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.廈門路橋百城建設投資有限公司,福建 廈門 361200;2.福州大學 土木工程學院,福建 福州 350108)

我國已建成二級及以上等級公路里程達74.36萬km,橋梁達103.32萬座,規模位居世界第一[1]。但是,隨著交通量的迅猛增長,早期建設的公路無法匹配其所承擔的交通運輸任務。與新建公路相比,既有公路的改擴建工程具有投資不大、周期較短等特點,越來越受到工程界的關注。對于橋梁的改擴建來說,若新、舊橋上部不拼接時主梁可能出現撓度差、啃邊、伸縮裝置破損等病害,故新、舊橋上部結構拼接可以使新、舊橋上部結構拼接成整體,共同受力;同時,新、舊橋下部結構不拼接,各自受力互不影響,既能避免新、舊橋下部結構拼接的技術難題,降低施工難度和成本,又可避免新、舊橋下部拼接時基礎沉降差對拓寬橋梁造成的不利影響,因此,“新、舊橋上部結構拼接、下部結構不拼接”已成為我國橋梁拓寬改造的主要方法[2]。

國內外已針對T梁橋、空心板橋和箱梁橋等常用橋型的拼接結構進行了諸多理論研究和工程實踐,具體可分為柔性拼接、半剛性拼接和剛性拼接三種[3-7]。柔性拼接主要通過新、舊橋主梁翼緣板內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;剛性拼接通過預留鋼筋將新、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結構承載力的影響,認為橫向聯系剛度對改善結構受力影響顯著,應盡量增大橫向聯系剛度。因此,由于剛性拼接不僅能夠有效傳遞荷載,保證新、舊橋能夠協同受力,且施工快速便捷,使得剛性拼接結構基本成為目前國內橋梁拓寬的主要拼接結構。

由于空心板橋在中國公路橋梁中占有很大的比例,使得對新、舊空心板橋拼接后的受力性能研究具有重要的科學意義和工程應用價值。賀再興等[12]、Ferretti等[13]通過計算分析認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主梁受力變化的影響;馬海英等[18]通過試驗研究了非對稱邊界條件對承載能力和破壞模式的影響;王渠等[19]則通過試驗和有限元分析探討了空心板梁橋拼接結構剛度取值范圍。

綜上所述,已有許多學者對新舊橋拼接結構和拼接后橋梁整體受力性能進行了研究,但研究多針對新舊橋主梁等高度的情況。然而,相關工程統計表明:多數拼寬空心板橋在建設時依據的是舊規范,而擴建新橋則遵循新規范,造成新、舊橋主梁不等高;同時,隨著《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)中設計荷載的提高,舊橋需要經過加固才能滿足新規范的要求[20-21]。

對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,拼接縫構造是否晚于新、舊橋主梁發生破壞及拼接縫與主梁結合面的破壞模式等均有待研究。

針對上述拼寬橋梁中面臨的問題,以某座新舊橋主梁不等高布置的空心板橋為對象,提出一種剛性拼接結構,并針對上述拼寬空心板橋開展足尺模型試驗研究和有限元分析,研究荷載作用下,新型拼接結構的傳力路徑、受力機理和破壞模式。

1 新舊空心板橋新型拼接方法的提出

1.1 工程概況

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

為滿足新、舊橋不等高布置的要求,采用一種現澆混凝土濕接縫剛性拼接結構連接新、舊橋。具體過程為:鑿除舊橋0.75 m范圍內的護欄、整體化鋪裝層和混凝土調平層;保留舊橋鋪裝層橫向鋼筋并與新橋鋪裝層鋼筋焊接;同時在舊橋邊板外側距離底部5 cm處植入長約40 cm鋼筋(伸入邊板15 cm)并與新橋邊板預埋鋼筋焊接;拼接結構沿縱橋向布置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。具體構造形式如圖1所示。

圖1 拼寬空心板連接構造示意圖(單位:cm)

1.2 試驗設計

選取該高速公路改擴建工程中具有代表性的8 m拼寬空心板橋為研究對象,新、舊空心板各一片邊板和中板及拼接結構組成試驗模型,如圖2所示?？招陌逖乜v橋向為等截面,舊空心板中板寬124 cm,邊板寬124.5 cm,板高40 cm,中間為3個直徑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個直徑20 cm圓孔。拼接結構采用與實橋完全相同的截面形式及鋼筋構造。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)

拼接結構、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,每片主梁兩側梁端各設2個支座,共設16個支座。試驗模型如圖3所示。

