大跨懸澆連續(xù)梁節(jié)段間接縫對(duì)撓度影響研究

賀邦祖， 李德建

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410008； 2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410083)

0 前言

近二十年來，不少大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋在運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間后，出現(xiàn)了以跨中下?lián)线^大和箱梁開裂為主要特征的病害。據(jù)交通運(yùn)輸部門不完全統(tǒng)計(jì)，假設(shè)預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋跨徑為L(zhǎng)，其跨中年平均下?lián)蟜的規(guī)律如下：

下?lián)线^程長(zhǎng)時(shí)間難以穩(wěn)定，大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋常產(chǎn)生跨中長(zhǎng)期下?lián)线^大和箱梁開裂的“并發(fā)癥”，且下?lián)虾土芽p均隨時(shí)間延續(xù)而不斷發(fā)展，導(dǎo)致箱梁裂縫擴(kuò)展，使梁體剛度降低，反過來加大梁體的長(zhǎng)期下?lián)希鼈冎g相互耦合、相互影響，直接影響結(jié)構(gòu)的正常使用性能和耐久性。這些問題一直困擾著工程師，有人甚至一度質(zhì)疑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁對(duì)于大跨徑橋梁的適用性問題。事實(shí)上，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋在跨徑300 m內(nèi)的橋型方案選擇上極具競(jìng)爭(zhēng)力，國(guó)內(nèi)外有許多大跨徑混凝土梁橋設(shè)計(jì)實(shí)施的成功案例。連續(xù)梁跨中長(zhǎng)期下?lián)线^大問題在大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋中具有相當(dāng)?shù)钠毡樾?，成為制約該類橋梁往更大跨度發(fā)展的主要障礙，是工程界和學(xué)術(shù)科研界亟待解決的問題之一。表1列出了國(guó)內(nèi)外部分出現(xiàn)典型病害的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋調(diào)查情況[1]。

表1 國(guó)內(nèi)外部分出現(xiàn)典型病害的預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)梁橋調(diào)查情況名稱跨徑組合/m國(guó)家橋型高跨比根部跨中腹板斜裂縫下?lián)?cm測(cè)量時(shí)成橋年數(shù)/a江津長(zhǎng)江大橋140+240+140中國(guó)連續(xù)剛構(gòu)1/17.81/60有31.710黃石大橋162+3×245+162中國(guó)連續(xù)剛構(gòu)1/18.91/59.8有30.57虎門大橋150+270+150中國(guó)連續(xù)剛構(gòu)1/18.21/54有267洛溪大橋65+125+180+110中國(guó)連續(xù)剛構(gòu)1/181/60有6.43三門峽大橋105+4×160+105中國(guó)連續(xù)剛構(gòu)1/201/53.3有2210

續(xù)表1 國(guó)內(nèi)外部分橋梁出現(xiàn)典型病害的調(diào)查情況名稱跨徑組合/m國(guó)家/地區(qū)橋型高跨比根部跨中腹板斜裂縫下?lián)?cm測(cè)量時(shí)成橋年數(shù)/aParrotts Ferry99+195+99美國(guó)連續(xù)剛構(gòu)1/201/80有63.512Grand-mere39.6+181.4+39.6加拿大連續(xù)梁1/18.61/62有309大河鋪大橋100+150+100中國(guó)連續(xù)剛構(gòu)1/251/62.5有275南海金沙大橋66+120+66中國(guó)連續(xù)剛構(gòu)1/201/48有226丫髻沙大橋輔橋86+160+86中國(guó)連續(xù)剛構(gòu)1/17.81/64—23—沅水大橋85+140+85+42中國(guó)連續(xù)剛構(gòu)1/17.51/50有12.5—東明黃河大橋75+7×120+75中國(guó)連續(xù)剛構(gòu)1/18.51/46.2有96Stovset100+220+100挪威連續(xù)剛構(gòu)1/18.31/73.3—208Stolma94+301+72挪威連續(xù)剛構(gòu)1/20.11/86—9.23Getway主跨260澳大利亞連續(xù)剛構(gòu)1/16.61/50———

針對(duì)大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋長(zhǎng)期下?lián)系膯栴}，結(jié)合筆者參與施工監(jiān)控的某預(yù)應(yīng)力混凝土懸澆梁，采用有限元軟件Midas/Civil建立相關(guān)模型，對(duì)節(jié)段間接縫薄弱層引起的大跨懸澆PC連續(xù)箱梁橋跨中長(zhǎng)期下?lián)蠁栴}進(jìn)行分析研究。

