曾繼祚 曹善慶 于 濤 劉金樟

(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)

1 概述

先簡支后連續(xù)空心板梁橋梁板安裝就位后，接下來的濕接頭施工是橋梁完成體系轉(zhuǎn)換最重要的一道工序，且濕接頭承受橋梁最大負(fù)彎矩及最大剪力，為連續(xù)梁危險(xiǎn)截面[1]?，F(xiàn)階段，對預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)時(shí)均按照無接縫的理想狀態(tài)下的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，然而在實(shí)際橋梁工程中必然會有一定數(shù)量的濕接頭的存在，導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能明顯弱于一次性澆筑的混凝土構(gòu)件。

自20世紀(jì)60年代波特蘭混凝土協(xié)會率先實(shí)施了通過預(yù)制橋面板將橋梁縱向連接為整體后[2]，工程技術(shù)人員便開始對簡支轉(zhuǎn)連續(xù)橋梁進(jìn)行研究。哥倫比亞大學(xué)考慮通過將鋼絞線延長至橫隔板內(nèi)以實(shí)現(xiàn)頂板的正彎矩，并通過足尺模型試驗(yàn)研究了不同型號的鋼絞線[3]。內(nèi)達(dá)拉斯加州立大學(xué)通過濕接頭模型試驗(yàn)驗(yàn)證了濕接頭處預(yù)壓應(yīng)力的效果[4]。Gawin建立了混凝土濕熱耦合模型，定義其土水化程度、溫度、濕度之間的內(nèi)在聯(lián)系，全面分析了混凝土自干燥情況下的濕度變化下的孔隙率對水化速率的影響[5]。何承海等[6]研究濕接頭處混凝土裂縫形成機(jī)理，提出了通過降低混凝土水化熱、減小混凝土收縮徐變、減少墩座混凝土內(nèi)部約束以及改善濕接頭混凝土的養(yǎng)護(hù)條件來減緩裂縫開展。黃志敏[7]對比研究60 m，70 m跨度的簡支轉(zhuǎn)連續(xù)橋梁的收縮俆變效應(yīng)，研究表明混凝土的收縮俆變對靜定結(jié)構(gòu)下的應(yīng)力、線形影響較小，對超靜定結(jié)構(gòu)下的連續(xù)狀態(tài)影響較大。秦?zé)諿8]通過對預(yù)制梁場混凝土箱梁水化熱RPC濕式接頭，通過實(shí)驗(yàn)研究描述了該濕接頭在負(fù)力矩下的力學(xué)行為，包括裂紋擴(kuò)展，應(yīng)變分布和載荷—撓度響應(yīng)，并通過有限元模型來補(bǔ)充參數(shù)分析。Canhui Zhao等[9]提出了一種燕尾形于鋼—超高性能混凝土輕型復(fù)合橋的節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行了兩次撓曲測試，驗(yàn)證了所提出的接頭連接的有效性，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果提出了輕質(zhì)薄板負(fù)彎矩區(qū)域的撓度，裂縫寬度和極限抗彎承載力的設(shè)計(jì)和計(jì)算方法。Shuwen Deng等[10]提出了一種適用溫度應(yīng)變現(xiàn)場的原位試驗(yàn)，進(jìn)一步分析了預(yù)制箱梁早期的溫度場及應(yīng)變變化規(guī)律。

通過總結(jié)以上國內(nèi)外有關(guān)簡支轉(zhuǎn)連續(xù)橋梁相關(guān)研究，筆者發(fā)現(xiàn)較多文獻(xiàn)重點(diǎn)分析了簡支轉(zhuǎn)連續(xù)結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)點(diǎn)，即力學(xué)的連續(xù)性。早期大多數(shù)研究重視工程應(yīng)用，提出了簡支轉(zhuǎn)連續(xù)的施工優(yōu)化工藝及相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)。同時(shí)較多學(xué)者研究了混凝土的收縮徐變及多相耦合下混凝土的力學(xué)特征，為簡支轉(zhuǎn)連續(xù)濕接頭混凝土的應(yīng)用提供了一定基礎(chǔ)。同時(shí)對比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前研究中仍缺少對復(fù)雜約束下的濕接頭部位的單獨(dú)研究，未結(jié)合濕接頭自身的薄弱環(huán)節(jié)，因此本文主要基于濕接頭原位試驗(yàn)，圍繞復(fù)雜約束下濕接頭的受力性能展開研究。

