剛性拼接不等高布置空心板橋受力性能研究

盧建福,吳慶雄,陳康明,王 渠

(1.廈門路橋百城建設(shè)投資有限公司,福建 廈門 361200;2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院,福建 福州 350108)

我國(guó)已建成二級(jí)及以上等級(jí)公路里程達(dá)74.36萬(wàn)km,橋梁達(dá)103.32萬(wàn)座,規(guī)模位居世界第一[1]。但是,隨著交通量的迅猛增長(zhǎng),早期建設(shè)的公路無(wú)法匹配其所承擔(dān)的交通運(yùn)輸任務(wù)。與新建公路相比,既有公路的改擴(kuò)建工程具有投資不大、周期較短等特點(diǎn),越來(lái)越受到工程界的關(guān)注。對(duì)于橋梁的改擴(kuò)建來(lái)說(shuō),若新、舊橋上部不拼接時(shí)主梁可能出現(xiàn)撓度差、啃邊、伸縮裝置破損等病害,故新、舊橋上部結(jié)構(gòu)拼接可以使新、舊橋上部結(jié)構(gòu)拼接成整體,共同受力;同時(shí),新、舊橋下部結(jié)構(gòu)不拼接,各自受力互不影響,既能避免新、舊橋下部結(jié)構(gòu)拼接的技術(shù)難題,降低施工難度和成本,又可避免新、舊橋下部拼接時(shí)基礎(chǔ)沉降差對(duì)拓寬橋梁造成的不利影響,因此,“新、舊橋上部結(jié)構(gòu)拼接、下部結(jié)構(gòu)不拼接”已成為我國(guó)橋梁拓寬改造的主要方法[2]。

國(guó)內(nèi)外已針對(duì)T梁橋、空心板橋和箱梁橋等常用橋型的拼接結(jié)構(gòu)進(jìn)行了諸多理論研究和工程實(shí)踐,具體可分為柔性拼接、半剛性拼接和剛性拼接三種[3-7]。柔性拼接主要通過(guò)新、舊橋主梁翼緣板內(nèi)少量鋼筋的連接及在翼緣連接處的頂面和底面鋸縫并填塞柔性材料,只傳遞剪力不傳遞彎矩;半剛性拼接一般在柔性拼接的基礎(chǔ)上增加橋面鋪裝層配筋,可以傳遞剪力和部分彎矩;剛性拼接通過(guò)預(yù)留鋼筋將新、舊橋主梁翼緣板拼接,且橋面鋪裝沿縱橋向完全連接,可以傳遞全部剪力和彎矩。宗周紅等[8]、Chai等[9]、王浩等[10]、趙煜等[11]分析了不同類型橋梁拼寬方法對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響,認(rèn)為橫向聯(lián)系剛度對(duì)改善結(jié)構(gòu)受力影響顯著,應(yīng)盡量增大橫向聯(lián)系剛度。因此,由于剛性拼接不僅能夠有效傳遞荷載,保證新、舊橋能夠協(xié)同受力,且施工快速便捷,使得剛性拼接結(jié)構(gòu)基本成為目前國(guó)內(nèi)橋梁拓寬的主要拼接結(jié)構(gòu)。

由于空心板橋在中國(guó)公路橋梁中占有很大的比例,使得對(duì)新、舊空心板橋拼接后的受力性能研究具有重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。賀再興等[12]、Ferretti等[13]通過(guò)計(jì)算分析認(rèn)為增大新橋主梁截面剛度有利于減少舊橋受力;陳康明等[14]討論了考慮混凝土收縮徐變等長(zhǎng)期荷載作用下拼寬橋梁的受力性能;方志等[15]、鄔曉光等[16]、彭可可[17]討論了混凝土收縮徐變對(duì)主梁受力變化的影響;馬海英等[18]通過(guò)試驗(yàn)研究了非對(duì)稱邊界條件對(duì)承載能力和破壞模式的影響;王渠等[19]則通過(guò)試驗(yàn)和有限元分析探討了空心板梁橋拼接結(jié)構(gòu)剛度取值范圍。

