混凝土箱梁橋濕接縫受損受力特性研究

孫雪平

（中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司路橋設(shè)計(jì)研究院分公司，湖北 武漢）

引言

混凝土箱梁橋作為重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與連接部位的完整性密不可分。其中，濕接縫作為連接混凝土箱梁的關(guān)鍵部位，其連接方式直接影響著橋梁結(jié)構(gòu)的整體性能。然而，目前對于濕接縫受力特性及其受損程度的評估研究尚顯不足[1，2]。因此，本研究旨在系統(tǒng)地探討不同濕接縫連接方式對混凝土箱梁的受力特性產(chǎn)生的影響，并提出相應(yīng)的損傷評估方法。

1 濕接縫與混凝土箱梁連接方式

濕接縫是混凝土箱梁橋結(jié)構(gòu)中的重要連接部位，其連接方式直接影響著整個(gè)橋梁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與承載能力。在實(shí)際工程中，常見的濕接縫連接方式包括剛接、鉸接和失效狀態(tài)[3]，如圖1（a）、圖1（b）、圖1（c）所示。

圖1 濕接縫與混凝土箱梁連接方式

1.1 剛接

濕接縫的兩側(cè)混凝土梁通過一定的形式固定在一起，形成相對剛性的連接，能夠有效地傳遞荷載，提高了橋梁的整體承載能力。然而，剛接方式也存在一定的局限性，例如在部分情況下可能會導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中，從而影響了其受力性能。

1.2 鉸接

在鉸接方式下，濕接縫的兩側(cè)混凝土梁通過某種方式實(shí)現(xiàn)了相對靈活的連接，濕接縫能夠在一定范圍內(nèi)發(fā)生位移，有利于吸收荷載引起的變形，減緩了應(yīng)力的集中。相比于剛接方式，鉸接方式在某些情況下能夠提升橋梁的抗震性能，但也需要在設(shè)計(jì)與施工中合理設(shè)置鉸接裝置，以保證其正常工作。

1.3 失效狀態(tài)

在失效狀態(tài)下，濕接縫已經(jīng)發(fā)生了嚴(yán)重的破壞，無法再承擔(dān)正常的連接作用，濕接縫所在的位置往往會出現(xiàn)嚴(yán)重的變形，甚至可能導(dǎo)致整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的崩潰。因此，在工程實(shí)踐中，失效狀態(tài)往往被視作一種不可接受的連接方式，需要及時(shí)采取修復(fù)或加固措施。

2 濕接縫損傷評估方法

濕接縫作為混凝土箱梁橋結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵連接部位，其受損程度的準(zhǔn)確評估對于保證橋梁結(jié)構(gòu)的可靠性至關(guān)重要。本文采用有限元分析法對濕接縫的損傷進(jìn)行評估。

首先，通過實(shí)地檢查和結(jié)構(gòu)評估，確定濕接縫的具體損傷類型，如開裂、脫落等。根據(jù)損傷類型和程度，采用定量和定性相結(jié)合的方法，對濕接縫的損傷程度進(jìn)行評估[4]。借助有限元分析軟件，建立混凝土箱梁橋的模型，包括濕接縫的連接方式和結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過模擬不同濕接縫損傷程度下的受力情況，獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。根據(jù)有限元模擬結(jié)果，計(jì)算不同濕接縫損傷程度下的橫向分布系數(shù)。同時(shí)，根據(jù)橫向分布系數(shù)的變化趨勢，評估濕接縫損傷對橋梁結(jié)構(gòu)的影響程度。有限元分析法具有較高的靈活性，能夠模擬各種復(fù)雜情況下的受力情況，為濕接縫的損傷評估提供了重要的工具。然而，該方法也需要合理設(shè)置模型的參數(shù)與邊界條件，以保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3 工程實(shí)例分析

以某高速公路混凝土箱梁橋?yàn)檠芯繉ο蟆Ｔ撓淞簶蛉L約318 m，共計(jì)5 跨，跨長為250 m，跨徑分別為：30 m+60 m+70 m+60 m+30 m，橋?qū)?.6 m，箱梁頂寬為2.8 m，底寬為1.4 m，高度為1.6 m。橋梁所在位置地質(zhì)條件復(fù)雜，存在地基沉降風(fēng)險(xiǎn)，橋墩采用深基礎(chǔ)+淺基礎(chǔ)結(jié)合形式，橋面采用高強(qiáng)度、高耐磨的瀝青混凝土鋪裝，與箱梁通過濕接縫連接，結(jié)構(gòu)型式如圖2 所示。

圖2 橋型結(jié)構(gòu)圖

3.1 有限元模型構(gòu)建

本文用Midas Civil 軟件進(jìn)行有限元分析，對該箱梁橋進(jìn)行模擬。模型的構(gòu)建主要包括箱梁本體、濕接縫以及相鄰的混凝土梁，其中箱梁和濕接縫采用彈性模型進(jìn)行建模，將混凝土箱梁和濕接縫進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對支座進(jìn)行合理的約束設(shè)置，模擬實(shí)際工程中的支座條件，考慮混凝土的材料特性和幾何形狀，以保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)實(shí)際工程情況設(shè)置偏載和中載的加載方式，模擬實(shí)際荷載條件[5，6]，如圖3 所示。

圖3 模型結(jié)構(gòu)圖

模型構(gòu)建的具體參數(shù)設(shè)置見表1、表2。

表1 混凝土材料參數(shù)

