上海市簡支小箱梁橋面板窄濕接縫研究分析

戚澤遠(yuǎn)

[同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，城市高架橋梁越來越多，對橋梁施工階段的要求也越來越嚴(yán)格。城市橋梁所處位置環(huán)境復(fù)雜，部分橋梁施工環(huán)境要求比較高，需要交通繞行甚至中斷交通，這大大降低了道路的通行能力，影響城市交通系統(tǒng)的正常運(yùn)營。

盡量減少高空作業(yè)，降低現(xiàn)場焊接和澆筑工作量，是現(xiàn)代橋梁預(yù)制拼裝技術(shù)的發(fā)展趨勢。預(yù)制拼裝橋梁有著現(xiàn)場環(huán)境要求低、施工工期短、施工期交通影響小、環(huán)境污染少等諸多優(yōu)點(diǎn)，正逐漸成為城市高架橋梁的首選結(jié)構(gòu)。

簡支預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁是上海市常用的預(yù)制拼裝結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)受力清晰、抗扭能力強(qiáng)、施工較方便，已大規(guī)模應(yīng)用于上海市多個(gè)工程中。但是小箱梁現(xiàn)澆濕接縫的寬度較寬，為0.5～1.6 m，仍需要一定的現(xiàn)場焊接工作量，有高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。

本文以上海市某越江大橋引橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^計(jì)算簡支預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋面板窄濕接縫的受力情況，分析無焊接濕接縫的受力性能，用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

1 工程概況

上海市某越江大橋引橋的橋梁結(jié)構(gòu)采用上海市簡支預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁結(jié)構(gòu)，橋面全寬13 m，結(jié)構(gòu)凈寬12.7 m，布置3 道小箱梁。橋梁所在道路為二級公路，設(shè)計(jì)車道荷載等級為公路-II 級。

引橋小箱梁標(biāo)準(zhǔn)跨徑35 m，梁高1.9 m。按常規(guī)小箱梁濕接縫做法，濕接縫寬1.611 m，厚0.2 m，如圖1 所示；按窄濕接縫做法，窄縫下口寬0.3 m，上口寬0.35 m，厚0.25 m，如圖2 所示。

圖1 引橋小箱梁常規(guī)濕接縫做法斷面（單位：cm）

圖2 引橋小箱梁窄濕接縫做法斷面（單位：cm）

常規(guī)濕接縫做法需要焊接圈筋，圈筋與兩側(cè)小箱梁預(yù)留鋼筋焊接，焊接長度要滿足雙面焊5 d、單面焊10 d[1]的要求。此時(shí)可認(rèn)為兩側(cè)小箱梁鋼筋貫通濕接縫，按單根通長鋼筋計(jì)算，如圖3 所示。

圖3 引橋小箱梁常規(guī)濕接縫做法平面配筋（單位：mm）

窄濕接縫做法由于鉸縫比較窄，采用兩側(cè)U 形鋼筋鉸接、內(nèi)穿橫向栓筋的構(gòu)造，無須現(xiàn)場焊接鋼筋，施工時(shí)僅需錯(cuò)開兩側(cè)小箱梁的預(yù)留鋼筋即可，如圖4 所示。

圖4 引橋小箱梁窄濕接縫做法平面配筋（單位：mm）

2 橋面板常規(guī)算法

2.1 計(jì)算模型

常規(guī)濕接縫內(nèi)的圈筋與兩側(cè)小箱梁預(yù)留鋼筋焊接，計(jì)算時(shí)可認(rèn)為兩側(cè)小箱梁鋼筋貫通濕接縫，按單根通長鋼筋計(jì)算。

橋面板上下緣橫向配筋均為D20@200 mm，受力鋼筋的凈保護(hù)層厚度為30 mm。常規(guī)濕接縫橋面板計(jì)算取箱梁跨中斷面（腹板、底板最薄處），按鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。單元的縱向?qū)挾热? m，采用橋梁博士V3.6 建立小箱梁橫向桿系計(jì)算模型。計(jì)算模型如圖5 所示。

圖5 常規(guī)濕接縫小箱梁橋面板計(jì)算模型（單位：mm）

車輛荷載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[2]的規(guī)定公路一級車輛荷載考慮。d=1.4 m，a1=0.2 m，單輪軸重140 kN，雙輪軸重2×140 kN。橋面板車輪荷載分布寬度根據(jù)《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 3363—2018）[1]第4.2 節(jié)計(jì)算。計(jì)算時(shí)，橋面鋪裝厚度取0.18 m。