圖3 試驗模型照片

1.3 試驗加載

采用剛性拼接結構的拼寬空心板橋拼接結構會在荷載作用下產生變形,使空心板橋的橫向分布曲線在拼接結構處產生變化,荷載橫向分布存在明顯的折線過渡。無論將拼接結構簡化為鉸接或剛接,均無法正確地反映此類拼寬空心板橋的荷載橫向分布規律。因此,王渠等[19]提出了考慮拼接結構剛度的拼寬空心板橋荷載橫向分布計算方法,如圖4所示,拼接結構視為與空心板相同的結構,考慮拼接結構剛度,將拼接結構與相鄰新板、舊板之間的連接視為“半剛接”,傳遞剪力和彎矩。

圖4 考慮拼接結構剛度荷載橫向分布計算圖示

拼接結構的橫橋向影響線如圖5所示。采用車輛荷載進行加載時,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構上,此時拼接結構處于豎剪加橫彎受力狀態。

圖5 橫橋向加載位置圖示

公路-Ⅰ級標準車輛的前、后軸之間的距離是12.8 m,大于試驗模型的跨徑(8 m),取用標準車輛重軸(即后軸)進行加載。采用四點加載,縱橋向合力加載點在跨中,如圖6所示。因此,公路-Ⅰ級對應的單點加載噸位為F=280 kN/4=70 kN,即單點加載70 kN相當于1.00倍車輛荷載,后文中的荷載均指單點荷載。同時,為了更準確地在試驗中模擬車輛荷載,利用橡膠墊塊來模擬車輪著地區域,加載區域為標準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同步加載,每級5 kN加載,試驗荷載與設計車輛荷載之間的關系示于表1。彈性階段,各級荷載加載持續2 min后進行測量;進入彈塑性階段后,待應變和位移數值穩定后再進行數據的讀取。

表1 加載噸位及對應荷載值匯總表

1.4 測點布置

空心板和拼接結構的撓度和應變測點均布置在跨中斷面。每片空心板各底橫橋向中央各布置1個撓度和縱向混凝土應變測點。拼接結構的測點布置如圖7所示,拼接結構中央及靠近拼接結構兩側邊梁邊緣各布置1個撓度(L1—L3)和縱向混凝土應變測點(C1—C3);每根縱向鋼筋布置一個縱向鋼筋應變測點(G1—G5)?？缰薪孛婀膊贾?個撓度測點,7個混凝土應變測點及5個鋼筋應變測點。

圖7 拼接結構撓度和應變測點布置示意圖

2 有限元計算模型

2.1 有限元模型

采用通用有限元軟件ABAQUS建立拼寬空心板橋實體有限元模型,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支約束,即一端約束節點的x、y、z方向的位移模擬固定支座,另一端則約束節點的x、y方向的位移模擬移動支座,其中x為橫橋向,y為梁高方向,z為縱橋向。全橋共114 938個單元,其中混凝土99 318個單元和鋼筋的15 620個單元?；炷凉濣c139 045個和鋼筋節點22 362個單元。

圖8 拼寬橋梁實體有限元模型

2.2 混凝土和鋼筋的本構關系

鋼筋采用彈塑性雙直線模型,彈性模量Es=200 GPa,屈服強度σs=335 MPa。由于鋼材進行屈服階段以后,結構變形大幅增加,通常即認為結構失去承載能力,因此本文不考慮“鋼材的強化”。

混凝土采用不考慮損傷的CDP模型模擬[22],結合試驗實測數據對規范給出的曲線作適當修正,本構模型如圖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關系以及人為定義的彈性極限點所確定的。定義彈性段和強化段的分界點即彈性極限點時,一般取1/3～1/2混凝土單軸受壓軸心抗壓強度標準值fc*,本文取0.4fc*。據此,可按式(1)計算混凝土初始切線彈性模量:

圖9 混凝土本構關系

(1)

采用標準養護條件對試塊養護28 d后,由混凝土材性試驗得到材料參數,具體如表2所示。

表2 混凝土材料參數 單位:MPa

2.3 拼接結構與空心板接觸模擬

拼接結構與空心板的接觸屬于三向應力問題,如圖10(a)所示,在拼接結構與空心板接觸面處定義各個作用方向,其中x向為法向方向,y向為平行于接觸面并沿著豎向(梁高)方向,z向為平行于接觸面并沿著縱橋向方向(圖中未示出z向)?；炷翉姸瓤梢苑譃榉ㄏ蜉S拉強度ft、兩個沿著接觸面表面y、z方向的剪切強度τy、τz,如圖10(b)所示。

