含濕接縫的鋼-UHPC組合橋面板收縮效應(yīng)

徐 晨，盧 毅，馬 骉，王 巍，王 浩

(1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092； 2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

正交異性鋼橋面板與超高性能混凝土(ultra high performance concrete，簡(jiǎn)稱UHPC)組合可顯著提升前者的抗疲勞性能[1-4]。UHPC立方體抗壓強(qiáng)度一般可達(dá)150 MPa，單軸抗拉強(qiáng)度可達(dá)8 MPa甚至更高[5]，其彈性模量一般在40 GPa以上，并且由于內(nèi)部摻入了鋼纖維，材料還具有良好的拉伸韌性。UHPC材料水膠比低且含有大量磨細(xì)活性摻合料，在澆筑初期多伴有顯著收縮，一般可達(dá)500×10-6～800×10-6[6]。鋼-UHPC組合橋面板由于界面焊釘約束所導(dǎo)致的收縮次內(nèi)力顯著增加了UHPC開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)[7]，由此帶來(lái)的結(jié)構(gòu)安全及耐久性問(wèn)題不容忽視。

高溫蒸養(yǎng)、材料改性等是改善UHPC早期收縮發(fā)展速度或減少收縮量的有效手段，在UHPC板內(nèi)密集配筋也是抑制UHPC收縮開(kāi)裂的有效措施。文獻(xiàn)[8]通過(guò)試驗(yàn)研究了UHPC-RC(reinforced concrete，鋼筋混凝土)組合結(jié)構(gòu)在常溫養(yǎng)護(hù)(5～35 ℃)和高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)(100 ℃)下的收縮情況，發(fā)現(xiàn)常溫和蒸汽養(yǎng)護(hù)下界面約束分別抑制了57%和80%收縮發(fā)展。文獻(xiàn)[9]研究了不同養(yǎng)護(hù)制度對(duì)UHPC收縮量的影響，發(fā)現(xiàn)熱養(yǎng)護(hù)可以明顯減小UHPC的干燥收縮。另一方面，文獻(xiàn)[10]研究了3種膨脹劑摻量(0、3%、6%)下常溫養(yǎng)護(hù)型UHPC的圓環(huán)約束收縮性能，表明通過(guò)添加膨脹劑可對(duì)常溫養(yǎng)護(hù)型UHPC進(jìn)行收縮補(bǔ)償。然而通過(guò)材料改性來(lái)抑制收縮也可能帶來(lái)材料收縮與膨脹交替出現(xiàn)，受常溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境因素的影響較為明顯[11]。此外，在組合橋面板UHPC澆筑施工中一般需設(shè)置濕接縫來(lái)保障施工質(zhì)量和減少UHPC板的尺寸。文獻(xiàn)[12]對(duì)不同配筋率UHPC濕接縫梁進(jìn)行了靜力抗彎試驗(yàn)，建議在濕接縫處布置短鋼筋以增加該位置的抗裂性能。文獻(xiàn)[13]針對(duì)現(xiàn)澆橋面濕接縫高強(qiáng)補(bǔ)償收縮混凝土開(kāi)展了預(yù)制橋面板混凝土的收縮試驗(yàn)，使用高強(qiáng)收縮補(bǔ)償混凝土后，濕接縫處未出現(xiàn)破壞性的裂縫。

濕接縫是鋼-UHPC組合板的關(guān)鍵部位與受力薄弱環(huán)節(jié)，濕接縫及周邊UHPC的齡期差可引起額外的收縮應(yīng)力，導(dǎo)致組合板更容易在接縫位置發(fā)生受力或疲勞破壞，影響構(gòu)件的受力性能和耐久性。除構(gòu)造特點(diǎn)及施工方法外，環(huán)境溫、濕度，早期彈性模量等也是影響組合橋面板收縮次內(nèi)力的重要參數(shù)。目前已有的恒溫材料收縮研究成果還難以支撐對(duì)常溫養(yǎng)護(hù)條件下帶濕接縫的鋼-UHPC組合橋面板收縮效應(yīng)的模擬和評(píng)估。這成為實(shí)際工程中該類構(gòu)件合理設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，影響結(jié)構(gòu)的安全和經(jīng)濟(jì)性。解決這一問(wèn)題的可行途徑是結(jié)合構(gòu)件監(jiān)測(cè)試驗(yàn)和數(shù)值模擬來(lái)反映工程實(shí)際和揭示收縮分布規(guī)律。