綜上所述,已有許多學(xué)者對(duì)新舊橋拼接結(jié)構(gòu)和拼接后橋梁整體受力性能進(jìn)行了研究,但研究多針對(duì)新舊橋主梁等高度的情況。然而,相關(guān)工程統(tǒng)計(jì)表明:多數(shù)拼寬空心板橋在建設(shè)時(shí)依據(jù)的是舊規(guī)范,而擴(kuò)建新橋則遵循新規(guī)范,造成新、舊橋主梁不等高;同時(shí),隨著《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)中設(shè)計(jì)荷載的提高,舊橋需要經(jīng)過(guò)加固才能滿足新規(guī)范的要求[20-21]。

對(duì)于新舊橋主梁不等高的空心板橋,拼接縫是否能夠有效傳遞荷載使得新橋與舊橋整體受力,以及由于橫向傳遞的荷載位于主梁不同的梁高位置,拼接縫構(gòu)造是否晚于新、舊橋主梁發(fā)生破壞及拼接縫與主梁結(jié)合面的破壞模式等均有待研究。

針對(duì)上述拼寬橋梁中面臨的問(wèn)題,以某座新舊橋主梁不等高布置的空心板橋?yàn)閷?duì)象,提出一種剛性拼接結(jié)構(gòu),并針對(duì)上述拼寬空心板橋開(kāi)展足尺模型試驗(yàn)研究和有限元分析,研究荷載作用下,新型拼接結(jié)構(gòu)的傳力路徑、受力機(jī)理和破壞模式。

1 新舊空心板橋新型拼接方法的提出

1.1 工程概況

某高速公路改擴(kuò)建工程共有橋涵780座,其中裝配式空心板橋的數(shù)量達(dá)370座,約占全線橋梁數(shù)的47%[20-21]。舊橋按85規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)圖建造,空心板板高40 cm,采用22 cm整體化鋪裝改造以滿足新規(guī)范的承載力要求,新橋按04規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)圖建造,空心板板高45 cm。

為滿足新、舊橋不等高布置的要求,采用一種現(xiàn)澆混凝土濕接縫剛性拼接結(jié)構(gòu)連接新、舊橋。具體過(guò)程為:鑿除舊橋0.75 m范圍內(nèi)的護(hù)欄、整體化鋪裝層和混凝土調(diào)平層;保留舊橋鋪裝層橫向鋼筋并與新橋鋪裝層鋼筋焊接;同時(shí)在舊橋邊板外側(cè)距離底部5 cm處植入長(zhǎng)約40 cm鋼筋(伸入邊板15 cm)并與新橋邊板預(yù)埋鋼筋焊接;拼接結(jié)構(gòu)沿縱橋向布置3根底部縱筋和2根頂部縱筋,并與橋面鋪裝鋼筋用箍筋封閉;最后與新、舊橋橋面鋪裝一起,整體澆注連接段微膨脹混凝土。具體構(gòu)造形式如圖1所示。

圖1 拼寬空心板連接構(gòu)造示意圖(單位:cm)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取該高速公路改擴(kuò)建工程中具有代表性的8 m拼寬空心板橋?yàn)檠芯繉?duì)象,新、舊空心板各一片邊板和中板及拼接結(jié)構(gòu)組成試驗(yàn)?zāi)Ｐ?如圖2所示?？招陌逖乜v橋向?yàn)榈冉孛?舊空心板中板寬124 cm,邊板寬124.5 cm,板高40 cm,中間為3個(gè)直徑24 cm的圓孔;新空心板中板寬124 cm,邊板寬131 cm,板高45 cm,中間為3個(gè)直徑20 cm圓孔。拼接結(jié)構(gòu)采用與實(shí)橋完全相同的截面形式及鋼筋構(gòu)造。舊空心板采用厚22 cm的鋼筋混凝土整體化鋪裝層,新空心板采用厚12 cm的鋼筋混凝土鋪裝層。

圖2 拼寬空心板橋橫斷面布置圖(單位:cm)

