)律明顯，因測(cè)點(diǎn)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(guī)律變化并不明顯。當(dāng)外界環(huán)境溫度升高時(shí)(比如第24天～第27天)，測(cè)點(diǎn)4的溫度略微大于測(cè)點(diǎn)8的溫度。當(dāng)環(huán)境溫度下降時(shí)(如第33天～第36天)，測(cè)點(diǎn)4的溫度略微小于測(cè)點(diǎn)8的溫度。

由圖7可知，測(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)16、測(cè)點(diǎn)6可看作濕接頭縱向溫度梯度的三個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)4由于是位于頂板處，因此其溫度與外界環(huán)境溫度是最為接近的。測(cè)點(diǎn)6位于底板處，受到環(huán)境溫度影響也較大，但由于無(wú)法被光照直射，因此其溫度低于測(cè)點(diǎn)4。測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)4、測(cè)點(diǎn)6，由于混凝土的導(dǎo)熱性能較差，因此導(dǎo)致了中心位置測(cè)點(diǎn)16的混凝土溫度較低。當(dāng)?shù)?7天環(huán)境溫度為22 ℃時(shí)，測(cè)點(diǎn)4與測(cè)點(diǎn)16溫差最大為7 ℃，測(cè)點(diǎn)6與測(cè)點(diǎn)16溫差為2.4 ℃。當(dāng)環(huán)境溫度處于下降趨勢(shì)時(shí)，由于混凝土的保溫性能，中心位置測(cè)點(diǎn)16的溫度反而處于截面溫度最高點(diǎn)。

4.2 濕接頭各測(cè)點(diǎn)溫度及應(yīng)變

濕接頭內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的溫度、應(yīng)變隨時(shí)間的變化關(guān)系見(jiàn)圖8。整體而言，濕接頭內(nèi)部各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變隨著時(shí)間其絕對(duì)值都在變大。測(cè)點(diǎn)1處的收縮值最大，最大壓應(yīng)變?yōu)?283 με，達(dá)到了其余測(cè)點(diǎn)的2倍～3倍。這是由于翼緣混凝土的通風(fēng)條件良好，收縮俆變較大，因此其內(nèi)部產(chǎn)生了較大的壓應(yīng)力。相對(duì)應(yīng)，翼緣處粘結(jié)界面的混凝土承受較大拉力，容易開(kāi)裂破壞。

將各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制成圖，可以得到內(nèi)部溫度對(duì)濕接頭的影響較大且規(guī)律明顯。各測(cè)點(diǎn)的溫度與應(yīng)變具有以下關(guān)系：溫度上升、應(yīng)變減小，溫度降低，應(yīng)變?cè)龃?。由于濕接頭混凝土溫度升高時(shí)，端部約束限制其膨脹，相當(dāng)于濕接頭受到了端部的壓力，因此應(yīng)變減小。當(dāng)溫度升高幅度較小時(shí)，同時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度梯度明顯，此時(shí)溫度效應(yīng)也可能會(huì)導(dǎo)致拉應(yīng)力。

由測(cè)點(diǎn)16和測(cè)點(diǎn)17能夠看出，其應(yīng)變隨時(shí)間波動(dòng)較小，僅受溫度影響較大，施工荷載、施工工況變化對(duì)其影響較小。濕接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)力學(xué)性能穩(wěn)定，不易發(fā)生破壞。

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

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)橋梁濕接頭進(jìn)行了原位試驗(yàn)，分析了溫度、應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律。分析濕接頭澆筑后在水化熱作用下的溫度、形變，分析簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)關(guān)鍵工況下的濕接頭變形。主要結(jié)論如下：

1)濕接頭澆筑完成30 h，濕接頭各點(diǎn)溫度達(dá)到了峰值，中心位置的最高溫達(dá)到了53 ℃，此時(shí)濕接頭內(nèi)部積蓄的熱量達(dá)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(nèi)部產(chǎn)生了壓應(yīng)力，在大約38 h達(dá)到了峰值，為-117 με。隨后內(nèi)部壓應(yīng)力隨著溫度的下降得到了釋放，在第7天的時(shí)候減小為-57 με。位置越靠近中心，內(nèi)部熱量積蓄時(shí)間越長(zhǎng)，導(dǎo)致溫度、應(yīng)變峰值時(shí)間后移且數(shù)值較大。

3)頂板張拉負(fù)彎矩后，濕接頭整體以受壓為主，位于濕接頭頂部測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力增長(zhǎng)較大、底部測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)力增長(zhǎng)較小。負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力的張拉對(duì)結(jié)構(gòu)的翼緣影響最大，最大壓應(yīng)力達(dá)到了-3.52 MPa；體系轉(zhuǎn)變后，結(jié)構(gòu)整體發(fā)生內(nèi)力重分配，翼緣處應(yīng)力明顯減小，濕接頭底部壓應(yīng)力增大。濕接頭在體系轉(zhuǎn)變后并未削弱自身預(yù)壓應(yīng)力，安全性能得到了提高。

4)濕接頭內(nèi)部測(cè)點(diǎn)溫度在第11天環(huán)境溫度升高時(shí)達(dá)到峰值，隨后濕接頭各測(cè)點(diǎn)溫度在第12天均達(dá)到峰值，濕接頭內(nèi)部溫度變化與環(huán)境溫度變化約滯后1 d時(shí)間；同一水平橫向分布的三個(gè)測(cè)點(diǎn)，翼緣位置與空氣接觸面較大，因此其溫度變化接近于環(huán)境溫度變化；豎直分布的三個(gè)測(cè)點(diǎn)，當(dāng)溫度升高時(shí)，上部測(cè)點(diǎn)與下部測(cè)點(diǎn)溫度高于中心測(cè)點(diǎn)。當(dāng)溫度下降時(shí)，上部測(cè)點(diǎn)與下部測(cè)點(diǎn)溫度小于中心測(cè)點(diǎn)。

5)濕接頭內(nèi)的各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變隨著時(shí)間的增加都在變大。測(cè)點(diǎn)溫度升高、應(yīng)變減小，測(cè)點(diǎn)溫度降低，應(yīng)變?cè)龃螅灰砭壧幓炷镣L(fēng)條件良好，收縮俆變較大，內(nèi)部產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力。翼緣處粘結(jié)界面的混凝土承受較大拉力，施工中應(yīng)重點(diǎn)防護(hù)；濕接頭部位各相應(yīng)位置的測(cè)點(diǎn)對(duì)稱性較好。