劉 超， 黃鈺豪， 陸元春

(1. 同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 上海 200092; 2. 上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院, 上海 200125)

為了滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，每年對大量原有公路進(jìn)行擴(kuò)建，擴(kuò)建過程中常需要舊橋拓寬，而拓寬所產(chǎn)生的新老橋拼縫的連接便成為了一項(xiàng)難題[1].目前，針對T梁橋來說，新舊橋梁拼接主要連接構(gòu)造類型有[2-5]：一、上下部構(gòu)造不連接.代表的形式為采用瀝青和木條填充或者混凝土連續(xù)鋪裝，這種方式施工難度低，新老橋各自受力明確互不影響，但是在活載和新舊橋梁的不均勻沉降作用下，易引發(fā)橫向錯(cuò)臺問題，成橋不美觀，養(yǎng)護(hù)成本高.二、上下部均構(gòu)造連接.在新舊T梁橋翼緣板間建立相應(yīng)的橫隔板剛性連接，并在舊T梁處進(jìn)行膨脹螺栓固定加強(qiáng).但該方法缺點(diǎn)很明顯，施工難度大且容許變形能力差，在不均勻沉降下極易導(dǎo)致連接處開裂.三、上部構(gòu)造連接，下部構(gòu)造不連接.這種方式是以上2種方式結(jié)合的產(chǎn)物，代表的形式為在拼縫梁板處大量布置連接鋼筋，并進(jìn)行焊接，最后進(jìn)行澆筑.這種方式為國內(nèi)拼寬橋梁常用連接方式[6]，新老橋下部結(jié)構(gòu)不連接，內(nèi)力相互影響較小，對不均勻沉降也有一定抵抗力，但是施工復(fù)雜，工期長，由于上部構(gòu)造連接后，連接處的內(nèi)力也較大.在接縫材料研究方面，針對構(gòu)造類型一，國外應(yīng)用較多的有Britflex系列人造橡膠伸縮縫[7]，變形能力好，但其造價(jià)較高且需要日常養(yǎng)護(hù)，在國內(nèi)還沒有推廣.針對構(gòu)造類型二與三，大部分國內(nèi)拼寬橋仍使用普通混凝土進(jìn)行新舊橋梁主梁和下部構(gòu)造連接.同時(shí)，左永輝[8]提出，針對構(gòu)造類型三，可以將超強(qiáng)韌性纖維混凝土(ECC)和甲基丙烯酸甲酯(MMA)應(yīng)用于上部結(jié)構(gòu)連接，這2種材料具有高變形能力、低彈性模量的性質(zhì).但目前僅處于理論階段，尚未開展適用于接縫的試驗(yàn)研究，且國內(nèi)還尚未有拼接橋梁采用該形式接縫.在橋梁工程中，超高性能混凝土(UHPC)憑借著優(yōu)異的力學(xué)性能[9]，可以在保證安全性的前提下，有效降低梁高[10]，減輕結(jié)構(gòu)自重，同時(shí)也具備出色的抗裂性能[11-12].若將UHPC取代傳統(tǒng)處理方式應(yīng)用于拼縫，可以節(jié)省大量人力和物力，同時(shí)由于UHPC出色的變形性能，可以應(yīng)對新橋沉降帶來的較大轉(zhuǎn)角而不開裂，或裂縫寬度小于規(guī)范規(guī)定的限值[13].本文采用常溫養(yǎng)護(hù)高應(yīng)變強(qiáng)化型UHPC材料，依托濟(jì)陽路新老T梁高架橋拼接實(shí)際工程項(xiàng)目，將拼接段連續(xù)混凝土鋪裝替換為UHPC，進(jìn)行試驗(yàn)及有限元模擬和參數(shù)分析，以期為今后類似新老橋拼接工程應(yīng)用有較好的技術(shù)支撐和借鑒作用.

