基于抗擾動混凝土材料性能的拼寬橋梁接縫方案仿真分析

曾過生、陳德華

（廣東省高速公路有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

拓建高速公路面臨現有道路交通量大，臨時封閉道路交通的組織難度、社會影響較大，高速公路改擴建只能在不中斷交通的條件下進行。由于新舊橋采用濕接縫連接，在不中斷交通，拼接新舊橋的過程中，舊橋上行車振動以及新舊橋之間的差異變形對混凝土質量產生影響，缺乏抵抗振動、撓度差的拼接材料。

眾多學者對在行車振動下，混凝土受擾后材料性能展開了一定的研究。何歡等[1]利用電磁擾動臺模擬橋梁擾動，研究了擾動對硫鋁酸鹽水泥混凝土修補材料性能的影響規律。潘慧敏等[2]通過振動臺，在凝結硬化期的不同粗骨料最大粒徑混凝土受早期擾動后，對力學性能進行了試驗研究。李雷等[3]利用振篩試驗機，模擬鐵路橋運營期內維修時，混凝土澆筑部位的受擾振動，對不同擾動制度下混凝土力學性能的影響進行了試驗研究。

通過室內試驗，研制具有增稠、調凝效果的粉料及外加劑，選型合適的骨料與纖維，開展多種配比的室內振動模擬試驗，開發了適用于拼寬橋梁接縫的混凝土產品。通過模擬垂直擾動試驗，對開發的具有抵抗差異變形和擾動性能的新型混凝土材料（以下簡稱“抗擾動混凝土”）進行材料性能測試。對拼寬橋梁進行精細化仿真分析，基于抗擾動混凝土材料性能試驗結果，驗證接縫方案的受力特性及可行性。

1 工程概況

1.1 橋梁拼寬方案

沈陽至海口國家高速公路陽江至茂名段改擴建工程，起于茂名市電白區觀珠鎮，順接陽茂高速公路，止于湛江市麻章區接湛徐高速公路。項目總長108.593km，由雙向四車道改為雙向八車道。

項目段內常見的中小跨徑橋梁中，20m 空心板橋的擴建設計為拼寬后橋梁由拼寬新橋、拼寬舊橋、拼接帶構成，如圖1 所示。舊橋仍保留原橋的預制空心板梁，截面高度為0.95m；預制空心板、鉸縫、整體化層采用C40 混凝土。新橋采用截面高度為0.95m 的預制空心板梁結構，新橋預制空心板、拼寬橋現澆整體化層采用C50 混凝土。

圖1 20m 跨徑預應力混凝土空心板拼寬橋梁結構（半幅，單位：cm）

1.2 拼寬橋梁接縫方案

20m 跨徑預應力混凝土空心板拼寬橋梁的接縫方案：拼接前，先切除舊橋外側邊梁懸臂并植入連接鋼筋；與之相連的拼寬新橋邊梁翼緣不預制但預留翼緣鋼筋，與舊橋邊梁已植入的鋼筋焊接，形成拼接帶內鋼筋骨架，并在拼接帶內澆筑相應混凝土材料。

拼接帶截面形式為T型，T 型拼接帶總厚度為45cm，上層厚度15cm，下層厚度30cm；接縫最大寬度155cm，下層寬度B=55cm，如圖2 所示。

圖2 拼接帶接縫方案

2 抗差異擾動混凝土材料

2.1 原材料

為滿足拼寬橋梁拼接帶在不中斷交通情況下的拼接養護需求，開發了具有抵抗差異變形和擾動性能的新型混凝土材料，設計強度等級為C50，其主要原材料包含新型定制P·II52.5 硅酸鹽水泥、天然河砂（Ⅱ區中砂，細度模數2.4）、天然碎石（粒 徑5～20mm）、定制減水劑、直徑0.5mm 長度25～35mm 的端鉤形鋼纖維，如圖3 所示。

