曾繼祚 曹善慶 于 濤 趙文帥

(1.山東省路橋集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250021； 2.山東大學(xué)，山東 濟(jì)南 250100)

傳統(tǒng)簡(jiǎn)支體系梁橋存在大量伸縮縫,行駛舒適性差，維修養(yǎng)護(hù)困難。為改善傳統(tǒng)梁橋存在的問(wèn)題，20世紀(jì)80年代中期，先簡(jiǎn)支后連續(xù)梁橋開(kāi)始在工程中廣泛應(yīng)用。該結(jié)構(gòu)形式可有效減少橋上伸縮縫數(shù)量，具有梁體受力好，結(jié)構(gòu)體系完整，橋梁線性好，行車(chē)平順等優(yōu)點(diǎn)。橋梁支點(diǎn)處采用現(xiàn)澆濕接頭技術(shù)，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(huán)境和周邊構(gòu)件約束，自身也存在開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

國(guó)內(nèi)外已開(kāi)展大量試驗(yàn)，對(duì)濕接頭的力學(xué)性能進(jìn)行研究，進(jìn)而優(yōu)化濕接頭設(shè)計(jì)。王莉莉[1]對(duì)環(huán)形鋼筋和錨固鋼筋兩種形式濕接縫的受力性能進(jìn)行了研究，并根據(jù)試件受力全過(guò)程分析了濕接縫的傳力機(jī)理。Fangyuan Li等[2]對(duì)兩種混凝土進(jìn)行了全面模型試驗(yàn)，證實(shí)摻入了膨脹劑或復(fù)合涂料的兩種濕接縫混凝土耐久性是令人滿(mǎn)意的，推薦用于參考橋梁。申雁鵬等[3]設(shè)計(jì)制作了帶濕接縫的橋面板試件，通過(guò)純彎試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)新舊混凝土結(jié)合面最先開(kāi)裂，是試件的最薄弱面?？梢园l(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可以有效地研究濕接頭的力學(xué)性能，但人力、物力消耗相對(duì)較大，應(yīng)用在小型工程中成本較高。

為節(jié)約成本，大量學(xué)者采用有限元仿真方法開(kāi)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(shí)體模型簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)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(yàn)判別出了濕接縫的損傷位置和損傷程度。李宏江等[6]計(jì)算了某斜拉橋主跨合龍段與相鄰預(yù)制節(jié)段之間的濕接縫混凝土應(yīng)力狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期超載運(yùn)營(yíng)是造成濕接縫破壞的最主要的因素。Young-Jin Kim等[7]詳細(xì)研究了各類(lèi)測(cè)試變量對(duì)接頭剪切強(qiáng)度的影響，確定了用于UHPC接頭設(shè)計(jì)的適當(dāng)方程。Canhui Zhao等[8]設(shè)計(jì)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(yù)制RPC層之間界面處的耐久性問(wèn)題。可以發(fā)現(xiàn)，有限元方法可以有效地分析濕接頭的力學(xué)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(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行研究結(jié)果十分可靠，同時(shí)可以有效節(jié)省成本。本文使用有限元方法對(duì)不同工況下先簡(jiǎn)支后連續(xù)橋梁的濕接頭進(jìn)行了有限元分析，研究了其應(yīng)力變形等力學(xué)性能演化規(guī)律，可對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)施工起到一定的指導(dǎo)作用。

1 工程概況

本文中所取張?zhí)缀髽蚵坊鶎挾葹?2 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(shè)計(jì)。在0號(hào)、23號(hào)橋臺(tái)處設(shè)D80型伸縮縫，在4號(hào)、9號(hào)、14號(hào)、19號(hào)墩處設(shè)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(cè)為預(yù)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(yù)應(yīng)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(yīng)力7 440 N/mm2。混凝土密度為2 500 kg/m3模型，使用C3D8R單元，混凝土相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 混凝土塑性損傷參數(shù)

接觸方面，濕接頭通過(guò)“tie”與兩側(cè)小箱梁綁定在一起，鋼筋和鋼絞線以?xún)?nèi)置區(qū)域的方式嵌入到整個(gè)模型中。

邊界條件方面，本文先使用Midas計(jì)算得到相應(yīng)工況下模型兩側(cè)的軸力、剪力、彎矩，然后在Abaqus中施加在兩端小箱梁外側(cè)作為邊界條件進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 濕接頭端部作用力