1 工程概況

上海市濟(jì)陽路高架的部分路段拓寬拼接工程，采用橋面鋪裝層連接方案，目的是保證拓寬橋面的行車平順性，新老T梁靠近的兩翼緣間距為100 mm.新老橋拼接的相對沉降導(dǎo)致拼縫處受力復(fù)雜，要求拼縫材料具有很好的變形性能和抗彎曲能力.由于UHPC具有出色的變形性能，強(qiáng)化階段極限拉應(yīng)變可以超過3 800×10-6，上部結(jié)構(gòu)的縱橋向拼縫采用80 mm 厚的UHPC薄板.設(shè)計(jì)的控制指標(biāo)為新老橋相對沉降值小于10 mm，偏安全地按照10 mm的相對沉降值計(jì)算接縫處轉(zhuǎn)角約為1.2%，故新舊橋梁縱向拼接接縫的基本要求為：接縫在達(dá)到1.2%轉(zhuǎn)角時(shí)，裂縫寬度不超過0.2 mm，且裂縫不貫穿UHPC.工程示意圖見圖1，現(xiàn)場照片如圖2所示.

圖1 工程示意(單位：mm)

主要施工過程為：①老T梁橋板部分切除(去除防撞護(hù)欄)，新T梁安裝(新老T梁橋面板縫隙100 mm)；②新老T梁端橫隔板連接(普通混凝土)；③新老橋混凝土鋪裝(C50混凝土，除UHPC范圍)；④UHPC與新老T梁鋪裝層間布置連接鋼筋，新老橋T梁拼縫連接(UHPC)；⑤ 防水層施工，瀝青混凝土攤鋪.

2 試驗(yàn)概況

2.1 材料性能

試驗(yàn)材料采用的應(yīng)變強(qiáng)化UHPC基于最緊密堆積原理由計(jì)算機(jī)精確設(shè)計(jì)，可將宏觀缺陷降到最低，形成高度致密的無機(jī)質(zhì)基體.在常溫養(yǎng)護(hù)條件下，具備超高強(qiáng)、應(yīng)變強(qiáng)化、高耐久性、優(yōu)異的施工性能.本試驗(yàn)采用的UHPC密度為2 600 kg·m-3，彈性模量約為50 GPa，泊松比為0.2，極限抗拉強(qiáng)度為12 MPa，強(qiáng)化階段極限拉應(yīng)變?yōu)? 800×10-6，極限抗壓強(qiáng)度為150 MPa.參考Lampropoulos等[14]的試驗(yàn)，軸拉試件為狗骨頭形，測試段尺寸為50 mm×100 mm×500 mm，軸拉試件見圖3a、3b，軸拉試驗(yàn)曲線見圖3c.試驗(yàn)試件及現(xiàn)場加載見圖4.同時(shí)，對本試驗(yàn)所采用的同一批次的鋼筋進(jìn)行了材性試驗(yàn)，抗拉強(qiáng)度為500 MPa.

a 軸拉試件尺寸(單位:mm)b 試件實(shí)物圖

c 軸拉應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

對全橋構(gòu)造縮尺模型顯然不是經(jīng)濟(jì)的辦法，在保證準(zhǔn)確性的前提下，又兼顧經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)如圖5所示的試驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑘D中F代表加載力.這種試件設(shè)計(jì)可以讓UHPC板充分受彎，更好地利用其變形性能，從而利用轉(zhuǎn)角控制設(shè)計(jì)狀態(tài).圖中，中間2個(gè)尺寸為長300 mm、寬200 mm、高250 mm的C50混凝土塊模擬新老橋的翼緣，下部UHPC薄板尺寸為長700 mm、寬200 mm、高80 mm，模擬UHPC拼縫.采用非對稱加載，加載比例為3∶7，目的是模擬新老橋不均勻沉降造成的受力不均.為防止局部應(yīng)力集中，加載時(shí)兩邊各預(yù)留50 mm.在橫筋、縱筋、門筋和UHPC板底部設(shè)置應(yīng)變片，UHPC與鋼筋應(yīng)變片布置如圖6.UHPC板內(nèi)布置雙排橫筋16@50、單排縱筋10@50.同時(shí)，為了保證UHPC板有良好的連接性，在C50和UHPC板間增設(shè)門筋12@100，鋼筋布置圖見圖7.

