謝益平， 李德旺， 朱毅卿， 張文學(xué)

(1. 中鐵十二局集團(tuán)第七工程有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2. 北京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)部，北京 100124)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，為滿足實(shí)際的需要，進(jìn)行了一系列橋梁的改擴(kuò)建工程。在實(shí)際工程中，在既有橋墩的承載力滿足要求的前提下可進(jìn)行再利用，在既有橋墩的基礎(chǔ)上新澆筑橋墩。然而，既有橋墩澆筑完成都在1 a以上，此時(shí)澆筑的新橋墩混凝土和已澆筑完成的老橋墩混凝土之間形成新老混凝土結(jié)構(gòu)，防護(hù)措施不足常導(dǎo)致新老混凝土開裂現(xiàn)象。裂縫的發(fā)展對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性產(chǎn)生不利影響，從而降低其使用壽命。

相關(guān)學(xué)者對(duì)新老混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，張菊輝、季佳鳳、沙建芳等[1-3]對(duì)新老混凝土的界面性能進(jìn)行了研究，研究表明：新混凝土強(qiáng)度對(duì)新老混凝土界面的黏結(jié)性能的影響有限，人工鑿毛、高壓水射、露骨劑等是提高新老混凝土粘結(jié)強(qiáng)度的有效處理方式。聶建國(guó)[4]通過對(duì)加寬混凝土舊橋的研究，表明了新老混凝土界面的極限抗剪強(qiáng)度由混凝土強(qiáng)度、界面粗糙程度和摩擦系數(shù)共同確定。張潤(rùn)德等[5]研究表明采用分段澆筑施工可以在降低溫度拉應(yīng)力的同時(shí)釋放混凝土部分收縮。張文學(xué)等[6]研究了二次振搗下混凝土的收縮情況，結(jié)果表明：可以降低混凝土3 d齡期收縮量的30%以上并提高混凝土抗壓強(qiáng)度。Rui Rao等[7]的研究也表明二次振搗有助于填充部分空隙和裂縫，進(jìn)而提高混凝土的機(jī)械強(qiáng)度。目前對(duì)于新老混凝土結(jié)構(gòu)的防開裂研究較少且大多關(guān)注對(duì)新老混凝土界面收縮狀態(tài)進(jìn)行研究；對(duì)于實(shí)際工程中新老混凝土結(jié)構(gòu)早期開裂改善措施的運(yùn)用及效果研究也較少。

本文從新老混凝土收縮不同步角度出發(fā)，以南沙港公鐵兩用橋?yàn)楣こ瘫尘?，利用ANSYS有限元軟件建立新老橋墩的混凝土結(jié)構(gòu)模型，并在ANSYS模擬量化分析的基礎(chǔ)上依托實(shí)際工程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)采取老混凝土提前灑水潤(rùn)濕和新混凝土二次振搗的新澆筑橋墩混凝土的收縮應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，對(duì)實(shí)際施工過程有重要指導(dǎo)意義。

1 工程概況

南沙港公鐵兩用橋是在既有廣中江高速公路雞鴉水道橋的基礎(chǔ)上改擴(kuò)建而成。施工時(shí)需將原有橋墩頂部切除一部分，在切除后的既有橋墩上重新澆筑一部分橋墩。橋墩切除后如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)主墩切除

南沙港公鐵兩用橋679#墩既有橋墩高度11 m，新澆筑橋墩高度5.6 m。橋墩尺寸如圖2所示。

圖2 橋墩尺寸及測(cè)點(diǎn)布置(單位：mm)

2 有限元模型的建立

2.1 建立有限元模型

建立有限元模型時(shí)，既有橋墩和新澆筑橋墩均采用8節(jié)點(diǎn)Solid45實(shí)體單元進(jìn)行建模，既有橋墩與新澆筑橋墩接觸面處節(jié)點(diǎn)完全耦合。其中，混凝土線膨脹系數(shù)均為1×10-5/℃，泊松比為0.2，混凝土密度為2 650 kg/m3。

根據(jù)工程實(shí)際情況，利用ANSYS有限元軟件建立既有橋墩加新澆筑橋墩實(shí)體模型進(jìn)行模擬分析。為了更好的計(jì)算新澆筑混凝土的收縮應(yīng)力，在網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)新混凝土局部進(jìn)行加密處理。有限元模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