1 工程概況

該橋?yàn)榱鐟覞差A(yù)應(yīng)力砼連續(xù)箱梁，跨徑組成為(78+4×130+78)m，箱形截面形式為單箱單室。箱梁高度、底板厚度均按二次拋物線規(guī)律變化，箱梁根部梁高7.8 m，跨中梁高3.3 m；箱梁頂板寬10 m，厚度0.28 m，設(shè)有2%雙向橫坡；箱梁底板寬6 m，厚度為0.7～0.32 m；腹板厚度分別為0.7、0.6、0.4 m；下部結(jié)構(gòu)橋墩編號(hào)為10#～16#，箱梁在墩頂處設(shè)有2 m厚的橫隔板，在10#、16#墩頂處設(shè)有1.2 m厚橫隔板，跨中合攏段設(shè)有0.4 m厚的橫隔板。上部結(jié)構(gòu)箱梁按5個(gè)單“ T ”形懸臂模式共分16段懸臂澆筑施工，其中0#塊梁段長(zhǎng)5 m，其余1#～16#梁段節(jié)段長(zhǎng)度為(5×3+6×4+5×4.5)m，合攏段2 m長(zhǎng)。箱梁按11#～15#橋墩5個(gè)T構(gòu)對(duì)稱懸臂澆筑施工，除0#和1#塊采用搭設(shè)托架澆筑施工外，其余節(jié)段均采用掛籃施工。邊跨現(xiàn)澆段采用搭設(shè)滿堂支架現(xiàn)澆施工。

懸澆連續(xù)梁預(yù)應(yīng)力體系采用三向預(yù)應(yīng)力形式。張拉控制應(yīng)力0.75fpk，兩端張拉。圖1為橋梁立面及典型截面示意。

(a) 全橋立面

2 有限元模型建立

Midas/Civil建立的有限元模型[2]如圖2所示。全橋共建立了194個(gè)單元、222個(gè)節(jié)點(diǎn)。依據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和施工組織方案并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)該橋進(jìn)行了施工階段模擬，將本橋上部結(jié)構(gòu)的施工流程共劃分為60個(gè)階段，其中每個(gè)主梁節(jié)段的施工過程由3個(gè)部分構(gòu)成，即掛籃前移、混凝土澆筑和預(yù)應(yīng)力束張拉。

圖2 全橋桿系模型

3 管道摩阻系數(shù)μ和偏差系數(shù)k的確定

《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362—2018)6.2.1條規(guī)定：預(yù)應(yīng)力損失值宜根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)確定；當(dāng)無可靠試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可按本節(jié)的規(guī)定計(jì)算。

測(cè)試鋼束幾何參數(shù)及張拉控制力與該橋現(xiàn)場(chǎng)摩阻試驗(yàn)分析計(jì)算結(jié)果如表2～4所示。

表2 測(cè)試鋼束幾何參數(shù)及張拉控制力試驗(yàn)鋼束幾何參數(shù)l/mθ/rad設(shè)計(jì)張拉控制應(yīng)力/MPa測(cè)試用張拉控制力/kN3C16.8001 3953 773.23A18.330.523 31 3953 773.2

表3 預(yù)應(yīng)力束3A摩阻試驗(yàn)結(jié)果張拉次數(shù)純管道張拉端傳感器讀數(shù)/kN錨固端傳感器讀數(shù)/kN平均摩阻損失率/%13 763.23 18023 773.23 18815.59233 793.23 195

表4 預(yù)應(yīng)力束3C摩阻試驗(yàn)結(jié)果張拉次數(shù)純管道張拉端傳感器讀數(shù)/kN錨固端傳感器讀數(shù)/kN平均摩阻損失率/%13 777.23 47223 773.23 4807.91133 783.23 485

根據(jù)2束預(yù)應(yīng)力筋共6次管道摩阻試驗(yàn)結(jié)果，分析得到該橋預(yù)應(yīng)力管道摩阻系數(shù)μ=0.161，局部偏差系數(shù)k=0.001 47。

