趙若昀， 馬芹綱， 宋德洲， 何楊閩， 鄭凱鋒*

(1.西南交通大學土木工程學院， 成都 610031； 2.浙江省交通規(guī)劃設計研究院有限公司， 杭州 310030； 3.浙江交工金筑交通建設有限公司，杭州 310026)

裝配式鋼-混凝土組合橋梁由于其施工速度快，工程質(zhì)量高，節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，在橋梁結(jié)構(gòu)領域具有重要的理論意義和廣闊的發(fā)展前景[1-2]。裝配式鋼-混組合橋梁施工一般是先架設鋼梁，然后放置由工廠預制而成的混凝土橋面板，再通過現(xiàn)澆縱向與橫向濕接縫混凝土完成橋面板的連接[3]。對裝配式結(jié)構(gòu)而言，其節(jié)點薄弱問題是其關鍵問題。而從橋梁目前的運營狀況來看，在濕接縫處出現(xiàn)裂縫已成了裝配式橋梁最主要的病害之一[4-5]。因此，濕接縫的設計質(zhì)量與施工質(zhì)量影響著預制混凝土橋面板的使用性能。

中外學者針對混凝土橋面板濕接縫受力行為進行了一系列的研究。申雁鵬等[6]研究了不同鋼筋連接形式下混凝土橋面板濕接縫的抗彎性能，試驗結(jié)果表明：試件采用環(huán)形鋼筋搭接承載能力最大，直鋼筋搭接次之，直鋼筋焊接最小。呂國棟[7]研究了橋梁濕接縫鑿毛施工工藝對混凝土界面黏結(jié)力的影響，研究表明黏結(jié)面是混凝土構(gòu)件受力的薄弱位置，高壓水沖法、貼膜法的界面黏結(jié)力較大,風鎬鑿毛法較小。張永濤等[8]通過預制橋面板UHPC-U形鋼筋濕接縫受力性能試驗研究，提出可將UHPC作為濕接縫澆筑材料來減小接縫寬度。Zhao等[9]測試了活性粉末混凝土組合橋面板燕尾形濕接縫的彎拉性能，通過數(shù)值計算分析了鋼筋配筋率和燕尾形傾角對裂縫寬度、應變分布等影響。Samuel[10]研究了采用U形筋連接方式和圓頭鋼筋連接方式的濕接縫力學性能。目前，中外學者對于橋面板濕接縫的研究多側(cè)重于通過荷載試驗研究不同濕接縫的極限承載能力，并沒有考慮實際施工狀態(tài)下現(xiàn)澆濕接縫混凝土因收縮效應造成的局部自應力。

對于組合結(jié)構(gòu)橋梁來說，現(xiàn)澆濕接縫混凝土與預制橋面板混凝土通常存在6個月的齡期差，齡期差越大，濕接縫與橋面板之間因收縮引起的收縮應力也越大，越容易造成混凝土橋面板開裂。已有研究表明，混凝土收縮裂縫將會導致結(jié)構(gòu)耐久性降低，嚴重影響構(gòu)件設計使用壽命[11]?；诖?，以某公路簡支下承式組合橋面鋼桁梁橋為研究背景，利用大型有限元軟件ABAQUS建立精細組合單元模型，考慮了不同鋼筋搭接形式、混凝土強度以及養(yǎng)護條件下，對濕接縫混凝土收縮自應力的變化規(guī)律進行計算分析，研究結(jié)果可對裝配式鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)橋梁的設計方案與施工措施提供參考。

1 模型建立

1.1 研究背景

某公路下承式組合橋面鋼桁梁橋主跨100 m，橋?qū)?4 m。橋面由縱、橫梁及混凝土橋面板組成，橋面板與橫梁用剪力釘結(jié)合。橋面系共設置2道小縱梁，小縱梁采用工字形截面，高300 mm，橫向間距4 220 mm，作為縱向現(xiàn)澆縫的底模板。橫梁采用工字形截面，高1 400 mm，間隔2.5 m一道，作為橫向現(xiàn)澆縫的底模板?；炷翗蛎姘搴?5 cm，全橋面連續(xù)。橋面板分塊預制，存放不小于6個月。橫橋向分三塊，在小縱梁頂設縱向現(xiàn)澆縫；在橫梁頂設橫向現(xiàn)澆縫。