圖5 試驗(yàn)加載模型(單位：mm)

a 底面UHPC應(yīng)變片

b 橫筋應(yīng)變片

c 門筋應(yīng)變片

圖7鋼筋布置(單位：mm)

Fig.7Arrangementofreinforcement(unit:mm)

2.3 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

對于新老橋UHPC拼縫來說，主要不利受力狀態(tài)是不均勻沉降下的轉(zhuǎn)角.設(shè)計(jì)要求在極限轉(zhuǎn)角(1.2%)下，裂縫寬度不超過0.2 mm，且裂縫不貫穿UHPC板，即構(gòu)造能達(dá)到不漏水的正常使用狀態(tài)，防水層、瀝青鋪裝也能保持正常的使用狀態(tài).利用位移計(jì)測得彎矩最大處UHPC板位移和邊緣UHPC板位移，通過式(1)可計(jì)算得UHPC板轉(zhuǎn)角，計(jì)算圖示如圖8所示.

θ=(yB-yA)/lAB+(yB-yC)/lBC

(1)

式中:θ為UHPC板轉(zhuǎn)角；yA、yB、yC分別為A、B、C三點(diǎn)處的豎向位移；lAB、lBC分別為AB、BC間距.

圖8 轉(zhuǎn)角計(jì)算圖示(單位：mm)

2.4 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)共制作了3個(gè)試件，第1個(gè)試件在大加載機(jī)上加載時(shí)由于初期荷載不易控制，發(fā)生類似沖切的迅速破壞，不計(jì)試驗(yàn)結(jié)果.其余2個(gè)試件轉(zhuǎn)到小加載機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，將后2組UHPC拼縫試驗(yàn)的荷載-位移曲線(位移取圖8中B處位移計(jì)讀數(shù))繪制于圖9，從曲線可知UHPC拼縫的整個(gè)受力破壞過程大致可分為3個(gè)階段：彈性階段、裂縫發(fā)展階段、持荷至破壞階段.

(1) 階段Ⅰ：彈性階段.在試驗(yàn)加載初期，UHPC板彎矩較小，受力形態(tài)與均勻彈性體基本一致，荷載-撓度曲線呈直線.

(2) 階段Ⅱ：裂縫發(fā)展階段.隨著荷載的增加，首先在UHPC板下緣出現(xiàn)裂縫，后UHPC板側(cè)面出現(xiàn)大量微小裂縫，以微裂縫簇的方式呈現(xiàn)，裂縫寬度發(fā)展緩慢，且沿著板高向上發(fā)展，受拉區(qū)進(jìn)入塑性階段的部分逐漸增多，荷載-撓度曲線斜率逐漸減小.

(3) 階段Ⅲ:持荷至破壞階段.隨著荷載的增加，UHPC板中橫向鋼筋屈服，跨中附近裂縫沿梁高迅速發(fā)展且寬度增大，荷載-撓度曲線斜率逐漸趨于零.當(dāng)荷載-撓度曲線斜率為負(fù)時(shí)，UHPC板撓度增加迅速，試驗(yàn)板出現(xiàn)明顯的主裂縫.同時(shí)圖6c中門筋1′、2′屈服，門筋所在處UHPC板和C50脫開.

圖9 荷載-位移曲線

最終破壞時(shí)，裂縫高度為2～3 cm，尚未超過UHPC薄板厚度的一半，即裂縫尚未貫通UHPC板.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 荷載-轉(zhuǎn)角曲線

圖10為兩試件的荷載-轉(zhuǎn)角曲線，在加載初期，位移與荷載呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，在達(dá)到1.2%轉(zhuǎn)角時(shí)，試件1和試件2荷載約為170 kN和200 kN，此時(shí)UHPC板出現(xiàn)裂縫，裂縫寬度均為0.16 mm左右.之后隨著荷載的增加，結(jié)構(gòu)逐漸進(jìn)入塑性，結(jié)構(gòu)的極限荷載分別為363 kN和346 kN.