上海葉新公路新泖港大橋?yàn)殡p塔中央雙索面鋼箱梁斜拉橋[14]，塔高60 m。橋梁全長(zhǎng)1 385 m。鋼箱主梁寬38.5 m，采用了鋼-現(xiàn)澆UHPC組合橋面板的構(gòu)件形式，UHPC板厚60 mm。本文結(jié)合背景工程鋼-UHPC組合橋面板夏季高溫高濕施工實(shí)際情況，首先設(shè)計(jì)制作含濕接縫鋼-UHPC組合橋面板足尺節(jié)段試件進(jìn)行自然條件下收縮效應(yīng)監(jiān)測(cè)，考察鋼-UHPC組合橋面板整體與濕接縫處材料在90 d內(nèi)的早期與全過(guò)程收縮及構(gòu)件次內(nèi)力的發(fā)展與分布特點(diǎn)；在此基礎(chǔ)上，結(jié)合力學(xué)分析和精細(xì)化有限元收縮效應(yīng)計(jì)算，討論了組合橋面板收縮次內(nèi)力形成與分布的基本規(guī)律。研究結(jié)果可為深入理解鋼-UHPC組合橋面板收縮效應(yīng)積累重要的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和分析基礎(chǔ)。

1 鋼-UHPC組合橋面板收縮效應(yīng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 橋面板試件設(shè)計(jì)與制作

為考察鋼-UHPC組合橋面板收縮效應(yīng)，首先進(jìn)行了足尺節(jié)段組合橋面板收縮效應(yīng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究。圖1為足尺節(jié)段鋼-UHPC組合橋面板試件尺寸，板件厚度、縱、橫肋間距等均與背景工程中構(gòu)件尺寸相同。圖1(a)為構(gòu)件平面布置圖，試件長(zhǎng)6 000 mm，寬2 000 mm，蓋板采用板肋加勁，共4個(gè)橫肋，間距1 800 mm；試件采用焊釘作為連接件，焊釘釘身直徑13 mm，釘高40 mm。圖1(b)為鋼-UHPC組合橋面板試件斷面布置圖，為考慮UHPC實(shí)際澆筑效果，設(shè)置了與原橋一樣2%的頂面橫坡；試件中，鋼筋等級(jí)均為HRB400，鋼筋直徑為16 mm，布置間距為100 mm，縱橋向鋼筋底部保護(hù)層和橫橋向鋼筋頂部保護(hù)層厚度分別為16、12 mm。圖1(c)為試件濕接縫處的配筋圖，設(shè)置與縱筋相同直徑與間距的接縫補(bǔ)強(qiáng)鋼筋，縱筋搭接長(zhǎng)度為450 mm。

UHPC澆筑時(shí)環(huán)境溫度為37 ℃，濕度約60%，天氣晴。首先澆筑非接縫區(qū)域，8 h后對(duì)UHPC進(jìn)行第1次澆水養(yǎng)護(hù)。濕接縫澆筑的時(shí)間間隔參照工程實(shí)際設(shè)計(jì)為24～48 h，試驗(yàn)中對(duì)先澆UHPC應(yīng)變持續(xù)監(jiān)測(cè)，觀測(cè)到澆筑完成約24 h UHPC早期收縮基本完成后，于初澆筑完成28 h澆筑濕接縫區(qū)域，并在表面覆蓋土工布和塑料薄膜，靜置于室外常溫養(yǎng)護(hù)。兩次澆筑采用的UHPC拌合料完全相同，按照統(tǒng)一配比現(xiàn)場(chǎng)攪拌澆筑，施工人員與設(shè)備相同，且兩次澆筑時(shí)的溫濕度等環(huán)境條件類似。

1.2 橋面板收縮監(jiān)測(cè)方案與測(cè)點(diǎn)布置

圖2為組合橋面板試件靜置布置圖及相關(guān)邊界條件。試件水平放置于水泥地面，保持頂面橫坡為2%。在試件底部加設(shè)墊木以減少自重引起的徐變效應(yīng)的影響。

(a) 鋼橋面板平面布置圖

(b) 橋面板試件橫截面圖 (c) 后澆濕接縫區(qū)域鋼筋平面布置

圖2 收縮監(jiān)測(cè)中的橋面板試件

試驗(yàn)中分別對(duì)UHPC非接縫和濕接縫區(qū)域內(nèi)部、鋼蓋板下表面等部位的縱橋向應(yīng)變進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。其中鋼板表面應(yīng)變測(cè)量采用表貼式振弦應(yīng)變計(jì)，UHPC內(nèi)部則采用光纖光柵應(yīng)變計(jì)，同時(shí)布置一個(gè)光纖溫度計(jì)測(cè)量UHPC內(nèi)部溫度。測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示，其中編號(hào)U表示UHPC光纖光柵應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)，且兩對(duì)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)(U1和U2，U4和U5)在同一縱向位置上沿厚度方向布置，如圖3(b)所示。U3測(cè)點(diǎn)與U2、U5測(cè)點(diǎn)處于豎向同一高度。編號(hào)T表示鋼蓋板下緣表貼式振弦應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)。