2 原位試驗(yàn)布置

該橋梁的結(jié)構(gòu)形式是由四片小箱梁斜交30°組成，并將四片小箱梁區(qū)分為邊梁以及中梁。平面布置如圖1所示。

共選用18個(gè)預(yù)埋式振弦式應(yīng)變計(jì)(縱向16個(gè)，橫向2個(gè))，埋入部位為濕接頭頂板、底板、翼緣及腹部中間位置。由于本工程中小箱梁放置均為斜交30°，因此橫向布置的應(yīng)變計(jì)與濕接頭應(yīng)平行埋設(shè)。測點(diǎn)布置如圖2所示。

3 濕接頭水化熱分析

3.1 濕接頭水化熱溫度分析

濕接頭中埋設(shè)的各測點(diǎn)溫度見圖3。從開始到30 h，溫度不斷升高。當(dāng)濕接頭澆筑完成30 h，濕接頭各點(diǎn)溫度達(dá)到了峰值，中心位置的最高溫達(dá)到了53 ℃，此時(shí)濕接頭內(nèi)部積蓄的熱量達(dá)到了最大；在30 h～168 h，各測點(diǎn)溫度不斷下降直至達(dá)到外界環(huán)境溫度；位于箱梁左右翼緣的測點(diǎn)1、測點(diǎn)14，受水化熱影響小，與環(huán)境溫度變化趨勢保持一致。測點(diǎn)3、測點(diǎn)15均在邊梁腹板中部，溫度變化趨勢較為一致，溫度峰值出現(xiàn)時(shí)間為22 h，溫度峰值為47.7 ℃；頂?shù)装宓母鳒y點(diǎn)溫度變化均勻，曲線在圖中較為密集，溫度峰值為32 ℃～37 ℃。頂板溫度峰值：中梁為37.8 ℃，邊梁為35 ℃；底板溫度峰值：中梁為32.2 ℃，邊梁為32.0 ℃。

可見水化放熱下的濕接頭溫度上升規(guī)律符合認(rèn)知。濕接頭結(jié)構(gòu)由內(nèi)到外，由中心至兩邊，溫度逐漸降低。此時(shí)溫度應(yīng)力主要是兩部分組成，第一是濕接頭整體溫度升高導(dǎo)致了濕接頭混凝土限制膨脹，內(nèi)部產(chǎn)生了溫度自應(yīng)力；第二部分是濕接頭中心至端部的溫差，由于較大的溫度梯度而產(chǎn)生的溫差應(yīng)力。

3.2 濕接頭水化熱應(yīng)變分析

濕接頭水化熱應(yīng)變分析見圖4，選擇具有代表性的6個(gè)測點(diǎn)，其中測點(diǎn)16、測點(diǎn)17位于濕接頭中心位置，熱量積蓄最多，同時(shí)應(yīng)變也是最大。由于濕接頭部位混凝土限制膨脹，內(nèi)部產(chǎn)生了壓應(yīng)力，在大約38 h達(dá)到了峰值，為-117 με，隨后內(nèi)部壓應(yīng)力隨著溫度的下降得到了釋放，在第7天的時(shí)候減小為-57 με；測點(diǎn)8、測點(diǎn)9在濕接頭澆筑完成前期均出現(xiàn)了拉應(yīng)變，數(shù)值較小為14 με，測點(diǎn)8、測點(diǎn)9位于箱梁的頂板、底板處，熱量積蓄少，應(yīng)力波動范圍較小；測點(diǎn)2、測點(diǎn)3位于腹板處，在24 h應(yīng)變達(dá)到峰值，為-60 με，此后應(yīng)變未出現(xiàn)較大波動，基本保持恒定。可見，達(dá)到應(yīng)變峰值的時(shí)間與濕接頭的位置之間存在一定關(guān)系。位置靠近中心，內(nèi)部熱量積蓄時(shí)間越長溫度越高，應(yīng)變峰值時(shí)間后移，數(shù)值較大。

濕接頭水化放熱時(shí)，其內(nèi)部會產(chǎn)生壓應(yīng)力及局部拉應(yīng)力，隨著水化放熱程度的減弱，應(yīng)力趨于穩(wěn)定。濕接頭整體在澆筑完成的前期受壓、受拉均滿足要求，施工安全。