利用混凝土熱脹冷縮的物理性質(zhì)，采用“等效降溫法”模擬混凝土的收縮情況，將其收縮應(yīng)變等效換算為施加在混凝土上的溫度載荷[8,9]，如公式(1)所示：

εsh(t,ts)=α·ΔT

(1)

式中：εsh(t,ts)為t時(shí)刻混凝土收縮應(yīng)變；ts為混凝土收縮時(shí)刻的對(duì)應(yīng)齡期；α為混凝土線膨脹系數(shù)；ΔT為換算的當(dāng)量溫差。

2.2 材料參數(shù)模型

(1)彈性模量計(jì)算模型：本文采用歐洲CEB-FIP90[10]模式規(guī)范建議的公式對(duì)新澆筑混凝土的彈性模量進(jìn)行計(jì)算，如公式(2)所示：

(2)

式中：Ec,28為28 d混凝土的彈性模量，封鉸混凝土與上下轉(zhuǎn)盤混凝土等級(jí)均為C50，Ec,28取3.45×104MPa；s取決于水泥品種，普通硅酸鹽水泥取0.25。

(2)混凝土收縮計(jì)算模型：常用的混凝土收縮應(yīng)變預(yù)測(cè)模型規(guī)定混凝土收縮開始齡期為3～7 d，而混凝土收縮絕大部分是在早期完成的[11]。因此，本文在《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG 3362-2018)收縮應(yīng)變預(yù)測(cè)模型的基礎(chǔ)上提出了可考慮混凝土早期收縮應(yīng)變的預(yù)測(cè)模型，并且引入二次振搗修正系數(shù)對(duì)收縮情況進(jìn)行研究分析，擬合曲線方程通式見式(3)和式(4)[6]：

(3)

K=1-0.05t′

(4)

3 數(shù)值模擬分析

當(dāng)澆筑新混凝土?xí)r，對(duì)老混凝土提前灑水潤(rùn)濕，老混凝土?xí)蛎浐筮M(jìn)行二次收縮，從而降低老混凝土的約束作用，減少新澆筑混凝土的早期收縮應(yīng)力；二次振搗可有效降低新澆混凝土收縮應(yīng)變。因此在實(shí)際工程中采取對(duì)老混凝土提前灑水潤(rùn)濕、新澆筑混凝土二次振搗的措施。老混凝土灑水膨脹后的二次收縮只包括干燥收縮，因此膨脹后二次收縮速率較小[12]。本文膨脹后二次收縮速率取為1/3、以潤(rùn)濕6 h為例進(jìn)行定量分析，通過升溫法實(shí)現(xiàn)混凝土膨脹。

為了更直觀的看出新澆筑橋墩振搗方式及既有橋墩潤(rùn)濕情況對(duì)新澆筑橋墩收縮應(yīng)力的影響，運(yùn)用ANSYS有限元軟件進(jìn)行模擬，并與新澆筑橋墩一次振搗、既有橋墩不進(jìn)行灑水潤(rùn)濕情況下的收縮應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

從圖4可以看出采取對(duì)既有橋墩進(jìn)行灑水潤(rùn)濕、對(duì)新澆筑混凝土進(jìn)行二次振搗的方式可以明顯減少新澆筑橋墩的收縮應(yīng)力，這將極大改善新澆筑橋墩混凝土早期開裂的問題。

圖4 不同條件下的應(yīng)力對(duì)比

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為進(jìn)一步探究該措施在實(shí)際工程中的效果，以南沙港鐵路雞鴉水道公鐵兩用橋改擴(kuò)建工程為依托，對(duì)既有橋墩基礎(chǔ)上新澆筑橋墩混凝土的收縮應(yīng)變進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。

679#墩是利用原公路橋墩改造而成，既有橋墩混凝土已澆筑完成1 a以上，新老混凝土接頭處會(huì)出現(xiàn)開裂問題。在既有橋墩和新澆筑混凝土接觸面及接觸面以上新澆筑混凝土位置處埋設(shè)傳感器，測(cè)量新澆筑混凝土的收縮應(yīng)變，觀察各測(cè)點(diǎn)之間的收縮應(yīng)變關(guān)系。

4.2 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

首先在新老混凝土接觸面位置處設(shè)置4個(gè)傳感器測(cè)點(diǎn)，記為測(cè)點(diǎn)1-1、2-1、3-1、4-1，其他測(cè)點(diǎn)依次布置在距離1-1、2-1、3-1、4-1測(cè)點(diǎn)從下至上5 cm、25 cm、45 cm、65 cm處，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