拼接結(jié)構(gòu)、空心板、鉸縫及橋面鋪裝均采用C30混凝土;鋼筋采用HRB335熱軋鋼筋。主梁采用圓形板式橡膠支座,每片主梁兩側(cè)梁端各設(shè)2個(gè)支座,共設(shè)16個(gè)支座。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌?/p>

1.3 試驗(yàn)加載

采用剛性拼接結(jié)構(gòu)的拼寬空心板橋拼接結(jié)構(gòu)會(huì)在荷載作用下產(chǎn)生變形,使空心板橋的橫向分布曲線在拼接結(jié)構(gòu)處產(chǎn)生變化,荷載橫向分布存在明顯的折線過(guò)渡。無(wú)論將拼接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為鉸接或剛接,均無(wú)法正確地反映此類拼寬空心板橋的荷載橫向分布規(guī)律。因此,王渠等[19]提出了考慮拼接結(jié)構(gòu)剛度的拼寬空心板橋荷載橫向分布計(jì)算方法,如圖4所示,拼接結(jié)構(gòu)視為與空心板相同的結(jié)構(gòu),考慮拼接結(jié)構(gòu)剛度,將拼接結(jié)構(gòu)與相鄰新板、舊板之間的連接視為“半剛接”,傳遞剪力和彎矩。

圖4 考慮拼接結(jié)構(gòu)剛度荷載橫向分布計(jì)算圖示

拼接結(jié)構(gòu)的橫橋向影響線如圖5所示。采用車輛荷載進(jìn)行加載時(shí),最不利荷載橫橋向布載方式為:有一車輪荷載作用于拼接結(jié)構(gòu)上,此時(shí)拼接結(jié)構(gòu)處于豎剪加橫彎受力狀態(tài)。

圖5 橫橋向加載位置圖示

公路-Ⅰ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)車輛的前、后軸之間的距離是12.8 m,大于試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目鐝?8 m),取用標(biāo)準(zhǔn)車輛重軸(即后軸)進(jìn)行加載。采用四點(diǎn)加載,縱橋向合力加載點(diǎn)在跨中,如圖6所示。因此,公路-Ⅰ級(jí)對(duì)應(yīng)的單點(diǎn)加載噸位為F=280 kN/4=70 kN,即單點(diǎn)加載70 kN相當(dāng)于1.00倍車輛荷載,后文中的荷載均指單點(diǎn)荷載。同時(shí),為了更準(zhǔn)確地在試驗(yàn)中模擬車輛荷載,利用橡膠墊塊來(lái)模擬車輪著地區(qū)域,加載區(qū)域?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)車輛后軸輪胎著地的面積,即橫橋向0.6 m×縱橋向0.2 m。

圖6 加載位置示意圖

使用油壓千斤頂四點(diǎn)同步加載,每級(jí)5 kN加載,試驗(yàn)荷載與設(shè)計(jì)車輛荷載之間的關(guān)系示于表1。彈性階段,各級(jí)荷載加載持續(xù)2 min后進(jìn)行測(cè)量;進(jìn)入彈塑性階段后,待應(yīng)變和位移數(shù)值穩(wěn)定后再進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。

表1 加載噸位及對(duì)應(yīng)荷載值匯總表

1.4 測(cè)點(diǎn)布置

空心板和拼接結(jié)構(gòu)的撓度和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)均布置在跨中斷面。每片空心板各底橫橋向中央各布置1個(gè)撓度和縱向混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。拼接結(jié)構(gòu)的測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示,拼接結(jié)構(gòu)中央及靠近拼接結(jié)構(gòu)兩側(cè)邊梁邊緣各布置1個(gè)撓度(L1—L3)和縱向混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)(C1—C3);每根縱向鋼筋布置一個(gè)縱向鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)(G1—G5)。跨中截面共布置7個(gè)撓度測(cè)點(diǎn),7個(gè)混凝土應(yīng)變測(cè)點(diǎn)及5個(gè)鋼筋應(yīng)變測(cè)點(diǎn)。

