先簡支后連續橋梁濕接頭力學性能分析

曾繼祚 曹善慶 于 濤 趙文帥

(1.山東省路橋集團有限公司，山東 濟南 250021； 2.山東大學，山東 濟南 250100)

傳統簡支體系梁橋存在大量伸縮縫,行駛舒適性差，維修養護困難。為改善傳統梁橋存在的問題，20世紀80年代中期，先簡支后連續梁橋開始在工程中廣泛應用。該結構形式可有效減少橋上伸縮縫數量，具有梁體受力好，結構體系完整，橋梁線性好，行車平順等優點。橋梁支點處采用現澆濕接頭技術，濕接頭可為梁橋混凝土抗裂提供保障,但因其自身收縮變形受到環境和周邊構件約束，自身也存在開裂風險。

國內外已開展大量試驗，對濕接頭的力學性能進行研究，進而優化濕接頭設計。王莉莉[1]對環形鋼筋和錨固鋼筋兩種形式濕接縫的受力性能進行了研究，并根據試件受力全過程分析了濕接縫的傳力機理。Fangyuan Li等[2]對兩種混凝土進行了全面模型試驗，證實摻入了膨脹劑或復合涂料的兩種濕接縫混凝土耐久性是令人滿意的，推薦用于參考橋梁。申雁鵬等[3]設計制作了帶濕接縫的橋面板試件，通過純彎試驗發現新舊混凝土結合面最先開裂，是試件的最薄弱面?？梢园l現現場試驗可以有效地研究濕接頭的力學性能，但人力、物力消耗相對較大，應用在小型工程中成本較高。

為節約成本，大量學者采用有限元仿真方法開展了研究。蔣欣等[4]利用MIDAS/Civil，提出了濕接縫換算法、剛接梁法、橫向虛擬梁法3種濕接縫模擬方法，建模較實體模型簡單，計算結果誤差很小。袁治等[5]用濕接縫與小箱梁連接方式的變化模擬了濕接縫不同的損傷程度，并基于荷載試驗判別出了濕接縫的損傷位置和損傷程度。李宏江等[6]計算了某斜拉橋主跨合龍段與相鄰預制節段之間的濕接縫混凝土應力狀態，發現長期超載運營是造成濕接縫破壞的最主要的因素。Young-Jin Kim等[7]詳細研究了各類測試變量對接頭剪切強度的影響，確定了用于UHPC接頭設計的適當方程。Canhui Zhao等[8]設計了一種燕尾形活性粉末混凝土(RPC)濕式接頭，解決了濕接頭和預制RPC層之間界面處的耐久性問題。可以發現，有限元方法可以有效地分析濕接頭的力學性能。

綜上所述，在小型工程濕接頭施工前采用有限元方法對其力學性能進行研究結果十分可靠，同時可以有效節省成本。本文使用有限元方法對不同工況下先簡支后連續橋梁的濕接頭進行了有限元分析，研究了其應力變形等力學性能演化規律，可對工程現場施工起到一定的指導作用。

1 工程概況

本文中所取張套湖大橋路基寬度為12 m，位于330省道宿遷段。路線中心線與河道中心線成60°交角，橋梁按斜角30°設計。在0號、23號橋臺處設D80型伸縮縫，在4號、9號、14號、19號墩處設D160型伸縮縫。

2 有限元模型的建立

圖1為有限元軟件Abaqus所建立的模型。模型分為3部分，中間位置為濕接頭，兩側為預制的小箱梁。模型為斜交30°，鋼筋及鋼絞線沿橋梁縱向。鋼筋采用理想彈塑性模型，使用T3D2單元，材料為HRB335，楊氏模量為2.05×105N/mm2，泊松比為0.3。預應力鋼絞線采用理想彈塑性模型，使用T3D2單元，材料為steel strand1860，楊氏模量為1.95×105N/mm2，泊松比為0.3，屈服應力7 440 N/mm2?；炷撩芏葹? 500 kg/m3模型，使用C3D8R單元，混凝土相關參數見表1。