4 節(jié)段間接縫對(duì)長(zhǎng)期撓度的影響

4.1 施工階段分析模型概述

圖3為節(jié)段間鑿毛現(xiàn)場(chǎng)圖，從圖3中可以看出接縫斷面混凝土振搗較充分，鑿毛深度不大的情況下能夠露出粗骨料，經(jīng)過對(duì)該橋隨機(jī)多個(gè)節(jié)段接縫斷面鑿毛情況的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，得出其接縫斷面單側(cè)的鑿毛深度平均為約2 cm，即節(jié)段與節(jié)段間接縫界面的薄弱層平均厚度可取2 cm。

圖3 節(jié)段間鑿毛現(xiàn)場(chǎng)圖

4.2 節(jié)段間接縫薄弱層對(duì)撓度的影響

懸澆砼梁可看作由節(jié)段+薄弱層+節(jié)段黏結(jié)而成的“離散結(jié)構(gòu)”[4]，接縫段處的混凝土薄弱層力學(xué)性能出現(xiàn)削弱，導(dǎo)致了橋梁剛度的降低[5]，即因?yàn)榻涌p薄弱層的存在，使得梁體由一個(gè)整體受力結(jié)構(gòu)變?yōu)橛扇舾蓚€(gè)接縫黏結(jié)而成的離散結(jié)構(gòu)，接縫薄弱層削弱了梁體結(jié)構(gòu)的整體性和連續(xù)性，降低了其抗彎、抗剪剛度，所以接縫薄弱層剛度的降低成為橋梁出現(xiàn)長(zhǎng)期下?lián)系闹匾蛩刂弧?/p>

在荷載作用的長(zhǎng)期影響下，懸澆混凝土連續(xù)梁各節(jié)段在接縫薄弱層處會(huì)產(chǎn)生相對(duì)變形，如圖4所示。

圖4 新舊節(jié)段混凝土相對(duì)變形示意

以筆者在該橋現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)控一年的了解，施工中往往不太重視對(duì)已澆混凝土節(jié)段接縫黏結(jié)界面的處理，部分梁段接縫界面鑿毛質(zhì)量較差，振搗不夠密實(shí)。懸澆梁全橋豎直接縫數(shù)量眾多，因施工原因引起的接縫質(zhì)量問題很容易出現(xiàn)，更加削弱了接縫薄弱層混凝土和其鄰近混凝土的材料特性及力學(xué)性能。即使接縫薄弱層的變形很小，數(shù)量眾多的豎向接縫薄弱層變形累積也會(huì)導(dǎo)致橋梁豎向撓度的顯著增加。因此，接縫薄弱層混凝土和節(jié)段混凝土須區(qū)分對(duì)待，不能一概而論。

目前，在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算分析時(shí)，基本沒有考慮接縫段薄弱層混凝土對(duì)結(jié)構(gòu)整體造成的影響，即假定接縫段混凝土材料及力學(xué)性能與節(jié)段內(nèi)混凝土完全一致，沒有單獨(dú)考慮接縫薄弱層材料及力學(xué)性能削弱對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響，這就使得理論分析與實(shí)際情況出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度計(jì)算過高，從而造成橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)際長(zhǎng)期下?lián)现荡笥谠O(shè)計(jì)值。

4.3 帶接縫單元模型的建立

4.3.1接縫單元參數(shù)的確定

4.3.1.1 單元長(zhǎng)度的確定

全橋接縫處鑿毛深度平均2 cm左右，由此可判定其接縫位置處水泥浮漿厚度約2 cm。實(shí)際情況下，梁段接縫黏結(jié)面處的水泥浮漿厚度具有隨機(jī)離散性，考慮到該橋現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況，假設(shè)2種接縫黏結(jié)面處水泥浮漿的厚度分別為1 cm及3cm，水泥浮漿的厚度即為考慮接縫單元的長(zhǎng)度。

4.3.1.2 單元材料特性的確定

一般認(rèn)為，水泥砂漿強(qiáng)度越高，其彈性模量越大。截至目前為止，有關(guān)砂漿彈模的試驗(yàn)資料不多，同濟(jì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室[6]通過對(duì)8組砂漿進(jìn)行彈模測(cè)定，得出砂漿彈模大小為0.28×104～1.24×104；原北方交通大學(xué)教授季文玉等[7]制作了4組共36個(gè)砂漿試樣樣本(設(shè)計(jì)強(qiáng)度分別為10、20、25、40 MPa)，依據(jù)砂漿試樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)出了關(guān)于水泥砂漿彈模的計(jì)算公式：