4 濕接頭各測點(diǎn)溫度、應(yīng)變變化

4.1 濕接頭溫度變化

濕接頭內(nèi)部預(yù)埋測點(diǎn)的溫度變化如圖5所示，受環(huán)境溫度影響，濕接頭溫度呈下降趨勢且各測點(diǎn)溫度圍繞環(huán)境溫度上下波動。在前7 d，濕接頭各測點(diǎn)溫度明顯高于環(huán)境溫度，第3天濕接頭各測點(diǎn)溫度在水化熱的作用下達(dá)到峰值。在第11天環(huán)境溫度升高達(dá)到一個(gè)峰值，隨后濕接頭各測點(diǎn)溫度在第12天均達(dá)到峰值，可見濕接頭內(nèi)部溫度變化與環(huán)境溫度變化約滯后1 d的時(shí)間。

圖6為同一水平橫布置的三個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)1位置為左側(cè)邊箱梁翼緣，測點(diǎn)4位置為左側(cè)邊箱梁頂板處，測點(diǎn)8位置為左側(cè)中箱梁頂板處。濕接頭澆筑前期，測點(diǎn)1的升溫并不明顯；在濕接頭澆筑完成7 d后，其溫度波動情況大于其余測點(diǎn)。測點(diǎn)4與測點(diǎn)8的溫度在濕接頭澆筑前期規(guī)律明顯，因測點(diǎn)8的位置更加接近濕接頭中心，因此其溫度較高，在濕接頭澆筑7 d后，其溫度規(guī)律變化并不明顯。當(dāng)外界環(huán)境溫度升高時(shí)(比如第24天～第27天)，測點(diǎn)4的溫度略微大于測點(diǎn)8的溫度。當(dāng)環(huán)境溫度下降時(shí)(如第33天～第36天)，測點(diǎn)4的溫度略微小于測點(diǎn)8的溫度。

由圖7可知，測點(diǎn)4、測點(diǎn)16、測點(diǎn)6可看作濕接頭縱向溫度梯度的三個(gè)測點(diǎn)。測點(diǎn)4由于是位于頂板處，因此其溫度與外界環(huán)境溫度是最為接近的。測點(diǎn)6位于底板處，受到環(huán)境溫度影響也較大，但由于無法被光照直射，因此其溫度低于測點(diǎn)4。測點(diǎn)16位于中心位置，在澆筑前期其溫度劇烈上升。在澆筑完成7 d后，其溫度低于測點(diǎn)4、測點(diǎn)6，由于混凝土的導(dǎo)熱性能較差，因此導(dǎo)致了中心位置測點(diǎn)16的混凝土溫度較低。當(dāng)?shù)?7天環(huán)境溫度為22 ℃時(shí)，測點(diǎn)4與測點(diǎn)16溫差最大為7 ℃，測點(diǎn)6與測點(diǎn)16溫差為2.4 ℃。當(dāng)環(huán)境溫度處于下降趨勢時(shí)，由于混凝土的保溫性能，中心位置測點(diǎn)16的溫度反而處于截面溫度最高點(diǎn)。

4.2 濕接頭各測點(diǎn)溫度及應(yīng)變

濕接頭內(nèi)部測點(diǎn)的溫度、應(yīng)變隨時(shí)間的變化關(guān)系見圖8。整體而言，濕接頭內(nèi)部各個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)變隨著時(shí)間其絕對值都在變大。測點(diǎn)1處的收縮值最大，最大壓應(yīng)變?yōu)?283 με，達(dá)到了其余測點(diǎn)的2倍～3倍。這是由于翼緣混凝土的通風(fēng)條件良好，收縮俆變較大，因此其內(nèi)部產(chǎn)生了較大的壓應(yīng)力。相對應(yīng)，翼緣處粘結(jié)界面的混凝土承受較大拉力，容易開裂破壞。