圖7 拼接結(jié)構(gòu)撓度和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2 有限元計(jì)算模型

2.1 有限元模型

采用通用有限元軟件ABAQUS建立拼寬空心板橋?qū)嶓w有限元模型,如圖8所示?；炷梁弯摻罘謩e采用C3D8R單元和T3D2單元模擬。有限元模型中的邊界條件是空心板橋梁端采用簡(jiǎn)支約束,即一端約束節(jié)點(diǎn)的x、y、z方向的位移模擬固定支座,另一端則約束節(jié)點(diǎn)的x、y方向的位移模擬移動(dòng)支座,其中x為橫橋向,y為梁高方向,z為縱橋向。全橋共114 938個(gè)單元,其中混凝土99 318個(gè)單元和鋼筋的15 620個(gè)單元?；炷凉?jié)點(diǎn)139 045個(gè)和鋼筋節(jié)點(diǎn)22 362個(gè)單元。

圖8 拼寬橋梁實(shí)體有限元模型

2.2 混凝土和鋼筋的本構(gòu)關(guān)系

鋼筋采用彈塑性雙直線模型,彈性模量Es=200 GPa,屈服強(qiáng)度σs=335 MPa。由于鋼材進(jìn)行屈服階段以后,結(jié)構(gòu)變形大幅增加,通常即認(rèn)為結(jié)構(gòu)失去承載能力,因此本文不考慮“鋼材的強(qiáng)化”。

混凝土采用不考慮損傷的CDP模型模擬[22],結(jié)合試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)規(guī)范給出的曲線作適當(dāng)修正,本構(gòu)模型如圖9所示,混凝土初始切線模量E0是由所選取的單軸受壓本構(gòu)關(guān)系以及人為定義的彈性極限點(diǎn)所確定的。定義彈性段和強(qiáng)化段的分界點(diǎn)即彈性極限點(diǎn)時(shí),一般取1/3～1/2混凝土單軸受壓軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fc*,本文取0.4fc*。據(jù)此,可按式(1)計(jì)算混凝土初始切線彈性模量:

圖9 混凝土本構(gòu)關(guān)系

(1)

采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件對(duì)試塊養(yǎng)護(hù)28 d后,由混凝土材性試驗(yàn)得到材料參數(shù),具體如表2所示。

表2 混凝土材料參數(shù) 單位:MPa

2.3 拼接結(jié)構(gòu)與空心板接觸模擬

拼接結(jié)構(gòu)與空心板的接觸屬于三向應(yīng)力問(wèn)題,如圖10(a)所示,在拼接結(jié)構(gòu)與空心板接觸面處定義各個(gè)作用方向,其中x向?yàn)榉ㄏ蚍较?y向?yàn)槠叫杏诮佑|面并沿著豎向(梁高)方向,z向?yàn)槠叫杏诮佑|面并沿著縱橋向方向(圖中未示出z向)?；炷翉?qiáng)度可以分為法向軸拉強(qiáng)度f(wàn)t、兩個(gè)沿著接觸面表面y、z方向的剪切強(qiáng)度τy、τz,如圖10(b)所示。

圖10 接觸面混凝土強(qiáng)度方向

拼接結(jié)構(gòu)與空心板接觸面混凝土滑移關(guān)系采用雙折線模型模擬[23],如圖11所示,具體模擬方法為:法向軸拉強(qiáng)度f(wàn)t取新橋混凝土抗拉強(qiáng)度的70%,即2.00 MPa[24];剪切強(qiáng)度τ取0.01倍的混凝土抗壓強(qiáng)度,并假定豎向和縱橋向有相同的剪切強(qiáng)度,即τ1=τ2=τ,即0.31 MPa[25]。最終滑移值Su為峰值應(yīng)力對(duì)應(yīng)滑移值S0的3倍,滑移剛度K=10 MPa/mm。不考慮三個(gè)方向強(qiáng)度之間的耦合,即不考慮切向位移引起的法向位移和法向位移引起的切向位移。