1.2 混凝土收縮模型

目前，常用收縮預測模型主要有：歐洲國際混凝土理事會標準模型、Bazant教授擬合的B3模型[12]、美國混凝土協(xié)會建議的ACI92模型[13]、Gardner和Lockman教授提出的GL2000模型[14]。各種模型通過選擇主要因素，并通過大量的試驗數(shù)據(jù)回歸擬合形成經(jīng)驗參數(shù)來預測混凝土的收縮[15]。各個模型均有其適用范圍，選擇合適的收縮預測模型是準確計算收縮應變的關鍵。

韓偉威等[16]將長期觀測的C50混凝土收縮試驗結(jié)果與不同規(guī)范模型的收縮預測值進行了對比分析，結(jié)果表明CEB-FIP模型收縮試驗結(jié)果吻合相對較好。劉均利等[15]也認為，對于C30～C40強度的混凝土，CEB-FIP系列模型預測值與試驗值整體吻合程度相對較好。中國現(xiàn)行橋規(guī)采用的是CEB-FIP90模型,因此根據(jù)現(xiàn)行《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG 3362—2018)[17]計算C30～C50混凝土的收縮應變是準確可行的。由上述規(guī)范的第C.1.1條可求得不同時刻混凝土齡期與收縮應變關系，可表示為

εcs(t,ts)=εcs0βs(t-ts)

(1)

式(1)中：t為考慮收縮效應的混凝土齡期；ts為收縮開始時的混凝土齡期；εcs(t,ts)為混凝土的收縮應變；εcs0為名義收縮系數(shù)，當40%≤RH<70%時取0.529，當70%≤RH<99%時取0.310，其中RH為年平均濕度;βs為收縮隨時間發(fā)展的系數(shù)。

1.3 精細組合單元模型

精細組合單元模型是指利用有限元方法，根據(jù)結(jié)構(gòu)不同部位分別建立不同類型的有限元部件，再通過相關邊界和約束將各類模型組合起來，以達到真實模擬結(jié)構(gòu)受力的目的。精細組合單元模型中各個部件受力準確，易于分析。利用ABAQUS建立全橋精細組合單元模型。主桁桿件及其他橋面系采用殼單元模擬，混凝土橋面板采用實體單元，鋼筋采用梁單元，二者通過“內(nèi)置區(qū)域”命令進行約束。由于橋面板沿橋梁縱向中心線對稱，則只對最不利跨中處B1、B2、C1、C2預制橋面板及相互連接的縱向與橫向濕接縫布置鋼筋。全橋精細組合單元模型如圖1所示。

圖1 全橋精細組合單元模型Fig.1 Minute integrated element model of full bridge

1.4 荷載作用

考慮結(jié)構(gòu)自重和收縮影響，荷載分項系數(shù)均取1.0，鋼結(jié)構(gòu)自重取78.5 kN/m3，混凝土自重取25 kN/m3，重力加速度取9.8 m/s2，考慮混凝土線膨脹系數(shù)0.000 01 ℃-1。采用降溫法模擬收縮應力，由式(1)計算出的收縮應變，得到30、60 d混凝土齡期的降溫值(表1)。

表1 混凝土齡期與相應降溫

1.5 模型參數(shù)

目前預制橋面板接縫處常用的鋼筋連接方式有：直鋼筋連接方式和U形鋼筋連接方式[18]。兩種連接方式在濕接縫處與橫向筋均采取共節(jié)點方式建立約束。按照不同鋼筋連接方式、混凝土強度以及養(yǎng)護條件設計12種模型參數(shù)，分別計算30 d和60 d后的混凝土濕接縫收縮自應力。模型編號按照不同參數(shù)命名，以U-RH1-C50為例，表示U形鋼筋連接C50混凝土濕接縫在40%≤RH<70%養(yǎng)護條件下的收縮應力。其余模型參數(shù)如表2所示。橋梁施工步驟如圖2所示。