E=104/(3+48/f)

(1)

式中:E為水泥砂漿彈性模量，MPa；f為水泥砂漿強(qiáng)度，MPa。

假設(shè)f=40 MPa，代入式(1)，求得E=2.381×103MPa，小于同濟(jì)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室所做試驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍。

該橋箱梁采用的是C55高強(qiáng)混凝土，接縫薄弱層處水泥砂漿強(qiáng)度會(huì)增大，選用2種水泥砂漿的彈性模量：①根據(jù)北方交通大學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式算得E1=2.381×103MPa；②根據(jù)同濟(jì)大學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合工程實(shí)際優(yōu)化后得出E2=2.381×104MPa。其中E2與C20混凝土的彈性模量E=2.55×104MPa接近。水泥砂漿泊松比通常分布在0.15～0.35區(qū)域[8]，取0.2。假設(shè)水泥砂漿重度同節(jié)段內(nèi)混凝土。

4.3.2帶接縫單元模型介紹

將上述2種彈性模量和單元長(zhǎng)度分別組合得到了4種不同特性的接縫單元，依此建立4個(gè)帶不同接縫單元特性的該橋上部結(jié)構(gòu)有限元模型(見表5)。加載齡期設(shè)為7 d，僅考慮節(jié)段混凝土的收縮徐變效應(yīng)，不考慮節(jié)段間接縫薄弱層的收縮徐變效應(yīng)，研究成橋10 a接縫薄弱層對(duì)長(zhǎng)期撓度的影響。

表5 4種不同的接縫單元單元類型彈性模量/MPa單元長(zhǎng)度/m泊松比模型分類接縫單元12.381×1030.030.2接縫模型1接縫單元22.381×1040.030.2接縫模型2接縫單元32.381×1030.010.2接縫模型3接縫單元42.381×1040.010.2接縫模型4

4.4 節(jié)段接縫薄弱層總變形對(duì)撓度的影響

4.4.1計(jì)算結(jié)果

在接縫模型1～4和整體模型中，按梁段編號(hào)導(dǎo)出各節(jié)段在橋面鋪裝完成后經(jīng)過10 a收縮徐變的累積豎向撓度值，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 各梁段的累積位移

4.4.2結(jié)果分析

圖6為接縫影響值與累積位移的比值。

圖6 接縫影響值與累積位移的比值

1) 由圖6可知，大跨度PC連續(xù)梁懸臂施工節(jié)段與節(jié)段之間接縫薄弱層的存在增大了主梁的累積豎向撓度，接縫模型1～4中接縫處薄弱層對(duì)累積豎向撓度的最大影響值分別為-11.85、-1.14、-5.23、-0.54 mm，接縫單元1和接縫單元3對(duì)累積位移的影響較大，接縫單元2和接縫單元4對(duì)累積位移的影響較少，即接縫薄弱層彈性模量越低，接縫層水泥砂漿越厚，產(chǎn)生的累積豎向位移越大。

2) 通過以上數(shù)據(jù)可以得出，當(dāng)節(jié)段接縫薄弱層的彈性模量采用E1=2.381×103MPa 時(shí)，無論薄弱層厚度為1 cm還是3 cm，節(jié)段接縫薄弱層對(duì)主梁累積位移的影響都是不容忽視的，影響值累積位移最大比值達(dá)到了25.01%。節(jié)段接縫薄弱層越厚，其對(duì)主梁累積位移的影響越大。在模擬計(jì)算中，使用水泥砂漿彈模的分析值作為梁段接縫薄弱層的彈模值，可見接縫黏結(jié)面水泥浮漿層對(duì)箱梁累積豎向撓度影響較大，在連續(xù)梁懸澆施工過程中應(yīng)刻意鑿毛梁段接縫黏結(jié)面，而且要特別注意鑿毛的質(zhì)量，并能夠滿足規(guī)范要求。