(a)平面圖 (b)剖面圖

本文結(jié)合背景工程中鋼-UHPC組合橋面板施工和養(yǎng)護(hù)實(shí)際情況，對(duì)組合橋面板試件進(jìn)行了自然條件下常溫靜置收縮監(jiān)測(cè)，共計(jì)90 d，同時(shí)對(duì)環(huán)境溫濕度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。收縮監(jiān)測(cè)以UHPC首次澆筑完成時(shí)刻記為時(shí)間零點(diǎn)。監(jiān)測(cè)全程中環(huán)境最高溫度為37.8 ℃，最低溫度為11.5 ℃，最高濕度為100.0%，最低濕度為23.0%。

1.3 UHPC材性試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)所用UHPC材料由粉體材料和外摻定制特種鋼纖維組成。各材料組分含量見(jiàn)表1。其中鋼纖維體積摻量為2.3%，鋼纖維抗拉強(qiáng)度大于2 500 MPa；尺寸規(guī)格為直徑0.2 mm，長(zhǎng)度16～18 mm，長(zhǎng)徑比75～90。組合橋面板非接縫區(qū)及接縫區(qū)UHPC材料構(gòu)成、攪拌設(shè)備與人員全部相同，制備環(huán)境相近，表2所列為非接縫區(qū)UHPC材料養(yǎng)護(hù)7 d和28 d的材性試驗(yàn)結(jié)果。

表1 UHPC粉體材料組分

表2 UHPC材性試驗(yàn)結(jié)果

2 鋼-UHPC組合橋面板收縮效應(yīng)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果與分析

本節(jié)主要對(duì)監(jiān)測(cè)所得的鋼-UHPC組合橋面板環(huán)境溫濕度發(fā)展歷程、監(jiān)測(cè)早期(72 h)及全過(guò)程UHPC收縮發(fā)展及鋼蓋板應(yīng)變發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)和討論。由于監(jiān)測(cè)早期UHPC收縮發(fā)展較為迅速，是影響結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵，所以本節(jié)對(duì)其進(jìn)行了專門的考察和分析。

2.1 組合橋面板UHPC溫度和環(huán)境濕度監(jiān)測(cè)結(jié)果

UHPC內(nèi)部及表面的溫度發(fā)展歷程如圖4所示。內(nèi)部溫度由圖3中UHPC內(nèi)部光纖溫度計(jì)測(cè)量，表面溫度由粘貼在UHPC表面的振弦式溫度計(jì)測(cè)量。橫軸時(shí)間零點(diǎn)為首次澆筑UHPC完成時(shí)刻。表面溫度監(jiān)測(cè)比內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)晚8 h。由于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)故障，第37天至第52天的UHPC內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)缺失。根據(jù)溫度監(jiān)測(cè)結(jié)果，UHPC澆筑初期表面日均溫度達(dá)40 ℃，之后呈降低的趨勢(shì)。UHPC板內(nèi)部溫度整體低于表面溫度。澆筑完成后，72 h內(nèi)UHPC內(nèi)部溫度在20～44 ℃之間變化，30 d內(nèi)日平均溫度在15～40 ℃之間變化，30～90 d內(nèi)溫度日均值下降明顯，在10～25 ℃之間變化。內(nèi)部早晚溫差較大，最大溫差約為20 ℃。環(huán)境濕度發(fā)展歷程如圖5所示，橫軸時(shí)間零點(diǎn)與圖4一致。根據(jù)濕度監(jiān)測(cè)結(jié)果，澆筑完成后72 h內(nèi)環(huán)境濕度約在40%～100%之間變化，30 d內(nèi)日平均濕度在50%～100%之間變化；澆筑完成后30～90 d內(nèi)濕度日均值有所降低，大約在50%～80%之間變化。

圖4 UHPC板內(nèi)部和表面溫度監(jiān)測(cè)

圖5 環(huán)境濕度監(jiān)測(cè)