圖3 抗擾動混凝土原材料

2.2 抗擾動混凝土材料性能試驗

采用上海一華儀器設備有限公司生產的全功能微電腦控制振動試驗臺，根據橋梁施工現場的實測振動參數，對混凝土材料進行模擬垂直擾動。主要振動參數如下：

振幅3mm、振頻6Hz；振動規律為振動15s，停止45s。

制作混凝土標準試件，自澆筑成型起，振動18h后，進行28d 標準養護。采用標準試驗方法，對抗壓強度及劈裂抗拉強度進行測試，試驗結果如圖4所示。

圖4 拼寬橋梁仿真模型及邊界條件

圖4 抗擾動混凝土強度試驗結果

由圖4 可知，各試件的試驗強度均大于C50 混凝土強度的設計值。因此，在后續分析中，仍采用C50等級混凝土的強度設計值，進行仿真分析。

3 拼寬橋梁接縫方案仿真分析

3.1 有限元模型建立

以20m 跨徑空心板梁橋為例，根據拼寬橋梁的結構尺寸，利用大型有限元軟件ANSYS 建立數值分析模型，如圖5 所示。模型中，根據拼寬橋梁的實際支承情況，采用簡支方式模擬；欄桿等二期恒載以面荷載的方式，施加到拼寬橋梁上。

新橋、整體化層及拼接帶內混凝土材料均采用C50 等級材料進行模擬，密度為2600kg/m3，彈性模量為3.45×104MPa，泊松比為0.167。舊橋的混凝土材料采用C40 等級材料進行模擬，其密度為2600kg/m3，彈性模量為3.25×104MPa，泊松比為0.167。此外，考慮到舊橋鉸縫在長期使用過程中存在性能退化的可能，采用折減彈性模量的方式模擬舊橋鉸縫損傷[4]。

3.2 工況分析

根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）的相關規定，車輛荷載采用550kN 標準車輛重力進行計算[5]。為計算20m 空心板梁橋在承受車輛荷載時的最不利受彎效應，將車輛荷載的后輪著地位置布置在舊橋跨中截面近拼接帶位置處。由于橋梁長度的限制，在有限元模型中，僅能布置中、后輪共4 個輪軸。

由于案例工程中多為中小跨徑橋梁，為進一步保障舊橋在改擴建工程中的安全性，部分舊橋未設置緊急停車帶（GK1），并考慮舊橋上實際車道分布情況（GK2）。此外，根據規范規定的車輛荷載布置形式，考慮通車條件下舊橋上最不利中載工況（GK3）及偏載工況（GK4）。對不同工況下車輛荷載分布工況進行分析，利用有限元軟件計算不同荷載的效應，并按照承載能力的極限狀態進行荷載組合計算。

3.3 基于拼寬橋梁受力性能的接縫方案分析

在不同荷載布置工況，承載能力的極限狀態基本組合下，對拼寬橋梁的變形及應力分布情況進行分析（見表1）。由計算結果可知，各工況下拼寬橋梁的最大變形位置均為舊橋邊梁跨中，各工況下拼寬橋梁的最大變形及最大應力值差別較小。拼接帶混凝土受力以頂部受壓、底部受拉為主，且支點位置附近混凝土出現偏壓趨勢。拼接帶內抗擾動混凝土材料應力仍在C50 混凝土強度范圍內，且抗擾動混凝土材料在添加鋼纖維的情況下，抗拉性能更好，完全滿足拼接帶的受力需求，說明拼寬橋梁接縫方案基本可行。

表1 基本組合下拼寬橋梁計算結果

4 結論

在開發具有抵抗差異變形和擾動性能的新型混凝土材料的基礎上，采用垂直模擬擾動對抗擾動混凝土材料性能進行試驗，并基于試驗結果，對拼寬橋梁接縫受力特性及方案的可行性進行分析。主要得出如下結論：

其一，開發的抗擾動混凝土可滿足在振幅3mm、振頻6Hz 受擾振動后，C50 等級混凝土的強度要求。

其二，在基本組合下，不同荷載布置工況的拼寬橋梁最大變形及最大應力值差別較小，最大變形約為24mm，最大Mises 應力約為14.5MPa。

其三，拼接帶內混凝土橫向最大拉應力為2.5MPa，最大壓應力為1.6MPa，抗擾動混凝土滿足拼接帶受力要求，拼接方案基本可行。