圖10 荷載-轉(zhuǎn)角曲線

3.2 橫筋荷載-應(yīng)變曲線

圖11為兩試件橫筋荷載-應(yīng)變曲線，從曲線可以看出，在加載前中期，應(yīng)力-應(yīng)變曲線基本為線性，在微應(yīng)變?yōu)? 600×10-6左右，曲線斜率發(fā)生變化，而后鋼筋進(jìn)入屈服階段直至試件破壞.

圖11 橫筋荷載-應(yīng)變曲線

3.3 門筋荷載-應(yīng)變曲線

圖12為門筋荷載-應(yīng)變曲線，從曲線可以看出，在微應(yīng)變?yōu)? 600×10-6前，曲線基本呈線性，而后鋼筋進(jìn)入屈服階段直至試件破壞，門筋起到了抗拔的作用，限制了UHPC與C50混凝土界面之間的脫開.

圖12 門筋荷載-應(yīng)變曲線

3.4 荷載-裂縫關(guān)系

將試件1和試件2的荷載-裂縫關(guān)系列于表1中，可以發(fā)現(xiàn)，在對應(yīng)轉(zhuǎn)角小于2.0%時(shí)，裂縫寬度小于0.20 mm，且裂縫未貫穿UHPC板，說明高應(yīng)變強(qiáng)化型UHPC具有出色的裂縫控制能力.

表1 試件荷載與裂縫關(guān)系

4 有限元模擬

4.1 模型的建立

高應(yīng)變強(qiáng)化型UHPC材料有著類金屬的非線性特點(diǎn)，利用ABAQUS軟件建立UHPC拼縫模型進(jìn)行有限元仿真，模型示意圖如圖13所示.模型中尺寸完全根據(jù)試驗(yàn)確定.模型中采用的材料為鋼、C50混凝土和UHPC，由于C50混凝土僅僅為了傳力，而不是重點(diǎn)研究對象，為了計(jì)算收斂，將其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系設(shè)置為全過程線彈性，鋼和UHPC則設(shè)置非線性，本構(gòu)關(guān)系見圖14.混凝土彈性模量為34.5GPa，鋼的彈性模量為210 GPa，UHPC彈性模量為50 GPa.C50和UHPC間接觸設(shè)為硬接觸.同時(shí)，定義C50混凝土、UHPC和鋼為各向同性材料.模型網(wǎng)格劃分采用掃略劃分，C50塊和UHPC板均采用空間六面體C3D8網(wǎng)格，鋼筋采用桁架單元，共計(jì)6 896個(gè)節(jié)點(diǎn)，5 126個(gè)單元.各參數(shù)設(shè)置見表2.

圖13 有限元模型

a UHPC

b 鋼

表2 參數(shù)選取

4.2 結(jié)果分析

4.2.1荷載-位移曲線

將有限元模擬的荷載-位移曲線、荷載-轉(zhuǎn)角和試驗(yàn)曲線作對比，見圖15和16.在彈性階段，有限元模擬和試驗(yàn)較為接近，有限元結(jié)果較試驗(yàn)大，原因是有限元中，材料為理想材料，材料間不存在空隙，跳過了試驗(yàn)中壓實(shí)階段.在經(jīng)過塑性階段后，有限元結(jié)果的極限荷載為375 kN，較試驗(yàn)結(jié)果大，原因有二：①有限元結(jié)果不存在初始缺陷，材料可以發(fā)揮最大性能；②試驗(yàn)難以避免存在偏載，而有限元加載方式為完全對稱，因此極限荷載較高.但從整體來看，有限元結(jié)果和2次試驗(yàn)曲線吻合程度高，在有限元結(jié)果中，轉(zhuǎn)角為1.2%時(shí)對應(yīng)的荷載為185kN，介于2次試驗(yàn)結(jié)果之間，說明有限元模擬較為準(zhǔn)確.