2.2 組合橋面板UHPC早期與全過(guò)程收縮發(fā)展與分布

橋面板濕接縫區(qū)域U1及非接縫區(qū)域U4測(cè)點(diǎn)的收縮發(fā)展歷程如圖6所示。橫軸以UHPC非接縫區(qū)域澆筑完成時(shí)作為時(shí)間零點(diǎn)；豎軸分別以非接縫區(qū)及接縫區(qū)UHPC澆筑完成時(shí)作為應(yīng)變零點(diǎn)，正應(yīng)變表示UHPC體積膨脹，負(fù)應(yīng)變表示UHPC體積收縮。

(a)前72 h應(yīng)變變化

(b)日平均應(yīng)變變化

圖6(a)為早期72 h內(nèi)UHPC應(yīng)變發(fā)展歷程。U4測(cè)點(diǎn)在0～6 h內(nèi)呈現(xiàn)膨脹趨勢(shì)，在第6小時(shí)應(yīng)變達(dá)最大值約為465×10-6，UHPC內(nèi)部水化反應(yīng)熱和膨脹劑是導(dǎo)致膨脹的主要原因。此時(shí)UHPC開(kāi)始初凝硬化，同時(shí)迅速收縮，澆筑后第24小時(shí)到達(dá)收縮谷值。此后，UHPC應(yīng)變發(fā)展趨于穩(wěn)定，變化幅度小于200×10-6?？梢?jiàn)UHPC在炎熱潮濕環(huán)境條件下的早期收縮在24 h內(nèi)基本完成。U1測(cè)點(diǎn)以濕接縫澆筑完成時(shí)(第28小時(shí))作為應(yīng)變零點(diǎn)，UHPC早期膨脹、收縮量與非接縫區(qū)域相比均更小，這與周邊約束及局部配筋加強(qiáng)有關(guān)。圖6(b)為UHPC收縮在90 d內(nèi)的日均發(fā)展歷程。非接縫區(qū)域在監(jiān)測(cè)后期收縮緩慢增長(zhǎng)，60 d后收縮量增長(zhǎng)約為總收縮量的30%，發(fā)展較為穩(wěn)定；接縫區(qū)域受到周邊區(qū)域收縮作用的影響，60 d后的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)了50×10-6。收縮監(jiān)測(cè)全程未見(jiàn)明顯裂縫，接縫狀態(tài)完好。

圖7為U2，U3及U5測(cè)點(diǎn)位置第3天、第20天和第80天時(shí)的UHPC日均收縮分布圖，豎軸以初凝點(diǎn)附近膨脹峰值作為收縮計(jì)算零點(diǎn)?？梢?jiàn)后澆接縫處收縮明顯小于邊緣區(qū)域。從約束條件看，處于板中心的接縫區(qū)域一方面受焊釘?shù)恼w約束作用較強(qiáng)，另一方面受密配筋的約束更強(qiáng)；加之受到周邊先澆UHPC的邊界約束，因此收縮更小。此外，接縫處UHPC與環(huán)境接觸表面積更小，水分蒸發(fā)引起的干燥收縮更小，也會(huì)減小UHPC的收縮量。

圖7 UHPC內(nèi)部縱橋向測(cè)點(diǎn)收縮比較

圖8為根據(jù)U4及U5測(cè)點(diǎn)在第3天、第20天和第80天時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果所得的UHPC沿板厚方向的日均收縮分布圖?？梢?jiàn)靠近鋼頂板處UHPC收縮偏小，收縮呈梯度分布。鋼板阻礙水分蒸發(fā)以及焊釘?shù)募s束作用差異是造成這一現(xiàn)象的主要原因。

統(tǒng)計(jì)UHPC各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變監(jiān)測(cè)結(jié)果列于表3，其中收縮量以初凝點(diǎn)附近膨脹峰值為零點(diǎn)計(jì)算。非接縫區(qū)域初凝點(diǎn)附近膨脹峰值明顯高于接縫區(qū)域，原因是接縫區(qū)域澆筑后受到周邊區(qū)域和鋼筋焊釘?shù)鹊募s束作用更強(qiáng)。UHPC監(jiān)測(cè)過(guò)程中最大收縮發(fā)生在非接縫邊緣區(qū)域的U4測(cè)點(diǎn)處，約為920×10-6，5個(gè)測(cè)點(diǎn)的收縮中位數(shù)為700×10-6。

圖8 UHPC內(nèi)部沿厚度方向測(cè)點(diǎn)收縮比較

表3 UHPC測(cè)點(diǎn)應(yīng)變結(jié)果統(tǒng)計(jì)

2.3 組合橋面板鋼蓋板底面早期與全過(guò)程應(yīng)變發(fā)展

圖9所示為接縫區(qū)T3及非接縫區(qū)T6鋼板測(cè)點(diǎn)應(yīng)變發(fā)展歷程。橫軸以非接縫區(qū)UHPC澆筑完成作為時(shí)間零點(diǎn)，與圖6中UHPC收縮發(fā)展歷程時(shí)間零點(diǎn)保持一致。