2 縱向與橫向接縫應力對比分析

采用ABAQUS有限元軟件分別建立有限元模型進行計算。得到U-RH1-C50參數(shù)下的混凝土齡期30、60 d后縱向與橫向濕接縫收縮自應力，如圖3所示。其余參數(shù)下的濕接縫收縮自應力如表3所示。

表2 濕接縫模型參數(shù)

圖2 橋梁施工步驟Fig.2 Construction procedure of main girder

由表3、圖3可知，現(xiàn)澆濕接縫最大收縮應力發(fā)生在預制混凝土板與濕接縫交界面處，且縱向接縫比橫向接縫受力更不利。

當現(xiàn)澆混凝土濕接縫齡期為30 d時，U-RH1-C50參數(shù)下的縱向濕接縫收縮自應力為1.22 MPa，橫向濕接縫收縮自應力為0.96 MPa，此時縱向接縫收縮應力比橫向接縫增大21.3%；直-RH2-C45參數(shù)下的縱向濕接縫收縮自應力為0.69 MPa，橫向濕接縫收縮自應力為0.46 MPa，此時縱向接縫收縮應力比橫向接縫增大33.3%。

當現(xiàn)澆混凝土濕接縫齡期為60 d時，直-RH2-C50參數(shù)下的縱向濕接縫收縮自應力為1.08 MPa，橫向濕接縫收縮自應力為0.91 MPa，此時縱向接縫收縮應力比橫向接縫增大15.7%；直-RH2-C40參數(shù)下的縱向濕接縫收縮自應力為1.02 MPa，橫向濕接縫收縮自應力為0.76 MPa，此時縱向接縫收縮應力比橫向接縫增大25.5%。

3 不同養(yǎng)護條件對比分析

根據(jù)表3得到不同參數(shù)下的濕接縫收縮自應力對比(圖4)。由表3、圖4可知，混凝土養(yǎng)護條件對現(xiàn)澆濕接縫的收縮自應力影響顯著，養(yǎng)護條件越高，混凝土收縮自應力越小。當現(xiàn)澆混凝土濕接縫齡期為30 d時，縱向接縫在U-RH2-C40參數(shù)下的收縮自應力為0.67 MPa，U-RH1-C40參數(shù)下的收縮自應力為1.15 MPa，此時70%≤RH<99%條件下的接縫收縮應力比40%≤RH<70%時的降低41.7%；橫向接縫在直-RH2-C45參數(shù)下的收縮自應力為0.46 MPa，在直-RH1-C45參數(shù)下的收縮自應力為0.92 MPa，此時70%≤RH<99%條件下的接縫收縮應力比40%≤RH<70%時的降低50%。

圖3 U-RH1-C50模型濕接縫應力Fig.3 Wet-joint stress of model U-RH1-C50

表3 濕接縫收縮自應力計算結(jié)果

圖4 濕接縫收縮自應力對比Fig.4 Comparation of self-shrinkage stress of wet-joints

當現(xiàn)澆混凝土濕接縫齡期為60 d時，縱向接縫在U-RH2-C50參數(shù)下的收縮自應力為1.18 MPa，在U-RH1-C50參數(shù)下的收縮自應力為1.87 MPa，此時70%≤RH<99%條件下的接縫收縮應力比40%≤RH<70%時的降低36.9%；橫向接縫在直-RH2-C40參數(shù)下的收縮自應力為0.76 MPa，在直-RH1-C40參數(shù)下的收縮自應力為1.41 MPa，此時70%≤RH<99%條件下的接縫收縮應力比40%≤RH<70%時的降低46.1%。