3) 通過以上數(shù)據(jù)可以得出，當(dāng)節(jié)段接縫薄弱層的彈性模量采用E2=2.381×104MPa時(shí)，無論薄弱層厚度為1 cm還是3 cm，節(jié)段接縫薄弱層對(duì)主梁累積位移的影響都是可以忽略不計(jì)的，影響值累積位移最大比值僅3.4%。這時(shí)的接縫薄弱層采用經(jīng)驗(yàn)彈模值，略低于C20混凝土的彈模(E=2.55×104MPa)，從分析數(shù)據(jù)結(jié)果推得，假設(shè)節(jié)段接縫處無水泥浮漿層，即便因混凝土振搗、攪拌、鋼筋綁扎、立模等引起接縫位置處混凝土材料特性出現(xiàn)削弱，梁段接縫薄弱層的變形對(duì)箱梁累積變形的影響仍可忽視不計(jì)。

4.5 節(jié)段接縫薄弱層剪切變形對(duì)撓度的影響

4.5.1計(jì)算結(jié)果

為了進(jìn)行比較分析，在不考慮剪切變形的接縫模型1～4中，按梁段編號(hào)導(dǎo)出各節(jié)段在橋面鋪裝完成后經(jīng)過10 a收縮徐變的累積豎向撓度值，將它們相對(duì)應(yīng)的撓度值減去4.4節(jié)中的累積位移值，得到了節(jié)段接縫處薄弱層的剪切變形對(duì)箱梁總變形的影響值，即剪切變形影響值1～4，將各影響值與整體模型中各梁段累積位移值相除，得到剪切變形影響比例。

4.5.2結(jié)果分析

圖7為不考慮剪切變形各梁段累積位移值,圖8為剪切變形影響比例。

圖7 不考慮剪切變形各梁段累積位移值

圖8 剪切變形影響比例

1) 結(jié)合圖5和圖7可知，在不考慮節(jié)段與節(jié)段間接縫薄弱層剪切變形影響、僅考慮彎曲變形的情況下，懸臂施工豎向累積位移與考慮剪切變形情況下的豎向累積位移相差不大。剪切影響最大值分別為1.12、0.12、0.85、0.09 mm。不考慮剪切模型1和不考慮剪切模型3對(duì)累積位移的影響大于不考慮剪切模型2和不考慮剪切模型4的影響。

2) 由圖8可知，無論節(jié)段接縫薄弱層的彈性模量E采用2.381×103MPa還是2.381×104MPa，也無論節(jié)段接縫薄弱層的總厚度為1 cm還是3 cm，剪切變形影響比例均小于3%(絕對(duì)值)，可見節(jié)段接縫薄弱層的剪切變形對(duì)箱梁變形的影響在本章所述影響范圍內(nèi)均可忽略不計(jì)。

3) 通過上述各項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)比，可知相對(duì)于接縫薄弱層的剪切變形，其彎曲變形對(duì)箱梁變形的影響起主要作用。

5 結(jié)論

本文在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)大跨懸澆PC連續(xù)梁在運(yùn)營(yíng)期間長(zhǎng)期下?lián)线@一普遍現(xiàn)象進(jìn)行研究分析。通過有限元軟件Midas/Civil對(duì)實(shí)橋(78+4×130+78)m進(jìn)行建模，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)控經(jīng)驗(yàn)，研究節(jié)段接縫薄弱層對(duì)大跨連續(xù)梁長(zhǎng)期下?lián)系挠绊?。得出以下結(jié)論：

1) 節(jié)段接縫薄弱層的剪切變形很小，對(duì)箱梁的長(zhǎng)期撓度影響可以忽略不計(jì)。在箱梁懸臂澆筑施工過程中，當(dāng)節(jié)段接縫處存在一定厚度(本文取1 cm和3 cm兩種情況分析)的水泥浮漿薄弱層時(shí)，該薄弱層的彎曲變形對(duì)大跨懸澆PC連續(xù)梁長(zhǎng)期豎向撓度的影響不可忽略。

2)在箱梁懸臂澆筑施工過程中，如果節(jié)段接縫處無水泥浮漿層，即便因混凝土振搗、攪拌、鋼筋綁扎、立模等導(dǎo)致接縫位置處混凝土材料特性出現(xiàn)削弱，梁段接縫薄弱層的變形對(duì)箱梁累積變形的影響可忽視不計(jì)。

3)該橋主跨130 m，從前述分析數(shù)據(jù)中得出接縫薄弱層總變形對(duì)箱梁長(zhǎng)期豎向撓度的影響最大達(dá)到了25.01%；對(duì)于主跨超過130 m，甚至200 m的大跨懸澆PC連續(xù)梁，接縫薄弱層對(duì)長(zhǎng)期撓度的影響可能會(huì)更大。