圖11 雙折線模型

2.4 連接鋼筋模擬

舊橋邊板植筋與新橋邊板預(yù)埋鋼筋的受力性能不盡相同,故采用不同方法模擬連接鋼筋粘結(jié)劑假定鋼筋與混凝土完全固結(jié),采用EMBEDDED方式模擬。植筋主要通過(guò)化學(xué)膠劑錨固,采用SPRING單元模擬。植筋膠的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系曲線見(jiàn)圖12,依據(jù)張建榮[26]的研究成果,偏安全地取對(duì)應(yīng)于粘結(jié)屈服強(qiáng)度的滑移量為Sb=0.1 mm。

圖12 粘結(jié)滑移曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)過(guò)程

加載初期,拼接結(jié)構(gòu)及空心板均處于彈性工作狀態(tài),各板荷載-撓度曲線呈線性變化,且變化速率基本一致。

當(dāng)試驗(yàn)荷載小于90 kN時(shí)(1.29公路-Ⅰ級(jí)荷載)時(shí),拼接結(jié)構(gòu)完好,能夠均勻傳遞荷載。

當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到90 kN(1.29倍公路-Ⅰ級(jí)荷載)時(shí),新橋中板(1號(hào)空心板)首先開(kāi)裂,隨荷載的增加,其余各板相繼開(kāi)裂。

當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到145 kN(2.05倍公路-Ⅰ級(jí)荷載)時(shí),拼接結(jié)構(gòu)靠近跨中截面底緣出現(xiàn)1條橫向裂縫。當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到155 kN(2.21倍公路-Ⅰ級(jí)荷載)時(shí),梁端拼接結(jié)構(gòu)與新板處出現(xiàn)豎向裂縫。當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到165 kN(2.36倍公路-Ⅰ級(jí)荷載)時(shí),拼接結(jié)構(gòu)的荷載-撓度曲線已出現(xiàn)明顯拐點(diǎn),試驗(yàn)停止加載。

3.2 拼接空心板橋整體受力性能分析

圖13為試驗(yàn)得到的拼接結(jié)構(gòu)跨中截面撓度曲線?？梢钥闯?當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到新橋中板(1號(hào)空心板)開(kāi)裂荷載90 kN時(shí),拼接結(jié)構(gòu)荷載-撓度曲線為直線,說(shuō)明拼接結(jié)構(gòu)仍在彈性階段;直到試驗(yàn)荷載達(dá)到拼接結(jié)構(gòu)開(kāi)裂荷載145 kN時(shí),拼接結(jié)構(gòu)荷載-撓度曲線拐彎剛度下降,拼接結(jié)構(gòu)加入塑性階段。同時(shí),整個(gè)加載過(guò)程,新橋邊板(2號(hào)空心板)外緣側(cè)撓度測(cè)點(diǎn)L1、拼接結(jié)構(gòu)橫向中央撓度測(cè)點(diǎn)L2、3號(hào)板內(nèi)緣側(cè)撓度測(cè)點(diǎn)L3三者的撓度變化基本一致,說(shuō)明剛性拼接結(jié)構(gòu)能夠有效傳遞荷載。

圖13 拼接結(jié)構(gòu)跨中截面撓度曲線

圖14為不同荷載作用下跨中截面撓度沿橫橋向分布曲線?？梢钥闯?當(dāng)試驗(yàn)荷載小于145 kN時(shí),拼接結(jié)構(gòu)未開(kāi)裂,新、舊空心板撓度通過(guò)拼接結(jié)構(gòu)平順過(guò)渡;當(dāng)荷載超過(guò)145 kN后,拼接結(jié)構(gòu)跨中截面開(kāi)裂,曲線在拼接結(jié)構(gòu)位置出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折,荷載橫向傳遞能力減小。