圖9(a)為早期72 h內(nèi)鋼板應(yīng)變的發(fā)展歷程。在6 h以前T6測(cè)點(diǎn)處鋼板應(yīng)變值很小，隨后迅速增長(zhǎng)，說(shuō)明非接縫區(qū)UHPC已經(jīng)初凝硬化，收縮在鋼板上產(chǎn)生次內(nèi)力。需要說(shuō)明的是，接縫區(qū)UHPC雖然在第28小時(shí)才完成澆筑，但非接縫區(qū)UHPC收縮與橋面板縱向通長(zhǎng)鋼筋的共同作用會(huì)在接縫區(qū)域截面上引起正彎矩次內(nèi)力。這是T3測(cè)點(diǎn)處鋼板在28 h前出現(xiàn)壓應(yīng)變的主要原因。在濕接縫區(qū)UHPC澆筑完畢后，T3測(cè)點(diǎn)處鋼板應(yīng)變趨于穩(wěn)定，而處于邊緣位置的T6測(cè)點(diǎn)鋼板壓應(yīng)變持續(xù)增加，說(shuō)明非接縫區(qū)UHPC收縮次內(nèi)力持續(xù)增大。

圖9(b)為T3及T6測(cè)點(diǎn)處90 d內(nèi)鋼板日均應(yīng)變發(fā)展歷程?？拷嚰吘壍腡6測(cè)點(diǎn)處鋼板持續(xù)受壓，壓應(yīng)變后期增長(zhǎng)速率逐漸減緩，最大日均壓應(yīng)變約為100×10-6。由于濕接縫區(qū)域鋼筋的密集布置對(duì)該區(qū)域UHPC的收縮產(chǎn)生了約束，導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)鋼板的壓應(yīng)力較周邊更?。辉诖嘶A(chǔ)上，周邊非接縫區(qū)UHPC的收縮逐步增加使接縫區(qū)T3測(cè)點(diǎn)處鋼板產(chǎn)生了拉應(yīng)變。

(a)前72 h應(yīng)變變化

(b)日平均應(yīng)變變化

圖10為根據(jù)T1，T3，T5，T6測(cè)點(diǎn)第3天、第20天和第80天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果所得鋼蓋板底面縱向日均應(yīng)變分布。豎軸以非接縫區(qū)UHPC澆筑完成時(shí)的鋼板應(yīng)變作為應(yīng)變零點(diǎn)?？梢园l(fā)現(xiàn)：非接縫區(qū)域鋼板壓應(yīng)變顯著高于接縫區(qū)域。對(duì)于非接縫區(qū)域，靠近邊緣的測(cè)點(diǎn)壓應(yīng)變小于靠近中心區(qū)域的測(cè)點(diǎn)。結(jié)合圖7中UHPC應(yīng)變分布結(jié)果與分析，可知原因是靠近中心區(qū)域UHPC受焊釘約束作用較強(qiáng)，收縮較小，因此引起的鋼板次內(nèi)力更大。

圖10 鋼蓋板縱橋向測(cè)點(diǎn)應(yīng)變比較

2.4 鋼-UHPC組合橋面板足尺節(jié)段收縮發(fā)展模式總結(jié)

根據(jù)收縮監(jiān)測(cè)和分析結(jié)果，常溫養(yǎng)護(hù)條件下組合橋面板中UHPC板的收縮發(fā)展過(guò)程可大致分為4個(gè)階段，如圖11所示，圖中Ⅰ是早期反應(yīng)膨脹階段，Ⅱ是自收縮為主的快速收縮階段，Ⅲ是終凝硬化完成后的緩慢收縮階段，Ⅳ是受環(huán)境因素影響為主的穩(wěn)定階段。

第Ⅰ階段(0～10 h)是UHPC在澆筑完成后短時(shí)間內(nèi)受水化反應(yīng)的體積增大和放熱的影響，發(fā)生了一定程度的膨脹，最大膨脹量約為400×10-6～500×10-6；第Ⅱ階段(10～36 h)UHPC從最大膨脹值處快速收縮，以自收縮為主，這一階段內(nèi)部的收縮量達(dá)到最終收縮量的70%以上，應(yīng)變減小值約為500×10-6；第Ⅲ階段(1.5～60 d)UHPC內(nèi)部自收縮速度減緩，受環(huán)境因素影響產(chǎn)生的應(yīng)變值所占比重逐漸增加；UHPC表面收縮速度快于內(nèi)部，這一階段的收縮量也高于內(nèi)部，約為100×10-6～200×10-6；第Ⅳ階段(60～90 d)UHPC收縮趨于穩(wěn)定，自收縮基本完成，主要受環(huán)境因素變化的影響，應(yīng)變值在某一小范圍波動(dòng)。整個(gè)過(guò)程中自收縮發(fā)展逐漸減緩，受環(huán)境因素影響的應(yīng)變所占比重不斷增加。