表1 混凝土塑性損傷參數

接觸方面，濕接頭通過“tie”與兩側小箱梁綁定在一起，鋼筋和鋼絞線以內置區域的方式嵌入到整個模型中。

邊界條件方面，本文先使用Midas計算得到相應工況下模型兩側的軸力、剪力、彎矩，然后在Abaqus中施加在兩端小箱梁外側作為邊界條件進行計算。計算結果如表2所示。

表2 濕接頭端部作用力

3 有限元計算結果

3.1 張拉負彎矩

圖2a)為模型張拉負彎矩應力云圖。在濕接頭張拉負彎矩后，頂板處受到較大的壓應力，且濕接頭轉角處由于應力集中最大達到了3.09 N/mm2；濕接頭中部受壓，距離預應力鋼束距離越遠壓力隨之減小，變化范圍基本在1.4 N/mm2～0.26 N/mm2；濕接頭底部距離上部張拉負彎矩鋼束最遠，為受拉狀態，拉應力最大為1.76 N/mm2。由以上數據可以看出，在預應力鋼束作用下，濕接頭上部受壓下部受拉，且上部壓力小，遠遠小于濕接頭的最大抗壓強度。而濕接頭下部拉力較大，容易產生局部的混凝土開裂。

圖2b)為相鄰箱梁應力云圖。在預應力鋼束作用下，端部相鄰箱梁應力變化與濕接頭基本一致。但是所承受的最大壓應力與最大拉應力均大于濕接頭，最大壓應力為4.87 N/mm2，最大拉應力為2.8 N/mm2。在實際中，由于箱梁本身張拉的正彎矩鋼束，在正彎矩預應力鋼絞線作用下不會產生較大拉應力，結構受力合理，箱梁工作性能安全可靠。

圖2c)和圖2d)為濕接頭頂部以及底部應力云圖。濕接頭頂部受壓應力，內力分布均勻。濕接頭底部中間位置受壓，在濕接頭與相鄰箱梁連接處產生了拉應力，易發生開裂引起破壞。

圖2e)和圖2f)為濕接頭U2，U3變形云圖。簡支轉連續橋的濕接頭橫向位移U1較小，本文主要研究濕接頭豎向U2位移及縱向U3位移。從圖2中可以發現，在頂板預應力鋼束的作用下濕接頭頂部受到壓力產生翹曲變形，最大豎向位移為0.032 mm，最大縱向位移為0.061 mm。

3.2 體系轉變

圖3為體系轉變應力及位移云圖。從圖3中可以發現簡支梁橋轉變為連續梁橋后，濕接頭上部壓力增大，下部拉力減小。此時，濕接頭上部壓力為5.12 N/mm2，下部最大拉力為1.39 N/mm2。體系發生了轉變，內力重新分配，濕接頭的安全性能得到了提高。相鄰箱梁的內力變化趨勢與濕接頭相一致。

體系轉變之后，結構內力的重分配及簡支轉連續梁軸力的增大，縱向收縮變大，頂部上撓略微降低，此時的最大豎向變形為0.024 mm。

3.3 二期恒載

圖4為二期恒載應力及變形云圖。從圖4中可以發現，在結構承擔二期荷載后，濕接頭底部與頂部都轉變為受壓區域，濕接頭中部區域為受拉區。此時拉應力最大為1.34 N/mm2，位置位于濕接頭凸出部位與相鄰箱梁粘結處，中部其余位置所受到的拉應力較小。相鄰端部箱梁內力趨于均勻，整體受壓且壓力較小，局部仍存在應力集中。

二期恒載下，濕接頭的頂板由原來的對角翹曲轉變為單邊局部上撓，且縱向變形變大，最大值為0.24 mm。

3.4 不同張拉值負彎矩鋼束張拉

濕接頭頂部預應力鋼束的張拉必然導致濕接頭上部受壓、下部受拉，在簡支轉連續體系轉變后，濕接頭薄弱部位的拉力降低。因此，模擬不同張拉值的負彎矩鋼束對研究濕接頭的應力變化具有重要意義。張拉值選取6個數值，分別為0.5fpk,0.55fpk,0.60fpk,0.65fpk,0.70fpk,0.75fpk。