4.3 試驗(yàn)過程

在新橋墩澆筑前對(duì)老混凝土進(jìn)行灑水潤(rùn)濕，使其充分膨脹。根據(jù)橋墩結(jié)構(gòu)選定測(cè)試點(diǎn)，進(jìn)行傳感器的安裝與使用。南沙港項(xiàng)目所用傳感器是長(zhǎng)沙金碼高科技實(shí)業(yè)有限公司型號(hào)為CMJX-215型埋入式混凝土應(yīng)變計(jì)，適用于各種混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變測(cè)量。

傳感器的安裝根據(jù)測(cè)點(diǎn)布置進(jìn)行，采用細(xì)匝絲將應(yīng)變計(jì)捆綁在結(jié)構(gòu)鋼筋上，避開混凝土和搗振棒能直接沖擊到的鋼筋面，綁扎不宜過緊?，F(xiàn)場(chǎng)的綁扎情況如圖5所示。

圖5 傳感器綁扎

傳感器綁扎完成后開始澆筑混凝土，澆筑前確保埋設(shè)好的傳感器及測(cè)試儀器能正常使用?；炷翝仓駬v完成后，根據(jù)初凝情況進(jìn)行二次振搗，振搗時(shí)應(yīng)避免直接觸碰儀器。

混凝土澆筑振搗完成后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，測(cè)試了混凝土澆筑后18 d齡期的收縮應(yīng)變。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑情況，一天測(cè)試一次或者兩次數(shù)據(jù)，上午或者下午進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試完傳感器后，做好數(shù)據(jù)記錄，主要包括應(yīng)變、溫度、頻率，測(cè)試完成后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理。

4.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

(1)根據(jù)應(yīng)變計(jì)使用方法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度修正，經(jīng)過修正后得到4組測(cè)點(diǎn)的收縮應(yīng)變曲線如圖6所示。

從圖6可以看出：4組測(cè)點(diǎn)收縮應(yīng)變趨勢(shì)基本保持一致，4組測(cè)點(diǎn)的收縮應(yīng)變均表現(xiàn)為隨著齡期增長(zhǎng)逐漸增加；4組測(cè)點(diǎn)不同位置處的收縮應(yīng)變大小關(guān)系均滿足：n-4>n-3>n-2>n-1，說明既有橋墩對(duì)新澆筑混凝土橋墩的收縮具有約束作用。距離新老混凝土接觸面處越近，新澆筑混凝土的收縮應(yīng)變最??；距離新老混凝土接觸面越遠(yuǎn)，混凝土收縮應(yīng)變?cè)酱蟆?/p>

圖6 不同測(cè)點(diǎn)應(yīng)變

(2)在老混凝土灑水潤(rùn)濕、新澆筑混凝土二次振搗情況下，將各測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)收縮應(yīng)變與ANSYS數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示。

圖7 測(cè)點(diǎn)4-i實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比

從圖7各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)收縮應(yīng)變與模擬應(yīng)變對(duì)比可以看出：各測(cè)點(diǎn)收縮應(yīng)變與ANSYS模擬結(jié)果大致吻合，誤差在可接受范圍內(nèi)；并且數(shù)值模擬的收縮應(yīng)變略大于實(shí)測(cè)值，這是由于在模擬時(shí)二次振搗和潤(rùn)濕工況比較理想，而現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)與模擬存在一定差距。

公路規(guī)范(JTG 3362-2018)中規(guī)定混凝土的收縮應(yīng)變范圍為3×10-4～5×10-4，試驗(yàn)中測(cè)得的應(yīng)變?cè)谝?guī)定范圍內(nèi)，實(shí)際新澆筑的橋墩混凝土并未出現(xiàn)明顯的早期開裂，較類似工程有很大改善。

5 結(jié)論

(1)既有橋墩對(duì)新澆筑橋墩的收縮具有約束作用，距離新老混凝土接觸面處越近，約束作用越大。

(2)針對(duì)新老橋墩混凝土收縮開裂問題，可以通過對(duì)老混凝土提前灑水潤(rùn)濕、新澆筑混凝土二次振搗等綜合措施來(lái)減少裂縫的產(chǎn)生，進(jìn)而保證其施工質(zhì)量。