3 有限元計(jì)算結(jié)果

3.1 張拉負(fù)彎矩

圖2a)為模型張拉負(fù)彎矩應(yīng)力云圖。在濕接頭張拉負(fù)彎矩后，頂板處受到較大的壓應(yīng)力，且濕接頭轉(zhuǎn)角處由于應(yīng)力集中最大達(dá)到了3.09 N/mm2；濕接頭中部受壓，距離預(yù)應(yīng)力鋼束距離越遠(yuǎn)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(fù)彎矩鋼束最遠(yuǎn)，為受拉狀態(tài)，拉應(yīng)力最大為1.76 N/mm2。由以上數(shù)據(jù)可以看出，在預(yù)應(yīng)力鋼束作用下，濕接頭上部受壓下部受拉，且上部壓力小，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于濕接頭的最大抗壓強(qiáng)度。而濕接頭下部拉力較大，容易產(chǎn)生局部的混凝土開(kāi)裂。

圖2b)為相鄰箱梁應(yīng)力云圖。在預(yù)應(yīng)力鋼束作用下，端部相鄰箱梁應(yīng)力變化與濕接頭基本一致。但是所承受的最大壓應(yīng)力與最大拉應(yīng)力均大于濕接頭，最大壓應(yīng)力為4.87 N/mm2，最大拉應(yīng)力為2.8 N/mm2。在實(shí)際中，由于箱梁本身張拉的正彎矩鋼束，在正彎矩預(yù)應(yīng)力鋼絞線作用下不會(huì)產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)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(yīng)力云圖。濕接頭頂部受壓應(yīng)力，內(nèi)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(chǎn)生了拉應(yīng)力，易發(fā)生開(kāi)裂引起破壞。

圖2e)和圖2f)為濕接頭U2，U3變形云圖。簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)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(fā)現(xiàn)，在頂板預(yù)應(yīng)力鋼束的作用下濕接頭頂部受到壓力產(chǎn)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(zhuǎn)變

圖3為體系轉(zhuǎn)變應(yīng)力及位移云圖。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)支梁橋轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)梁橋后，濕接頭上部壓力增大，下部拉力減小。此時(shí)，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(fā)生了轉(zhuǎn)變，內(nèi)力重新分配，濕接頭的安全性能得到了提高。相鄰箱梁的內(nèi)力變化趨勢(shì)與濕接頭相一致。

體系轉(zhuǎn)變之后，結(jié)構(gòu)內(nèi)力的重分配及簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)梁軸力的增大，縱向收縮變大，頂部上撓略微降低，此時(shí)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(yīng)力及變形云圖。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)承擔(dān)二期荷載后，濕接頭底部與頂部都轉(zhuǎn)變?yōu)槭軌簠^(qū)域，濕接頭中部區(qū)域?yàn)槭芾瓍^(qū)。此時(shí)拉應(yīng)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(jié)處，中部其余位置所受到的拉應(yīng)力較小。相鄰端部箱梁內(nèi)力趨于均勻，整體受壓且壓力較小，局部仍存在應(yīng)力集中。

二期恒載下，濕接頭的頂板由原來(lái)的對(duì)角翹曲轉(zhuǎn)變?yōu)閱芜吘植可蠐希铱v向變形變大，最大值為0.24 mm。

3.4 不同張拉值負(fù)彎矩鋼束張拉

濕接頭頂部預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉必然導(dǎo)致濕接頭上部受壓、下部受拉，在簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)連續(xù)體系轉(zhuǎn)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(fù)彎矩鋼束對(duì)研究濕接頭的應(yīng)力變化具有重要意義。張拉值選取6個(gè)數(shù)值，分別為0.5fpk,0.55fpk,0.60fpk,0.65fpk,0.70fpk,0.75fpk。