圖11 組合橋面板中UHPC收縮發(fā)展模式示意

在收縮分布模式上，本試驗(yàn)中UHPC板的收縮分布有如下規(guī)律性：1)縱橋向收縮體現(xiàn)出靠近邊緣區(qū)域的收縮量高于后澆濕接縫區(qū)域的特點(diǎn)。這一方面是因?yàn)闃蛎姘逶嚰w積較大，不同區(qū)域位置受到焊釘?shù)鹊募s束作用會(huì)有明顯差異。文獻(xiàn)[15]對(duì)使用裝配式混凝土板的鋼-混凝土組合橋面板的長(zhǎng)期收縮效應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，監(jiān)測(cè)結(jié)果同樣符合這一規(guī)律。另一方面是濕接縫區(qū)域配筋更密，且澆筑初期受到周圍已初凝UHPC的約束，因此收縮量較小。2)UHPC厚度方向上，靠近鋼蓋板處的收縮值更小。原因在于越靠近鋼蓋板處UHPC受到鋼板和焊釘?shù)募s束作用越大，水分揮發(fā)也更少，因此收縮應(yīng)變值較靠近UHPC上表面處更小。

3 帶濕接縫的鋼-UHPC組合橋面板收縮效應(yīng)有限元分析

UHPC收縮主要包含自收縮與干燥收縮[16]。而自然條件下溫度變化既會(huì)對(duì)自收縮產(chǎn)生影響，也會(huì)引起一定的干燥收縮，此外UHPC材料的膨脹系數(shù)也不穩(wěn)定，這些變化規(guī)律需要通過(guò)大量的材料及構(gòu)件試驗(yàn)才能得到精確的模型。目前相關(guān)研究還不充分。本文在常溫監(jiān)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上建立了有限元模型來(lái)進(jìn)一步分析含濕接縫的鋼-UHPC組合橋面板收縮效應(yīng)特征。分析中，溫度變化對(duì)收縮發(fā)展的影響部分不作考慮。UHPC的早期力學(xué)本構(gòu)及收縮特性均參考已有文獻(xiàn)成果進(jìn)行設(shè)置，分析結(jié)果可作為對(duì)收縮監(jiān)測(cè)結(jié)果的定性補(bǔ)充，為將來(lái)的定量分析提出可行的有限元分析方法。

3.1 有限元模型及濕接縫模擬分析方法

通過(guò)ABAQUS建立含濕接縫的鋼-UHPC組合橋面板試件模型。UHPC板、鋼結(jié)構(gòu)分別采用C3D8R實(shí)體單元和S4R板單元模擬，鋼筋采用T3D2桁架單元模擬，焊釘連接件采用connector單元模擬并考慮了剛度非線性。鋼筋單元與UHPC體單元之間建立了embedded(嵌入)約束，UHPC板與鋼蓋板表面設(shè)置了“面-面”接觸，根據(jù)《GB 50017—2017 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》第12.7.4條，鋼與混凝土之間摩擦系數(shù)可取0.4。由于UHPC不含粗骨料，表面粗糙度更小，這里取界面摩擦系數(shù)為0.3。法向設(shè)為“硬接觸”。其他邊界條件與監(jiān)測(cè)試驗(yàn)一致。

收縮監(jiān)測(cè)試驗(yàn)早期，鋼-UHPC組合橋面板中的UHPC分為兩次澆筑，首先是非濕接縫區(qū)澆筑，然后是濕接縫區(qū)澆筑，兩次澆筑相差28 h。在基于顯式動(dòng)態(tài)分析法的有限元模擬分析中分別對(duì)上述兩種狀態(tài)進(jìn)行建模，即不含濕接縫區(qū)域UHPC的組合橋面板模型M1和含濕接縫區(qū)域UHPC的組合橋面板模型M2。M2模型中濕接縫與周邊區(qū)域接觸面設(shè)置為綁定接觸。由于實(shí)際試驗(yàn)中未觀察到UHPC裂縫，因此未考慮UHPC的材料塑性階段，模擬分析中對(duì)兩個(gè)模型的應(yīng)變結(jié)果進(jìn)行線性疊加來(lái)分析帶濕接縫的鋼-UHPC組合板收縮效應(yīng)發(fā)展規(guī)律，計(jì)算方法為