圖15 荷載-位移對比曲線

圖16 荷載-轉(zhuǎn)角對比曲線

4.2.2破壞形態(tài)

將有限元模擬的破壞形態(tài)和試驗(yàn)破壞形態(tài)作對比，見圖17.在有限元結(jié)果中，淺色代表出現(xiàn)裂縫，裂縫出現(xiàn)在千斤頂作用點(diǎn)正下方的UHPC板底，UHPC板的撓度最大處和裂縫出現(xiàn)處為同一位置.該破壞形態(tài)的出現(xiàn)是因?yàn)?，在模擬不均勻沉降的非對稱加載下，加載點(diǎn)正下方轉(zhuǎn)角不斷增大，UHPC層應(yīng)變不斷增加，最終達(dá)到極限拉應(yīng)變而開裂.同時(shí)，門筋所在處UHPC板和C50脫開，該破壞形態(tài)的出現(xiàn)是因?yàn)?，在非對稱加載作用下，作用力大的一側(cè)下?lián)蠐隙却笥谑芰π〉囊粋?cè)，而兩側(cè)C50塊體受到UHPC板的連接作用，從而使受力小的一側(cè)C50塊體和UHPC有脫開的趨勢.UHPC板和C50塊體靠門筋進(jìn)行連接，門筋屈服時(shí)即會出現(xiàn)脫開現(xiàn)象.有限元破壞形態(tài)和試驗(yàn)吻合.

4.2.3應(yīng)力和應(yīng)變分析

將UHPC板底應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力繪制于圖18中.圖18a中淺色區(qū)域表示該處出現(xiàn)塑性應(yīng)變，根據(jù)圖例，塑性應(yīng)變已大于開裂應(yīng)變，說明UHPC開裂.圖18b中，裂縫出現(xiàn)處橫向鋼筋與門筋屈服，與試驗(yàn)結(jié)果吻合.

4.3 參數(shù)分析

4.3.1接縫自由長度

考慮到某些地基土質(zhì)較差的地區(qū)相對沉降可能較大，在UHPC接縫和T梁翼緣間加橡膠，使UHPC和主梁分離，從而使UHPC達(dá)到更佳的彎曲能力.如圖19所示，保持其他參數(shù)不變，取橡膠厚度為20 mm，長度分別為L=0 mm(實(shí)際試驗(yàn)參數(shù))、L=30 mm、L=50 mm，進(jìn)行有限元模擬，并將結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比.由于工程重點(diǎn)看重在一定轉(zhuǎn)角下UHPC的工作狀態(tài)，故繪制轉(zhuǎn)角-UHPC應(yīng)變曲線于圖20，UHPC應(yīng)變?nèi)HPC板中下緣最大應(yīng)變.

a 試驗(yàn)破壞形態(tài)

b 有限元破壞形態(tài)

a UHPC板塑性應(yīng)變

b 鋼筋應(yīng)力

圖19 接縫自由長度示意(單位：mm)

圖20 不同自由長度下轉(zhuǎn)角與UHPC應(yīng)變

從圖20可以看出，L=0時(shí)自由長度曲線結(jié)果與試驗(yàn)吻合得較好，試驗(yàn)數(shù)據(jù)在應(yīng)變1 800×10-6之后為水平段是因?yàn)閼?yīng)變片處突然開裂所致.在相同轉(zhuǎn)角下(試驗(yàn)規(guī)定的最大轉(zhuǎn)角為1.2%)，L=50、 30、 0 mm時(shí)，UHPC應(yīng)變分別為520×10-6、770×10-6和1 180×10-6.隨著轉(zhuǎn)角的增加，在相同轉(zhuǎn)角下，UHPC的應(yīng)變由小到大分別為：L=50 mm時(shí)、L=30 mm時(shí)、L=0 mm時(shí).從原理上考慮，隨著自由長度的增加，跨中UHPC的剛度減小，剛度減小有助于提高UHPC的彎曲性能.因此，自由長度的增加有利于提高UHPC接縫的彎曲能力.