圖5為預(yù)應(yīng)力鋼束張拉應(yīng)力云圖。當(dāng)頂板張拉預(yù)應(yīng)力鋼束時(shí)，隨著張拉預(yù)應(yīng)力數(shù)值的增大，濕接頭頂部壓應(yīng)力隨之增大。濕接頭底部的拉應(yīng)力隨著張拉力增大呈現(xiàn)出先增大后略微減小的規(guī)律，當(dāng)預(yù)應(yīng)力張拉值為0.65fpk，拉應(yīng)力達(dá)到最大為3.13 N/mm2，混凝土此時(shí)極易發(fā)生受拉開(kāi)裂破壞。當(dāng)繼續(xù)增大預(yù)應(yīng)力時(shí)，拉應(yīng)力并未繼續(xù)增長(zhǎng)，當(dāng)預(yù)應(yīng)力張拉值為0.75fpk，濕接頭底部最大拉力為3.09 N/mm2。

在實(shí)際施工過(guò)程中，頂板負(fù)彎矩的張拉對(duì)濕接頭起到了極為關(guān)鍵的作用。當(dāng)濕接頭混凝土澆筑達(dá)到一定齡期后方可張拉，當(dāng)其抗壓抗拉承載力較弱時(shí)張拉，容易導(dǎo)致兩種后果。一是由于應(yīng)力集中，頂板預(yù)應(yīng)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(yīng)力，從而造成了濕接頭底部接觸面混凝土的開(kāi)裂破壞。

為了進(jìn)一步得到濕接頭內(nèi)部應(yīng)力變化，在濕接頭有限元模型中設(shè)置三條路徑分析其應(yīng)力變化：路徑一為濕接頭與相鄰端部箱梁粘結(jié)處上沿；路徑二為濕接頭與相鄰端部箱梁粘結(jié)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(nèi)部應(yīng)力圖。路徑一上，濕接頭上沿在負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力下為受壓，且壓應(yīng)力沿著路徑距離為線性變化。隨著預(yù)應(yīng)力值的增大，壓應(yīng)力增大。當(dāng)預(yù)應(yīng)力由0.50fpk增大至0.75fpk時(shí)，壓應(yīng)力由5.05 N/mm2增大至7.83 N/mm2，最大壓應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力值基本成線性變化。

路徑二上，當(dāng)預(yù)應(yīng)力由0.50fpk逐步增大至0.65fpk時(shí)，濕接頭下緣拉應(yīng)力隨之逐步增大。當(dāng)預(yù)應(yīng)力為0.65fpk時(shí)，濕接頭650 mm距離范圍處拉應(yīng)力出現(xiàn)小幅度減小。當(dāng)預(yù)應(yīng)力為0.70fpk,0.75fpk時(shí)，濕接頭下緣端部所受拉應(yīng)力變大，但較大路徑范圍內(nèi)的拉應(yīng)力大幅度下降，此時(shí)最小拉應(yīng)力為0.71 N/mm2。

路徑三上，距離濕接頭頂端越遠(yuǎn)，壓應(yīng)力越小。在0 mm～600 mm深度范圍內(nèi)壓應(yīng)力減小較為明顯；在600 mm～1 800 mm深度范圍內(nèi)，壓應(yīng)力減小趨勢(shì)較為平緩。當(dāng)施加不同的負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力時(shí)，在0 mm～600 mm深度范圍內(nèi)，各個(gè)力值引起的壓應(yīng)力相差較大；在600 mm～1 800 mm深度范圍內(nèi)，壓應(yīng)力基本未發(fā)生變化。由此可知在600 mm～1 800 mm深度范圍內(nèi)其力學(xué)響應(yīng)并不敏感。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)建立濕接頭及兩側(cè)小箱梁的Abaqus有限元模型，對(duì)不同工況下先簡(jiǎn)支后連續(xù)橋梁的濕接頭進(jìn)行了有限元分析，研究了其應(yīng)力變形等力學(xué)性能變化規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1)濕接頭張拉負(fù)彎矩后，頂部受到較大的壓應(yīng)力，且濕接頭轉(zhuǎn)角處由于應(yīng)力集中最大達(dá)到了3.09 N/mm2。濕接頭中部受壓，距離預(yù)應(yīng)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(zhuǎn)變后，內(nèi)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(qū)域，濕接頭中部為受拉區(qū)且主要集中于濕接頭凸出部位與相鄰箱梁粘結(jié)處。

4)采用不同張拉值張拉負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力鋼束時(shí)，隨著張拉預(yù)應(yīng)力數(shù)值增大，濕接頭頂部壓應(yīng)力隨之增大，濕接頭底部的拉應(yīng)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(yīng)力集中，頂板預(yù)應(yīng)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(yīng)力開(kāi)裂破壞。