2.2 計(jì)算結(jié)果

強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果如圖6 和圖7 所示。

圖6 承載能力極限狀態(tài)最大抗力及對應(yīng)的內(nèi)力（單位：kN·m）

圖7 承載能力極限狀態(tài)最小抗力及對應(yīng)的內(nèi)力（單位：kN·m）

常規(guī)濕接縫橋面板配筋的強(qiáng)度滿足要求。

橋面板上、下緣裂縫驗(yàn)算結(jié)果如圖8 所示。

圖8 正常使用極限狀態(tài)頻遇組合上、下緣裂縫寬度（單位：mm）

常規(guī)濕接縫橋面板的上、下緣裂縫寬度最大為0.15 mm，位于濕接縫下緣，小于《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）[1]中第6.4.2 條規(guī)定的0.2 mm，滿足要求。

窄濕接縫橋面板的構(gòu)造為兩側(cè)U 形筋鉸接、中間橫穿栓筋的做法。此類構(gòu)造因?yàn)閮蓚?cè)U 形鋼筋沒有焊接，減少了許多現(xiàn)場作業(yè)，但是濕接縫處無法用桿單元模型模擬。

3 橋面板實(shí)體模型計(jì)算

3.1 實(shí)體模型

橋面板實(shí)體模型采用分離式有限元模型。分離式有限元模型把鋼筋和混凝土作為不同的單元來處理，即混凝土采用三維非線性實(shí)體單元Solid65，鋼筋采用Link8 桿單元[3]。

以單跨簡支梁模擬濕接縫受力狀態(tài)，以濕接縫兩側(cè)小箱梁腹板中心線之間的距離作為簡支梁跨徑，橋面板縱橋向計(jì)算寬度取1 m。計(jì)算取車輛輪載分布寬度1 m，分布長度0.6 m，如圖9 所示。

圖9 實(shí)體模型荷載布置示意圖（單位：mm）

創(chuàng)建模型時(shí)，將幾何實(shí)體以鋼筋位置切分，分離式有限元模型將鋼筋的具體布置按實(shí)際情況建出，其計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際。模型假定濕接縫足夠密實(shí)，新舊混凝土結(jié)合狀態(tài)良好，不考慮鋼筋在混凝土之間的滑移，實(shí)體模型如圖10 所示。

圖10 引橋小箱梁濕接縫實(shí)體計(jì)算模型

3.2 材料性質(zhì)

材料性質(zhì)采用《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 3363—2018）[1]中的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（見表1）。

表1 混凝土材料參數(shù)

混凝土單軸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線采用多線性等向強(qiáng)化模型MISO 模擬，曲線上升段按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010—2010）[4]規(guī)定的公式輸入。其中，混凝土曲線的ε0=0.002，εcu=0.003 3，因無法模擬下降段，下降段采用平直段計(jì)算。

混凝土破壞過程采用Willam-Warnker 5 參數(shù)破壞準(zhǔn)則[3]。張開裂縫的剪力傳遞系數(shù)βt=0.5，閉合裂縫的剪力傳遞系數(shù)βc=0.95，拉應(yīng)力釋放系數(shù)采用缺省值Tc=0.6，其余參數(shù)取程序默認(rèn)值。

材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖11 所示。

圖11 材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可采用理想彈塑性模型。本工程采用雙線性等向強(qiáng)化模型BISO 模擬，鋼筋材料參數(shù)見表2。

表2 鋼筋材料參數(shù)

3.3 單元?jiǎng)澐峙c計(jì)算方法

為分析濕接縫不同構(gòu)造的受力情況，分為3 個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算，分別為：

模型A：窄濕接縫計(jì)算模型；

模型B：常規(guī)濕接縫計(jì)算模型；

模型C：少橫栓的窄濕接縫計(jì)算模型。

同時(shí)，為提高計(jì)算精度、降低應(yīng)力集中對計(jì)算結(jié)果的影響，模型的鋼筋、混凝土單元采用映射劃分，劃分尺寸取50 mm。計(jì)算模型鋼筋分布和劃分如圖12 所示。

圖12 計(jì)算模型鋼筋分布和劃分

計(jì)算采用面加載的方式，受力范圍為0.6×1.0 m。子步數(shù)為100，每個(gè)荷載的子步的迭代次數(shù)為50。靜力加載，采用位移收斂準(zhǔn)則，收斂誤差取2%。

模型計(jì)算采用單調(diào)靜力加載，不計(jì)橋面板自重，通過多次重復(fù)計(jì)算求得極限荷載，以極限荷載對比分析不同模型的受力承載力[5]。計(jì)算主要過程如下：