4.3.2UHPC接縫厚度

考慮UHPC接縫厚度對其彎曲能力的影響，如圖21所示，保持其他參數(shù)不變，變量取定為UHPC接縫厚度，分別在對照組厚度H=80 mm(實(shí)際試驗(yàn)參數(shù))、H=100 mm、H=120 mm情況下進(jìn)行有限元模擬，并將結(jié)果與及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比.由于工程重點(diǎn)是在一定轉(zhuǎn)角下UHPC的工作狀態(tài)，故繪制轉(zhuǎn)角-UHPC應(yīng)變曲線于圖22，UHPC應(yīng)變?nèi)HPC板中下緣最大應(yīng)變.

圖21 接縫厚度示意

圖22 不同接縫厚度下轉(zhuǎn)角與UHPC應(yīng)變曲線

從圖22可以看出，在相同轉(zhuǎn)角下(試驗(yàn)規(guī)定的最大轉(zhuǎn)角為1.2%)，接縫厚度H=8 mm、H=10mm和H=12 mm的UHPC應(yīng)變分別為1 180×10-6，3 130×10-6和5 110×10-6.隨著轉(zhuǎn)角的增加，在相同轉(zhuǎn)角下，UHPC的應(yīng)變由小到大分別為：H=8 mm時(shí)、H=10 mm時(shí)、H=12 mm時(shí).從原理上考慮，本工程接縫屬于柔性接縫，需具備優(yōu)異的彎曲能力，增加UHPC接縫厚度，即增加了跨中UHPC的剛度，不利于UHPC的彎曲.可見，接縫厚度的增加不利于UHPC接縫的彎曲能力.

5 結(jié)論

(1) 在最終破壞時(shí)，裂縫高度為2～3 cm，尚未超過UHPC薄板厚度的一半，即裂縫尚未貫通UHPC板.在此極限狀態(tài)下，此拼縫構(gòu)造依然可以達(dá)到正常使用不漏水的功能狀態(tài).防水層、瀝青鋪裝也能保持正常的使用狀態(tài)，說明拼縫的材料選擇和形式是合理的.

(2) 從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，UHPC在整個(gè)試驗(yàn)過程中體現(xiàn)了非常好的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，具有很長的塑性平臺強(qiáng)化段.在UHPC板達(dá)到轉(zhuǎn)角為1.2%時(shí)，裂縫寬度僅為0.16 mm，滿足規(guī)范要求.裂縫發(fā)展方式為微裂縫簇—主裂縫，說明高應(yīng)變強(qiáng)化UHPC具有出色的裂縫控制能力.

(3) 根據(jù)參數(shù)分析，結(jié)果顯示增加接縫的自由長度和減小接縫的厚度可以有效提高接縫的彎曲性能.意味著，在特定轉(zhuǎn)角的情況下，UHPC板的應(yīng)變可以更小，可以擁有更強(qiáng)的裂縫控制能力

(4) 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，遠(yuǎn)離加載點(diǎn)一側(cè)的門筋屈服甚至拉斷，同時(shí)，加載點(diǎn)下UHPC板內(nèi)橫向鋼筋屈服，有限元結(jié)果和試驗(yàn)吻合較好，充分說明試驗(yàn)配筋方式的合理性和結(jié)果的有效性.

(5) 作為拼縫材料，UHPC有著施工便捷、快速的優(yōu)勢，同時(shí)具有出色的變形和彎曲能力.對于其他不同的新老橋拼接工程項(xiàng)目，拼縫的厚度、長度等參數(shù)可根據(jù)具體橋梁拼接情況確定，同時(shí)應(yīng)考慮沉降量等參數(shù)的影響，如轉(zhuǎn)角過大時(shí)可考慮兩邊加橡膠(將UHPC與主梁分離)等做法.