圖14 跨中截面撓度沿橫橋向分布

圖15和圖16分別是空心板跨中截面撓度曲線和板底混凝土縱向應(yīng)變曲線?？梢钥闯?在各空心板混凝土開(kāi)裂前,隨荷載的增大空心板板底縱向應(yīng)變線性增長(zhǎng);當(dāng)各空心板混凝土應(yīng)變達(dá)到開(kāi)裂應(yīng)變8.3×10-5后,隨荷載的增大空心板板底縱向應(yīng)變非線性增長(zhǎng)。各空心板的開(kāi)裂荷載依次為:新板中板(1號(hào)空心板)開(kāi)裂荷載約90 kN;新板邊板(2號(hào)空心板)和舊板邊板(3號(hào)空心板)開(kāi)裂荷載約110 kN;舊板中板(4號(hào)空心板)開(kāi)裂荷載約130 kN。

圖15 空心板跨中截面撓度曲線

圖16 空心板跨中截面混凝土應(yīng)變曲線

基于與本文相同截面尺寸和邊界條件的8 m足尺空心板橋足尺模型試驗(yàn),吳慶雄等[27]分析了結(jié)合面底部帶門式鋼筋的鉸接空心板破壞形式,得到空心板跨中截面底緣開(kāi)裂荷載為85 kN。王鋒[28]分析了厚度22 cm整體化鋪裝加固空心板破壞形式,得到加固后空心板跨中截面底緣開(kāi)裂荷載為110 kN。將上述空心板開(kāi)裂荷載值匯總于表3?？煽闯?本文剛性拼接的新空心板(1號(hào)空心板)開(kāi)裂荷載與結(jié)合面底部帶門式鋼筋的新空心板開(kāi)裂荷載接近;本文剛性拼接的舊空心板(3號(hào)空心板)開(kāi)裂荷載與加固后空心板開(kāi)裂荷載相同。

表3 空心板開(kāi)裂荷載值匯總表 單位:kN

因此,拼接結(jié)構(gòu)能有效地傳遞荷載,將新板與舊板剛性連接成整體受力,且不改變新舊空心板的承載能力;拼接結(jié)構(gòu)晚于空心板開(kāi)裂,從而說(shuō)明拼接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理有效的。

3.3 拼接結(jié)構(gòu)受力性能分析

為分析拼接結(jié)構(gòu)的承載能力和破壞模式,采用非線性有限元模型進(jìn)行分析,并將荷載增至250 kN(3.57倍公路-Ⅰ級(jí)荷載)。圖17為荷載-拼接結(jié)構(gòu)跨中截面撓度曲線?？梢钥闯?拼接結(jié)構(gòu)彈性階段,有限元結(jié)果與試驗(yàn)值吻合良好,整體變化趨勢(shì)相近,從而驗(yàn)證了建立的有限元模型的正確性。

圖17 荷載-拼接結(jié)構(gòu)跨中截面撓度曲線

提取不同荷載作用下拼接結(jié)構(gòu)跨中截面混凝土縱向應(yīng)力沿高度方向分布情況,如圖18所示。

圖18 拼接結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)力沿高度分布

由圖18可以看出,當(dāng)荷載小于拼接結(jié)構(gòu)開(kāi)裂荷載145 kN(有限元得到的拼接結(jié)構(gòu)開(kāi)裂荷載為150 kN)時(shí),沿高度方向的拼接結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力均為直線,呈上部受壓、下部受拉,拼接結(jié)構(gòu)中性軸高度約0.12 m;當(dāng)荷載超過(guò)拼接結(jié)構(gòu)開(kāi)裂荷載145 kN后,拼接結(jié)構(gòu)開(kāi)裂,沿高度方向的拼接結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力不再呈直線,且隨荷載的增加,拼接結(jié)構(gòu)底緣混凝土開(kāi)裂使得中性軸高度上升,加載至250 kN時(shí),中性軸高度上升至約0.22 m。