將各測點(diǎn)數(shù)據(jù)繪制成圖，可以得到內(nèi)部溫度對濕接頭的影響較大且規(guī)律明顯。各測點(diǎn)的溫度與應(yīng)變具有以下關(guān)系：溫度上升、應(yīng)變減小，溫度降低，應(yīng)變增大。由于濕接頭混凝土溫度升高時(shí)，端部約束限制其膨脹，相當(dāng)于濕接頭受到了端部的壓力，因此應(yīng)變減小。當(dāng)溫度升高幅度較小時(shí)，同時(shí)結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度梯度明顯，此時(shí)溫度效應(yīng)也可能會導(dǎo)致拉應(yīng)力。

由測點(diǎn)16和測點(diǎn)17能夠看出，其應(yīng)變隨時(shí)間波動較小，僅受溫度影響較大，施工荷載、施工工況變化對其影響較小。濕接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)力學(xué)性能穩(wěn)定，不易發(fā)生破壞。

測點(diǎn)5沿濕接頭方向布置。其自身的應(yīng)力變化最小，主要是由于測點(diǎn)5相鄰混凝土對其橫向約束較弱且橋梁濕接頭橫向受力較小，測點(diǎn)5壓應(yīng)變基本處于20 με～50 με。

5 結(jié)語

針對簡支轉(zhuǎn)連續(xù)橋梁濕接頭進(jìn)行了原位試驗(yàn)，分析了溫度、應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律。分析濕接頭澆筑后在水化熱作用下的溫度、形變，分析簡支轉(zhuǎn)連續(xù)關(guān)鍵工況下的濕接頭變形。主要結(jié)論如下：

1)濕接頭澆筑完成30 h，濕接頭各點(diǎn)溫度達(dá)到了峰值，中心位置的最高溫達(dá)到了53 ℃，此時(shí)濕接頭內(nèi)部積蓄的熱量達(dá)到了最大。翼緣處混凝土厚度較小，與外界大氣相接觸，溫度基本不變。

2)水化放熱，濕接頭部位混凝土限制膨脹，內(nèi)部產(chǎn)生了壓應(yīng)力，在大約38 h達(dá)到了峰值，為-117 με。隨后內(nèi)部壓應(yīng)力隨著溫度的下降得到了釋放，在第7天的時(shí)候減小為-57 με。位置越靠近中心，內(nèi)部熱量積蓄時(shí)間越長，導(dǎo)致溫度、應(yīng)變峰值時(shí)間后移且數(shù)值較大。

3)頂板張拉負(fù)彎矩后，濕接頭整體以受壓為主，位于濕接頭頂部測點(diǎn)壓應(yīng)力增長較大、底部測點(diǎn)壓應(yīng)力增長較小。負(fù)彎矩預(yù)應(yīng)力的張拉對結(jié)構(gòu)的翼緣影響最大，最大壓應(yīng)力達(dá)到了-3.52 MPa；體系轉(zhuǎn)變后，結(jié)構(gòu)整體發(fā)生內(nèi)力重分配，翼緣處應(yīng)力明顯減小，濕接頭底部壓應(yīng)力增大。濕接頭在體系轉(zhuǎn)變后并未削弱自身預(yù)壓應(yīng)力，安全性能得到了提高。

4)濕接頭內(nèi)部測點(diǎn)溫度在第11天環(huán)境溫度升高時(shí)達(dá)到峰值，隨后濕接頭各測點(diǎn)溫度在第12天均達(dá)到峰值，濕接頭內(nèi)部溫度變化與環(huán)境溫度變化約滯后1 d時(shí)間；同一水平橫向分布的三個(gè)測點(diǎn)，翼緣位置與空氣接觸面較大，因此其溫度變化接近于環(huán)境溫度變化；豎直分布的三個(gè)測點(diǎn)，當(dāng)溫度升高時(shí)，上部測點(diǎn)與下部測點(diǎn)溫度高于中心測點(diǎn)。當(dāng)溫度下降時(shí)，上部測點(diǎn)與下部測點(diǎn)溫度小于中心測點(diǎn)。

5)濕接頭內(nèi)的各個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)變隨著時(shí)間的增加都在變大。測點(diǎn)溫度升高、應(yīng)變減小，測點(diǎn)溫度降低，應(yīng)變增大；翼緣處混凝土通風(fēng)條件良好，收縮俆變較大，內(nèi)部產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力。翼緣處粘結(jié)界面的混凝土承受較大拉力，施工中應(yīng)重點(diǎn)防護(hù)；濕接頭部位各相應(yīng)位置的測點(diǎn)對稱性較好。