4 不同鋼筋連接形式對比分析

由表3可知，不同鋼筋連接方式對現(xiàn)澆混凝土濕接縫的收縮自應力變化不大，U形鋼筋連接濕接縫的收縮應力與直鋼筋連接方式相比略有增大或基本相同，但比例很小。

當現(xiàn)澆混凝土濕接縫齡期為30 d時，縱向接縫在兩種不同鋼筋連接形式下的收縮自應力均相同，此時兩種鋼筋連接形式對接縫收縮自應力沒有影響；橫向接縫在U-RH2-C45參數(shù)下的收縮自應力為0.48 MPa，在直-RH2-C45參數(shù)下的收縮自應力為0.46 MPa，此時U形鋼筋連接形式的接縫收縮應力比直鋼筋連接形式的增大4.2%。

當現(xiàn)澆混凝土濕接縫齡期為60 d時，縱向接縫在U-RH1-C45和直-RH1-C45兩種不同鋼筋連接形式下的收縮自應力相同，此時兩種鋼筋連接形式對接縫收縮自應力同樣沒有影響；縱向接縫在U-RH2-C50參數(shù)下的收縮自應力為1.18 MPa，在直-RH2-C50參數(shù)下的收縮自應力為1.08 MPa，此時U形鋼筋連接形式的接縫收縮應力比直鋼筋連接形式的增大8.5%。

5 不同混凝土強度對比分析

由表3、圖4可知，混凝土強度對濕接縫收縮自應力有所影響，收縮自應力隨著混凝土強度的提高略有增大。

當現(xiàn)澆混凝土濕接縫齡期為30 d時，橫向接縫在直-RH2-C45參數(shù)下的收縮自應力為0.46 MPa，在直-RH2-C40參數(shù)下的收縮自應力為0.45 MPa，此時C45混凝土的接縫收縮應力比C40混凝土的增大2.2%；橫向接縫在直-RH1-C45參數(shù)下的收縮自應力為0.92 MPa，在直-RH1-C40參數(shù)下的收縮自應力為0.88 MPa，此時C45混凝土的接縫收縮應力比C40混凝土的增大4.3%。

當現(xiàn)澆混凝土濕接縫齡期為30 d時，縱向接縫在U-RH2-C50參數(shù)下的收縮自應力為0.71 MPa，在U-RH2-C40參數(shù)下的收縮自應力為0.67 MPa，此時C50混凝土的接縫收縮應力比C40混凝土的增大5.6%；橫向接縫在U-RH2-C50參數(shù)下的收縮自應力為0.51 MPa，在U-RH2-C40參數(shù)下的收縮自應力為0.46 MPa，此時C50混凝土的接縫收縮應力比C40混凝土的增大9.8%。

當現(xiàn)澆混凝土濕接縫齡期為60 d時，橫向接縫在U-RH2-C45參數(shù)下的收縮自應力為0.80 MPa，在U-RH2-C40參數(shù)下的收縮自應力為0.78 MPa，此時C45混凝土接縫收縮應力比C40混凝土增大2.5%；橫向接縫在直-RH2-C45參數(shù)下的收縮自應力為0.79 MPa，在直-RH2-C40參數(shù)下的收縮自應力為0.76 MPa，此時C45混凝土接縫收縮應力比C40混凝土增大3.8%。

當現(xiàn)澆混凝土濕接縫齡期為60 d時，縱向接縫在U-RH1-C50參數(shù)下的收縮自應力為1.87 MPa，在U-RH1-C40參數(shù)下的收縮自應力為1.77 MPa，此時C50混凝土接縫收縮應力比C40混凝土增大5.3%；橫向接縫在直-RH2-C50參數(shù)下的收縮自應力為0.91 MPa，在直-RH2-C40參數(shù)下的收縮自應力為0.76 MPa，此時C50混凝土接縫收縮應力比C40混凝土增大16.5%。

6 考慮鋪裝層厚度的恒載和活載標準組合應力計算

以U-RH1-C50模型為基礎，并考慮瀝青鋪裝層對車輪荷載的局部擴散作用，進行恒載和活載標準組合計算。根據(jù)《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)[19]，活載取550 kN公路-I級車輛荷載(前、中、后軸單輪軸重分別為15、60、70 kN)，橫橋向共布置3輛加載車，車輛布置如圖5所示。鋼結(jié)構(gòu)自重永久作用分項系數(shù)取1.1，混凝土結(jié)構(gòu)自重永久作用分項系數(shù)取1.2，車輛荷載分項系數(shù)取1.8，同時考慮1.2的沖擊系數(shù)。以第4條軸到左側(cè)支點距離為x，得到不同位置的活載作用下跨中處縱向與橫向濕接縫以及預制橋面板的最大和最小主應力，如圖6所示。