圖19為拼接結(jié)構(gòu)跨中截面混凝土縱向應(yīng)變曲線?？梢钥闯?加載初期隨著荷載的增大,拼接結(jié)構(gòu)板底混凝土應(yīng)變線性增長(zhǎng);當(dāng)荷載大于4號(hào)空心板開(kāi)裂荷載130 kN后,四塊空心板全部開(kāi)裂,拼接結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)變?cè)黾铀俣让黠@變快;當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到拼接結(jié)構(gòu)開(kāi)裂荷載約145 kN時(shí),拼接結(jié)構(gòu)跨中截面底緣混凝土拉應(yīng)變達(dá)到混凝土開(kāi)裂應(yīng)變,拼接結(jié)構(gòu)跨中截面板底出現(xiàn)第一條橫向裂縫,有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)觀測(cè)到的底部橫向裂縫相一致,拼接結(jié)構(gòu)跨中截面底緣裂縫照片見(jiàn)圖20。

圖19 拼接結(jié)構(gòu)跨中截面混凝土應(yīng)變曲線

圖20 拼接結(jié)構(gòu)跨中截面板底橫向裂縫

將荷載為150 kN時(shí)拼接結(jié)構(gòu)跨中截面底緣六個(gè)方向的應(yīng)力最大值示于表4。其中,拼接結(jié)構(gòu)混凝土抗剪強(qiáng)度取抗壓強(qiáng)度的0.1倍[29],即3.07 MPa?？梢钥闯?拼接結(jié)構(gòu)中縱向拉應(yīng)力達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度2.85 MPa時(shí),其余方向的應(yīng)力值未超出材料強(qiáng)度值。因此,引起拼接結(jié)構(gòu)跨中截面底緣混凝土開(kāi)裂的是彎曲產(chǎn)生的縱向拉應(yīng)力。

表4 拼接結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)力 單位:MPa

隨著荷載的繼續(xù)增加,拼接結(jié)構(gòu)跨中截面開(kāi)裂區(qū)域分別沿縱橋向向兩端延伸以及沿豎向向截面頂緣延伸。在荷載達(dá)到250 kN時(shí),拼接結(jié)構(gòu)受拉等效塑性應(yīng)變PEEQT云圖見(jiàn)圖21?？梢钥闯?拼接結(jié)構(gòu)與新板連接側(cè)應(yīng)力更大,開(kāi)裂范圍更廣;跨中截面開(kāi)裂高度沿豎向向截面頂緣延伸約0.15 m,占拼接結(jié)構(gòu)截面高度(0.25 m)的60%;開(kāi)裂范圍縱橋向向兩端延伸約0.5 m,占跨徑(8 m)的12.5%。

圖21 拼接結(jié)構(gòu)混凝土受拉等效塑性應(yīng)變?cè)茍D(半跨)

結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果和有限元結(jié)果,將拼接結(jié)構(gòu)的破壞現(xiàn)象及對(duì)應(yīng)荷載匯總于表5,同時(shí),將荷載值對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)車輛荷載(公路-Ⅰ級(jí))的倍率也示于該表。可以看出,拼接結(jié)構(gòu)的破壞模式是,先出現(xiàn)跨中截面彎曲破壞,再出現(xiàn)端部截面受剪破壞;彎曲產(chǎn)生的縱向拉應(yīng)力,引起拼接結(jié)構(gòu)跨中截面底部混凝土開(kāi)裂;主梁端部拼接結(jié)構(gòu)與新板處是拼接結(jié)構(gòu)與空心板最易發(fā)生破壞的位置,破壞模式為豎向剪切破壞。

表5 拼接結(jié)構(gòu)破壞模式及對(duì)應(yīng)荷載匯總表

3.4 連接鋼筋受力性能分析

圖22為拼接結(jié)構(gòu)跨中截面縱向鋼筋應(yīng)變曲線?？梢钥闯?有限元結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好,整體變化趨勢(shì)相近;拼接結(jié)構(gòu)頂緣鋼筋受壓、底緣鋼筋受拉;當(dāng)荷載約145 kN時(shí),底緣鋼筋最大拉應(yīng)變(測(cè)點(diǎn)G2)為8.2×10-5,頂緣鋼筋最大壓應(yīng)變(測(cè)點(diǎn)G4)為-4.6×10-5,均遠(yuǎn)小于鋼筋屈服應(yīng)變;當(dāng)荷載約250 kN時(shí),底緣鋼筋最大拉應(yīng)變(測(cè)點(diǎn)G1)為1.0×10-3,頂緣鋼筋最大壓應(yīng)變(測(cè)點(diǎn)G4)為-7.1×10-5,仍小于鋼筋屈服應(yīng)變。