圖5為預應力鋼束張拉應力云圖。當頂板張拉預應力鋼束時，隨著張拉預應力數值的增大，濕接頭頂部壓應力隨之增大。濕接頭底部的拉應力隨著張拉力增大呈現出先增大后略微減小的規律，當預應力張拉值為0.65fpk，拉應力達到最大為3.13 N/mm2，混凝土此時極易發生受拉開裂破壞。當繼續增大預應力時，拉應力并未繼續增長，當預應力張拉值為0.75fpk，濕接頭底部最大拉力為3.09 N/mm2。

在實際施工過程中，頂板負彎矩的張拉對濕接頭起到了極為關鍵的作用。當濕接頭混凝土澆筑達到一定齡期后方可張拉，當其抗壓抗拉承載力較弱時張拉，容易導致兩種后果。一是由于應力集中，頂板預應力鋼束張拉錨固端混凝土的崩裂。二是濕接頭底部與箱梁連接處承受較大拉應力，從而造成了濕接頭底部接觸面混凝土的開裂破壞。

為了進一步得到濕接頭內部應力變化，在濕接頭有限元模型中設置三條路徑分析其應力變化：路徑一為濕接頭與相鄰端部箱梁粘結處上沿；路徑二為濕接頭與相鄰端部箱梁粘結處下沿；路徑三為濕接頭中心位置沿深度的豎向直線。

圖6為濕接頭內部應力圖。路徑一上，濕接頭上沿在負彎矩預應力下為受壓，且壓應力沿著路徑距離為線性變化。隨著預應力值的增大，壓應力增大。當預應力由0.50fpk增大至0.75fpk時，壓應力由5.05 N/mm2增大至7.83 N/mm2，最大壓應力與預應力值基本成線性變化。

路徑二上，當預應力由0.50fpk逐步增大至0.65fpk時，濕接頭下緣拉應力隨之逐步增大。當預應力為0.65fpk時，濕接頭650 mm距離范圍處拉應力出現小幅度減小。當預應力為0.70fpk,0.75fpk時，濕接頭下緣端部所受拉應力變大，但較大路徑范圍內的拉應力大幅度下降，此時最小拉應力為0.71 N/mm2。

路徑三上，距離濕接頭頂端越遠，壓應力越小。在0 mm～600 mm深度范圍內壓應力減小較為明顯；在600 mm～1 800 mm深度范圍內，壓應力減小趨勢較為平緩。當施加不同的負彎矩預應力時，在0 mm～600 mm深度范圍內，各個力值引起的壓應力相差較大；在600 mm～1 800 mm深度范圍內，壓應力基本未發生變化。由此可知在600 mm～1 800 mm深度范圍內其力學響應并不敏感。

4 結語

本文通過建立濕接頭及兩側小箱梁的Abaqus有限元模型，對不同工況下先簡支后連續橋梁的濕接頭進行了有限元分析，研究了其應力變形等力學性能變化規律。主要結論如下：

1)濕接頭張拉負彎矩后，頂部受到較大的壓應力，且濕接頭轉角處由于應力集中最大達到了3.09 N/mm2。濕接頭中部受壓，距離預應力鋼束距離越大壓力隨之減小。濕接頭底部局部受拉。

2)濕接頭體系轉變后，內力重新分配，濕接頭的安全性能得到了提高。

3)濕接頭在二期恒載作用下，濕接頭底部與頂部為受壓區域，濕接頭中部為受拉區且主要集中于濕接頭凸出部位與相鄰箱梁粘結處。

4)采用不同張拉值張拉負彎矩預應力鋼束時，隨著張拉預應力數值增大，濕接頭頂部壓應力隨之增大，濕接頭底部的拉應力先增大后略微減小。其破壞主要分為兩種情況：一是由于應力集中，頂板預應力鋼束張拉錨固端混凝土的崩裂；二是濕接頭底部與箱梁連接處由于承受較大拉應力開裂破壞。