圖10 接觸面混凝土強度方向

拼接結構與空心板接觸面混凝土滑移關系采用雙折線模型模擬[23],如圖11所示,具體模擬方法為:法向軸拉強度ft取新橋混凝土抗拉強度的70%,即2.00 MPa[24];剪切強度τ取0.01倍的混凝土抗壓強度,并假定豎向和縱橋向有相同的剪切強度,即τ1=τ2=τ,即0.31 MPa[25]。最終滑移值Su為峰值應力對應滑移值S0的3倍,滑移剛度K=10 MPa/mm。不考慮三個方向強度之間的耦合,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劑假定鋼筋與混凝土完全固結,采用EMBEDDED方式模擬。植筋主要通過化學膠劑錨固,采用SPRING單元模擬。植筋膠的粘結滑移本構關系曲線見圖12,依據張建榮[26]的研究成果,偏安全地取對應于粘結屈服強度的滑移量為Sb=0.1 mm。

圖12 粘結滑移曲線

3 試驗結果分析

3.1 試驗過程

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

當試驗荷載小于90 kN時(1.29公路-Ⅰ級荷載)時,拼接結構完好,能夠均勻傳遞荷載。

當試驗荷載達到90 kN(1.29倍公路-Ⅰ級荷載)時,新橋中板(1號空心板)首先開裂,隨荷載的增加,其余各板相繼開裂。

當試驗荷載達到145 kN(2.05倍公路-Ⅰ級荷載)時,拼接結構靠近跨中截面底緣出現1條橫向裂縫。當試驗荷載達到155 kN(2.21倍公路-Ⅰ級荷載)時,梁端拼接結構與新板處出現豎向裂縫。當試驗荷載達到165 kN(2.36倍公路-Ⅰ級荷載)時,拼接結構的荷載-撓度曲線已出現明顯拐點,試驗停止加載。

3.2 拼接空心板橋整體受力性能分析

圖13為試驗得到的拼接結構跨中截面撓度曲線?？梢钥闯?當試驗荷載達到新橋中板(1號空心板)開裂荷載90 kN時,拼接結構荷載-撓度曲線為直線,說明拼接結構仍在彈性階段;直到試驗荷載達到拼接結構開裂荷載145 kN時,拼接結構荷載-撓度曲線拐彎剛度下降,拼接結構加入塑性階段。同時,整個加載過程,新橋邊板(2號空心板)外緣側撓度測點L1、拼接結構橫向中央撓度測點L2、3號板內緣側撓度測點L3三者的撓度變化基本一致,說明剛性拼接結構能夠有效傳遞荷載。

圖13 拼接結構跨中截面撓度曲線

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?當試驗荷載小于145 kN時,拼接結構未開裂,新、舊空心板撓度通過拼接結構平順過渡;當荷載超過145 kN后,拼接結構跨中截面開裂,曲線在拼接結構位置出現明顯轉折,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變曲線?？梢钥闯?在各空心板混凝土開裂前,隨荷載的增大空心板板底縱向應變線性增長;當各空心板混凝土應變達到開裂應變8.3×10-5后,隨荷載的增大空心板板底縱向應變非線性增長。各空心板的開裂荷載依次為:新板中板(1號空心板)開裂荷載約90 kN;新板邊板(2號空心板)和舊板邊板(3號空心板)開裂荷載約110 kN;舊板中板(4號空心板)開裂荷載約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,吳慶雄等[27]分析了結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裂荷載為110 kN。將上述空心板開裂荷載值匯總于表3?？煽闯?本文剛性拼接的新空心板(1號空心板)開裂荷載與結合面底部帶門式鋼筋的新空心板開裂荷載接近;本文剛性拼接的舊空心板(3號空心板)開裂荷載與加固后空心板開裂荷載相同。

表3 空心板開裂荷載值匯總表 單位:kN

因此,拼接結構能有效地傳遞荷載,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;拼接結構晚于空心板開裂,從而說明拼接結構設計是合理有效的。

3.3 拼接結構受力性能分析

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

圖17 荷載-拼接結構跨中截面撓度曲線

提取不同荷載作用下拼接結構跨中截面混凝土縱向應力沿高度方向分布情況,如圖18所示。

圖18 拼接結構混凝土應力沿高度分布

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

圖19為拼接結構跨中截面混凝土縱向應變曲線?？梢钥闯?加載初期隨著荷載的增大,拼接結構板底混凝土應變線性增長;當荷載大于4號空心板開裂荷載130 kN后,四塊空心板全部開裂,拼接結構混凝土應變增加速度明顯變快;當試驗荷載達到拼接結構開裂荷載約145 kN時,拼接結構跨中截面底緣混凝土拉應變達到混凝土開裂應變,拼接結構跨中截面板底出現第一條橫向裂縫,有限元計算結果與試驗觀測到的底部橫向裂縫相一致,拼接結構跨中截面底緣裂縫照片見圖20。