圖22 拼接結(jié)構(gòu)跨中截面縱向鋼筋應(yīng)變曲線

拼接結(jié)構(gòu)與新橋邊板連接鋼筋橫向應(yīng)力沿縱橋向分布見(jiàn)圖23。當(dāng)荷載為250 kN時(shí),連接鋼筋應(yīng)力最大值出現(xiàn)在跨中截面,約86 MPa,遠(yuǎn)小于鋼筋抗拉強(qiáng)度335 MPa,說(shuō)明連接鋼筋沒(méi)有破壞。

圖23 拼接結(jié)構(gòu)與新板連接鋼筋應(yīng)力分布

拼接結(jié)構(gòu)與舊板的植筋滑移量沿縱橋向分布示于圖24。

圖24 拼接結(jié)構(gòu)與舊板植筋滑移量

從圖24可以看出,當(dāng)荷載為250 kN時(shí),植筋剪切滑移最大值出現(xiàn)在跨中截面,約0.06 mm,小于植筋允許最大滑移量0.1 mm,說(shuō)明植筋粘結(jié)強(qiáng)度滿足要求。

因此,不管是拼接結(jié)構(gòu)與新橋邊板的預(yù)埋鋼筋,還是拼接結(jié)構(gòu)與舊橋邊板的植筋,均不會(huì)發(fā)生破壞,說(shuō)明拼接構(gòu)造兩端的連接鋼筋設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 針對(duì)新舊橋主梁不等高布置的拼寬空心板橋,本文提出了一種新型剛性拼接結(jié)構(gòu);并設(shè)計(jì)制作了一跨8 m足尺模型進(jìn)行驗(yàn)證,試驗(yàn)結(jié)果表明:當(dāng)試驗(yàn)荷載為90 kN(1.29倍公路-Ⅰ級(jí)荷載)時(shí),新橋中板跨中截面底緣混凝土開(kāi)裂;當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到145 kN(2.05倍公路-Ⅰ級(jí)荷載)時(shí),拼接結(jié)構(gòu)靠近跨中截面底緣出現(xiàn)1條橫向裂縫;當(dāng)試驗(yàn)荷載達(dá)到155 kN(2.21倍公路-Ⅰ級(jí)荷載)時(shí),梁端拼接結(jié)構(gòu)與新板處出現(xiàn)豎向裂縫。在拼接結(jié)構(gòu)開(kāi)裂前,空心板和拼接結(jié)構(gòu)撓度變化協(xié)調(diào),新橋與舊橋整體受力;拼接結(jié)構(gòu)開(kāi)裂后,荷載橫向傳遞能力有所減小。

(2) 剛性拼接結(jié)構(gòu)能有效地傳遞荷載,將新板與舊板剛性連接成整體受力,且不改變新舊空心板的承載能力;拼接結(jié)構(gòu)晚于空心板開(kāi)裂,說(shuō)明拼接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

(3) 不管是拼接結(jié)構(gòu)與新橋邊板的預(yù)埋鋼筋,還是拼接結(jié)構(gòu)與舊橋邊板的植筋,均不會(huì)發(fā)生破壞,說(shuō)明拼接構(gòu)造兩端的連接鋼筋設(shè)計(jì)合理。

(4) 拼接結(jié)構(gòu)的破壞模式是,先出現(xiàn)跨中截面彎曲破壞,再出現(xiàn)端部截面受剪破壞;彎曲產(chǎn)生的縱向拉應(yīng)力,引起拼接結(jié)構(gòu)跨中截面底部混凝土開(kāi)裂;主梁端部拼接結(jié)構(gòu)與新板接觸面是拼接結(jié)構(gòu)與空心板最易發(fā)生破壞的位置,破壞模式為豎向剪切破壞。