由圖6可知，當?shù)?條軸距支座50 m時，跨中處濕接縫和預制橋面板受力最不利。此時縱向與橫向濕接縫以及橋面板最大主應力分別為7.8、6.1、6.7 MPa，最小主應力分別為-3.8、-3.2、-5.2 MPa，應力圖如圖7所示。

圖5 橋面板加載車輛布置Fig.5 Layout of vehicles on bridge deck for load application

圖6 不同活載位置下標準組合應力變化Fig.6 Variation of standard combined stress under different vehicle load positions

圖7 縱向與橫向接縫以及預制橋面板最大和最小主應力Fig.7 Maximum and minimum principal stress of transverse & longitudinal wet-joint as well asprecast concrete bridge deck

7 結(jié)論

以組合橋面簡支鋼桁梁橋為研究背景，采用了大型通用有限元軟件ABAQUS建立了精細組合單元模型，對不同鋼筋搭接形式、混凝土強度和養(yǎng)護條件下進行了參數(shù)化計算，得出如下結(jié)論。

(1)現(xiàn)澆濕接縫最大收縮自應力發(fā)生在預制混凝土板與濕接縫交界面處，縱向接縫比橫向接縫受力更不利：現(xiàn)澆濕接縫齡期為30天時，縱向接縫的收縮自應力比橫向接縫高21.3%～33.3%，齡期為60 d時，高15.7%～25.5%。

(2)混凝土養(yǎng)護條件對現(xiàn)澆濕接縫的收縮自應力影響顯著，養(yǎng)護條件越高，混凝土收縮自應力越?。含F(xiàn)澆濕接縫齡期為30 d時，混凝土收縮自應力在70%≤RH<99%條件下比在40%≤RH<70%條件下降低41.7%～50%，齡期為60 d時，降低36.9%～46.1%。

(3)不同鋼筋連接方式對現(xiàn)澆混凝土濕接縫的收縮自應力變化不大，相對U形鋼筋連接，直鋼筋連接濕接縫的收縮應力在齡期為30 d時最大增加4.2%，在齡期為60 d時最大增加8.5%。

(4)混凝土強度對濕接縫收縮自應力有所影響，收縮自應力隨著混凝土強度的提高略有增大，C45混凝土比C40混凝土在齡期為30 d時的收縮自應力增大2.2%～4.3%，在齡期為60 d時增大2.5%～3.8%；C50混凝土比C40混凝土在齡期為30 d時的收縮自應力增大5.6%～9.8%，在齡期為60 d時增大5.3%～16.5%。

(5)在恒載與活載標準組合作用下，當車輛荷載第四軸距離橋端50 m時跨中橋面板受力最不利：對于在40%≤RH<70%養(yǎng)護條件，U形鋼筋連接的C50混凝土濕接縫，此時跨中縱向與橫向濕接縫以及預制橋面板最大主應力分別為7.8、6.1、6.7 MPa，縱向與橫向濕接縫在60 d后的收縮應力占總應力分別為24.0%以及25.1%。因此，濕接縫收縮應力對混凝土橋面板是否開裂有較大影響。

(6)為減少濕接縫混凝土收縮自應力對結(jié)構(gòu)造成的不利影響，建議：材料方面：在混凝土材料中加入粉煤灰或鋼纖維等摻合料，采用膨脹混凝土取代普通混凝土；鋼筋連接方面：適當加強濕接縫與預制板交界面處的鋼筋或鋼筋網(wǎng)；施工方面：嚴格操作規(guī)程，控制混凝土內(nèi)外溫差及濕度，有條件的采用蒸汽養(yǎng)護。