圖19 拼接結構跨中截面混凝土應變曲線

圖20 拼接結構跨中截面板底橫向裂縫

將荷載為150 kN時拼接結構跨中截面底緣六個方向的應力最大值示于表4。其中,拼接結構混凝土抗剪強度取抗壓強度的0.1倍[29],即3.07 MPa?？梢钥闯?拼接結構中縱向拉應力達到混凝土抗拉強度2.85 MPa時,其余方向的應力值未超出材料強度值。因此,引起拼接結構跨中截面底緣混凝土開裂的是彎曲產生的縱向拉應力。

表4 拼接結構混凝土應力 單位:MPa

隨著荷載的繼續增加,拼接結構跨中截面開裂區域分別沿縱橋向向兩端延伸以及沿豎向向截面頂緣延伸。在荷載達到250 kN時,拼接結構受拉等效塑性應變PEEQT云圖見圖21?？梢钥闯?拼接結構與新板連接側應力更大,開裂范圍更廣;跨中截面開裂高度沿豎向向截面頂緣延伸約0.15 m,占拼接結構截面高度(0.25 m)的60%;開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 拼接結構混凝土受拉等效塑性應變云圖(半跨)

結合試驗結果和有限元結果,將拼接結構的破壞現象及對應荷載匯總于表5,同時,將荷載值對應的設計車輛荷載(公路-Ⅰ級)的倍率也示于該表?？梢钥闯?拼接結構的破壞模式是,先出現跨中截面彎曲破壞,再出現端部截面受剪破壞;彎曲產生的縱向拉應力,引起拼接結構跨中截面底部混凝土開裂;主梁端部拼接結構與新板處是拼接結構與空心板最易發生破壞的位置,破壞模式為豎向剪切破壞。

表5 拼接結構破壞模式及對應荷載匯總表

3.4 連接鋼筋受力性能分析

圖22為拼接結構跨中截面縱向鋼筋應變曲線?？梢钥闯?有限元結果與試驗值吻合較好,整體變化趨勢相近;拼接結構頂緣鋼筋受壓、底緣鋼筋受拉;當荷載約145 kN時,底緣鋼筋最大拉應變(測點G2)為8.2×10-5,頂緣鋼筋最大壓應變(測點G4)為-4.6×10-5,均遠小于鋼筋屈服應變;當荷載約250 kN時,底緣鋼筋最大拉應變(測點G1)為1.0×10-3,頂緣鋼筋最大壓應變(測點G4)為-7.1×10-5,仍小于鋼筋屈服應變。

圖22 拼接結構跨中截面縱向鋼筋應變曲線

拼接結構與新橋邊板連接鋼筋橫向應力沿縱橋向分布見圖23。當荷載為250 kN時,連接鋼筋應力最大值出現在跨中截面,約86 MPa,遠小于鋼筋抗拉強度335 MPa,說明連接鋼筋沒有破壞。

圖23 拼接結構與新板連接鋼筋應力分布

拼接結構與舊板的植筋滑移量沿縱橋向分布示于圖24。

圖24 拼接結構與舊板植筋滑移量

從圖24可以看出,當荷載為250 kN時,植筋剪切滑移最大值出現在跨中截面,約0.06 mm,小于植筋允許最大滑移量0.1 mm,說明植筋粘結強度滿足要求。

因此,不管是拼接結構與新橋邊板的預埋鋼筋,還是拼接結構與舊橋邊板的植筋,均不會發生破壞,說明拼接構造兩端的連接鋼筋設計合理。

4 結 語

(1) 針對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構;并設計制作了一跨8 m足尺模型進行驗證,試驗結果表明:當試驗荷載為90 kN(1.29倍公路-Ⅰ級荷載)時,新橋中板跨中截面底緣混凝土開裂;當試驗荷載達到145 kN(2.05倍公路-Ⅰ級荷載)時,拼接結構靠近跨中截面底緣出現1條橫向裂縫;當試驗荷載達到155 kN(2.21倍公路-Ⅰ級荷載)時,梁端拼接結構與新板處出現豎向裂縫。在拼接結構開裂前,空心板和拼接結構撓度變化協調,新橋與舊橋整體受力;拼接結構開裂后,荷載橫向傳遞能力有所減小。

(2) 剛性拼接結構能有效地傳遞荷載,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;拼接結構晚于空心板開裂,說明拼接結構設計合理。

(3) 不管是拼接結構與新橋邊板的預埋鋼筋,還是拼接結構與舊橋邊板的植筋,均不會發生破壞,說明拼接構造兩端的連接鋼筋設計合理。

(4) 拼接結構的破壞模式是,先出現跨中截面彎曲破壞,再出現端部截面受剪破壞;彎曲產生的縱向拉應力,引起拼接結構跨中截面底部混凝土開裂;主梁端部拼接結構與新板接觸面是拼接結構與空心板最易發生破壞的位置,破壞模式為豎向剪切破壞。