R(72 h)=R(M1)+R(M2)

(1)

其中:R(M1)和R(M2)分別為M1和M2模型收縮計(jì)算下的響應(yīng)，R(72 h)為初澆筑后72 h收縮計(jì)算的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。

3.2 材料力學(xué)本構(gòu)與UHPC收縮模型

模型中UHPC材料的強(qiáng)度等參考表2設(shè)定。UHPC的線膨脹系數(shù)近似取11.76×10-6/℃[16]，采用線彈性模型。UHPC早期彈性模量持續(xù)變化，模擬中參照歐洲FIB模式規(guī)范設(shè)定彈性模量變化曲線，如圖12(a)所示，圖中t為UHPC齡期。鋼的彈性模量取2.06×105MPa，線膨脹系數(shù)取1.2×10-5，采用理想彈塑性模型，屈服應(yīng)力為345 MPa。由于引起UHPC早期開(kāi)裂的主要是初凝后的收縮，因此本文針對(duì)初凝點(diǎn)附近最高膨脹值后的收縮進(jìn)行模擬。

根據(jù)文獻(xiàn)[17-19]對(duì)UHPC收縮發(fā)展的研究成果，結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果，假定本試驗(yàn)中UHPC材料在0～3 d內(nèi)的收縮發(fā)展曲線如圖12(b)所示。UHPC澆筑后初期收縮發(fā)展較快，約48 h后收縮速率逐漸減緩。由于試驗(yàn)環(huán)境日溫差和日濕度差均較大，收縮監(jiān)測(cè)中的最值也較大，因此模擬中的應(yīng)變發(fā)展參照收縮日均值發(fā)展進(jìn)行設(shè)置。通過(guò)降溫模擬組合橋面板中UHPC的收縮，降溫曲線(溫度-時(shí)間關(guān)系)根據(jù)收縮發(fā)展曲線進(jìn)行設(shè)定。

(a) UHPC彈性模量發(fā)展曲線 (b) UHPC收縮發(fā)展曲線

3.3 鋼-UHPC組合橋面板收縮效應(yīng)計(jì)算結(jié)果

3.3.1 組合板中UHPC收縮發(fā)展與分布

第1次UHPC澆筑后28 h內(nèi)(濕接縫即將澆筑前)組合橋面板收縮效應(yīng)為M1模型計(jì)算結(jié)果，第1次UHPC澆筑后28～72 h(濕接縫澆筑完成后)組合橋面板收縮效應(yīng)為M2模型計(jì)算結(jié)果。0～3 d UHPC收縮效應(yīng)為兩個(gè)模型計(jì)算結(jié)果的疊加。濕接縫澆筑前后UHPC組合橋面板縱向中軸線上的UHPC應(yīng)變分布如圖13所示，應(yīng)力分布如圖14所示。

圖13 濕接縫澆筑前后UHPC橫向中心線應(yīng)變分布

圖14 濕接縫澆筑前后UHPC橫向中心線應(yīng)力分布

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在濕接縫澆筑前(0～28 h)，非接縫區(qū)域分別各自收縮，區(qū)域中心部分收縮量較小；由于焊釘布置不均勻，單個(gè)區(qū)域內(nèi)收縮分布不完全對(duì)稱。濕接縫澆筑后(28～72 h)，非接縫區(qū)域中靠近濕接縫的部分收縮量較小，且在接縫周邊產(chǎn)生了一定的拉應(yīng)變。疊加后發(fā)現(xiàn)，3 d時(shí)后澆區(qū)域靠近濕接縫處的收縮值小于后澆中心區(qū)域，原因是接縫處UHPC受到了周邊非接縫區(qū)域的約束作用。從應(yīng)力來(lái)看，與接縫相鄰的區(qū)域的拉應(yīng)力值明顯高于周邊區(qū)域，這說(shuō)明收縮影響下接縫附近是組合板受力的薄弱部位。

3.3.2 組合板中鋼蓋板應(yīng)變發(fā)展與分布

濕接縫澆筑前后鋼蓋板橫向中心線應(yīng)力分布如圖15所示。濕接縫澆筑前，先澆部分各自中心區(qū)域鋼板壓應(yīng)力最大。結(jié)合中心區(qū)域UHPC收縮更小的現(xiàn)象，分析原因是中心區(qū)域UHPC受鋼板約束作用更大，因此引起的鋼板壓應(yīng)力更大。由于非接縫區(qū)域收縮引起的正彎矩次內(nèi)力作用，在接縫澆筑前濕接縫區(qū)域鋼板就受到壓應(yīng)力。濕接縫澆筑后，接縫處鋼板則由于UHPC收縮而受壓。