濕接縫寬度為0.1 m，長度為1 m，距箱梁端部10 m。將濕接縫連接處的橫向位移和縱向位移固定，模擬濕接縫的連接情況。濕接縫連接處的平面轉(zhuǎn)動約束范圍為[-0.5，0.5]，豎向轉(zhuǎn)動約束范圍為[-0.2，0.2]。

3.2 損傷模擬分析

3.2.1 不同濕接縫損傷程度下的橫向分布系數(shù)

針對不同濕接縫損傷程度進(jìn)行橫向分布系數(shù)的研究，考慮了偏載和重載兩種工況的影響。對1#、2#濕接縫分別進(jìn)行損傷模擬分析，應(yīng)變和位移橫向分布系數(shù)結(jié)果如圖4 所示。

由圖4 可知，隨著濕接縫損傷程度的增大，偏載和中載下的橫向分布系數(shù)也呈現(xiàn)出相應(yīng)的增大趨勢。在同一濕接縫損傷程度下，不同工況下的橫向分布系數(shù)有所差異，這表明濕接縫連接方式對橋梁的橫向連接性能有顯著影響。中載條件下的橫向分布系數(shù)相對偏載條件下更為穩(wěn)定，主要由于中載條件下受力更加均勻。在偏載工況下，隨著濕接縫損傷程度的增大，1#梁與2#梁之間的橫向分布系數(shù)呈現(xiàn)出明顯的變化。具體來說，從剛接狀態(tài)到鉸接狀態(tài)，橫向分布系數(shù)略微增大；然而，當(dāng)濕接縫出現(xiàn)失效時(shí)，橫向分布系數(shù)顯著增大，增大系數(shù)約為1.87，這表明濕接縫的失效會顯著影響橋梁的橫向連接狀況。在中載工況下，1#濕接縫的橫向分布系數(shù)也顯示出明顯的變化。從剛接狀態(tài)到鉸接狀態(tài)，橫向分布系數(shù)略有變化，但當(dāng)濕接縫失效時(shí)，橫向分布系數(shù)急劇增大，增大系數(shù)約為1.47。這表明濕接縫的失效也會在中載工況下產(chǎn)生顯著影響。

3.2.2 偏載作用下的橫向分布系數(shù)

在偏載作用下，對不同濕接縫損傷程度進(jìn)行模擬分析，得到其橫向分布系數(shù)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 偏載作用下的橫向分布系數(shù)

由圖5（a）可知，在偏載作用下，隨著濕接縫損傷程度的增加，橫向分布系數(shù)明顯變化。失效狀態(tài)下，1# 梁與2#梁之間的橫向分布系數(shù)明顯增大，增大系數(shù)相比剛接狀態(tài)增加了約34.53%。與剛接狀態(tài)相比，鉸接狀態(tài)下的橫向分布系數(shù)也有所增加，但增幅相對較小，約為5.71%。由圖5（b）可知，對于2# 濕接縫，在偏載作用下，與剛接狀態(tài)相比，鉸接狀態(tài)的橫向分布系數(shù)顯著增加，增幅約為26.67%，而在失效狀態(tài)下，2# 梁與3#梁之間的橫向分布系數(shù)急劇增大，增大系數(shù)相比剛接狀態(tài)增加了約35.25 倍。這表明，在偏載作用下，不同濕接縫損傷程度對橫向分布系數(shù)的影響顯著。濕接縫的損傷程度越大，橫向分布系數(shù)的增大幅度也越大。

3.2.3 中載作用下的橫向分布系數(shù)

在中載作用下，對不同濕接縫損傷程度進(jìn)行模擬分析，得到其橫向分布系數(shù)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 中載作用下的橫向分布系數(shù)

由圖6（a）可知，在中載作用下，隨著濕接縫損傷程度的增加，橫向分布系數(shù)明顯變化。失效狀態(tài)下，1#梁與2#梁之間的橫向分布系數(shù)顯著增大，增大系數(shù)相比剛接狀態(tài)增加約33.33 倍。與剛接狀態(tài)相比，鉸接狀態(tài)下的橫向分布系數(shù)也有所增加，但增幅相對較小，約為10%。由圖6（b）可知，對于2#濕接縫，在中載作用下，與剛接狀態(tài)相比，鉸接狀態(tài)的橫向分布系數(shù)略有增加，增幅約為2.78%。而在失效狀態(tài)下，2#梁與3#梁之間的橫向分布系數(shù)基本保持穩(wěn)定，變化幅度很小，約為0.91%。這表明，在中載作用下，不同濕接縫損傷程度對橫向分布系數(shù)的影響顯著，濕接縫的損傷程度越大，橫向分布系數(shù)的增大幅度也越大。

4 結(jié)論

本文依托工程實(shí)例，采用Midas Civil 有限元軟件對該箱梁橋進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對混凝土箱梁橋濕接縫受損受力特性進(jìn)行研究，得到以下結(jié)論：

（1） 不同濕接縫損傷程度下，偏載和中載條件下的橫向分布系數(shù)表現(xiàn)出明顯的變化趨勢。隨著濕接縫損傷程度的增大，橫向分布系數(shù)也呈現(xiàn)出相應(yīng)的增大趨勢。

（2） 連接方式對橋梁的橫向連接性能具有顯著影響。不同連接方式下，濕接縫的工作性能表現(xiàn)出差異，這需要在實(shí)際工程中進(jìn)行合理選擇。

（3） 中載條件下，橋梁的橫向連接性能相對更加穩(wěn)定。相比之下，偏載條件下的橫向分布系數(shù)變化較為明顯，這可能是由于中載條件下受力更加均勻所致。

綜上所述，本研究為濕接縫受損情況下的橋梁維修和加固提供了可靠的參考依據(jù)，對于保障橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定具有重要意義。