（1）根據(jù)規(guī)范中抗彎構(gòu)件承載力計(jì)算公式，求得常規(guī)濕接縫橋面板的極限彎矩為98.5 kN·m，跨中集中荷載的理論極限荷載為151.5kN。

（2）以理論極限荷載151.5 kN 為基礎(chǔ)，多次施加大于理論極限荷載的豎向荷載進(jìn)行計(jì)算。若計(jì)算收斂，則增加荷載重新計(jì)算，直至不收斂為止。以不收斂的上一級荷載為收斂荷載。

（3）在上一階段的收斂荷載基礎(chǔ)上，以0.1 kN 為最小荷載增量，多次計(jì)算，求得最大收斂荷載。以最終計(jì)算的最大收斂荷載為模型的極限荷載。

3.4 計(jì)算結(jié)果與分析

實(shí)體模型中的鋼筋本構(gòu)關(guān)系為理想雙線性BISO模型，而混凝土的本構(gòu)關(guān)系模型卻無法模擬下降段。模型計(jì)算時(shí)的不收斂是由于鋼筋受拉屈服后引起屈服段鋼筋單元節(jié)點(diǎn)位置迅速發(fā)展導(dǎo)致的，因此模型計(jì)算得到的極限荷載對應(yīng)的即受拉筋的屈服荷載。

實(shí)體模型A、模型B計(jì)算所得的豎向集中力-跨中撓度關(guān)系曲線對比如圖13 所示。

圖13 模型A、模型B計(jì)算結(jié)果對比

模型B 為常規(guī)濕接縫構(gòu)造，極限荷載為150.1 kN，與理論計(jì)算值151.5 kN 接近，差值在1%左右，說明實(shí)體計(jì)算結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本一致。

模型A 為窄濕接縫構(gòu)造，極限荷載為200.2 kN，是極限荷載理論計(jì)算值的1.32 倍。這表明，在保證混凝土密實(shí)、新舊混凝土結(jié)合穩(wěn)固、鋼筋與混凝土無滑移的條件下，混凝土窄濕接縫的U 形筋鉸接構(gòu)造比一般常規(guī)濕接縫做法更可靠，可以保證橋面板的承載力。

實(shí)體模型A、模型C 為窄濕接縫的不同鋼筋構(gòu)造，其計(jì)算所得的豎向集中力-跨中撓度關(guān)系曲線對比如圖14 所示。

圖14 模型A、模型C計(jì)算結(jié)果對比

模型C 為少橫栓窄濕接縫構(gòu)造，其兩側(cè)U 形筋之間橫栓比較少，除U 形筋角點(diǎn)處外，內(nèi)側(cè)沒有設(shè)置橫向鋼筋。

計(jì)算結(jié)果顯示，模型C 的豎向集中力-跨中撓度關(guān)系曲線與模型A 的前半段基本一致，但是模型C 的極限荷載僅為135.5 kN，是設(shè)置橫栓鋼筋的模型A 極限荷載的0.68 倍。這說明，在窄濕接縫的U形鋼筋鉸接構(gòu)造中，橫向栓筋的加強(qiáng)作用特別明顯，可以顯著提高濕接縫的承載力。

另外，模型C 的極限荷載值也小于理論計(jì)算值，是理論計(jì)算值的0.89 倍。這更加表明橫向栓筋的重要性，在少橫向鋼筋的情況下，窄濕接縫的U 形鋼筋鉸接構(gòu)造是達(dá)不到常規(guī)濕接縫做法的承載力的。

實(shí)體模型A、模型B、模型C 極限荷載實(shí)體模型計(jì)算值與理論計(jì)算值見表3。

表3 極限荷載計(jì)算結(jié)果與理論值對比

4 結(jié)語

本文計(jì)算對比了窄濕接縫與常規(guī)濕接縫的構(gòu)造和受力情況，主要得到以下結(jié)論：

（1）窄濕接縫的U 形鋼筋鉸接構(gòu)造無法用桿單元模擬，可用實(shí)體單元模型進(jìn)行計(jì)算。

（2）在保證混凝土密實(shí)、新舊混凝土結(jié)合穩(wěn)固、鋼筋與混凝土無滑移的情況下，混凝土窄濕接縫的U形筋鉸接構(gòu)造比一般常規(guī)濕接縫做法更可靠，可以保證橋面板的承載力。

（3）在窄濕接縫的U 形鋼筋鉸接構(gòu)造中，橫向栓筋的加強(qiáng)作用特別明顯，可以顯著提高濕接縫的承載力。若不設(shè)橫向栓筋，濕接縫承載力比常規(guī)做法要小。