初澆筑3 d后，濕接縫區(qū)域鋼板上壓應(yīng)力達(dá)到22 MPa，仍然明顯小于周邊區(qū)域鋼板。這說(shuō)明濕接縫區(qū)域內(nèi)部由于受到密配鋼筋和先澆UHPC的約束作用，引起的鋼板次內(nèi)力相比周邊區(qū)域會(huì)更小。

將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果定性比較，可以發(fā)現(xiàn)計(jì)算所得收縮效應(yīng)的分布規(guī)律與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，這主要體現(xiàn)在：1)UHPC收縮值在組合板邊緣區(qū)域較高，靠近中心區(qū)域較低；2)接縫澆筑前，接縫區(qū)域鋼板受非接縫區(qū)域收縮影響產(chǎn)生壓應(yīng)力；3)收縮次內(nèi)力引起的接縫區(qū)域鋼板壓應(yīng)變比先澆部分中心區(qū)域更小。計(jì)算所得接縫區(qū)域鋼板受壓應(yīng)力高于監(jiān)測(cè)結(jié)果，主要原因可能包括計(jì)算模型中未能考慮UHPC中膨脹劑的作用，接縫區(qū)域UHPC早期的膨脹抵消了一部分鋼板的壓應(yīng)力。

圖15 濕接縫澆筑前后鋼蓋板橫向中心線應(yīng)力分布

4 結(jié) 論

本文結(jié)合某橋鋼-UHPC組合橋面板夏季施工及養(yǎng)護(hù)實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)自然環(huán)境常溫養(yǎng)護(hù)下的鋼-UHPC組合橋面板足尺模型的靜置收縮效應(yīng)監(jiān)測(cè)，考察了夏季高溫養(yǎng)護(hù)環(huán)境下組合橋面板中收縮效應(yīng)發(fā)展特點(diǎn)；同時(shí)采用有限元分析探討了UHPC組合橋面板收縮次內(nèi)力的分布特點(diǎn)。得出以下結(jié)論：

1)在最高溫度37.8 ℃，最大溫差20 ℃左右，濕度80%左右的環(huán)境條件下，UHPC初凝時(shí)間約為6 h，早期收縮在24 h左右基本完成。60 d后收縮量約占監(jiān)測(cè)全程收縮量的30%，各測(cè)點(diǎn)全程收縮量中位數(shù)為700×10-6；后澆濕接縫區(qū)域的收縮量小于邊緣區(qū)域；越靠近UHPC表面處的收縮越顯著。澆筑齡期差為28 h的情況下，濕接縫與周邊UHPC區(qū)域的結(jié)合較好，未觀察到收縮裂縫。

2)根據(jù)監(jiān)測(cè)和分析結(jié)果，鋼-UHPC組合橋面板的收縮發(fā)展大體可以分為4個(gè)階段，包括早期膨脹(0～10 h)、初凝硬化后顯著收縮(10～36 h)、緩慢收縮(36～60 d)以及穩(wěn)定階段(60 d以后)。

3)根據(jù)試驗(yàn)和有限元模型計(jì)算結(jié)果，對(duì)于濕接縫澆筑前的兩塊UHPC板，UHPC收縮在UHPC板的邊緣較大，靠近UHPC板中心位置更小；收縮次內(nèi)力引起的鋼板壓應(yīng)變?cè)诎暹吘壿^小，板中心位置較大。對(duì)于濕接縫澆筑后的整塊組合板，接縫處UHPC收縮與鋼板壓應(yīng)變均小于周邊區(qū)域。濕接縫處密集配筋對(duì)該區(qū)域UHPC收縮的約束以及周邊UHPC收縮發(fā)展的影響是主要原因。

4)通過(guò)有限元模擬分析可知，組合橋面板收縮效應(yīng)及齡期差在濕接縫交界處造成了較為明顯的應(yīng)力變化，在濕接縫邊界附近UHPC拉應(yīng)力有增加的趨勢(shì)；接縫區(qū)域鋼板在接縫澆筑前已受到壓應(yīng)力作用，接縫澆筑后鋼板在濕接縫交界對(duì)應(yīng)位置也存在著應(yīng)力轉(zhuǎn)折點(diǎn)?？梢?jiàn)收縮影響下濕接縫邊界附近是組合板受力的薄弱部位。