于利存， 袁朝華， 連萌， 常丁

(1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 公路綠色智能養(yǎng)護(hù)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)， 西安 710075； 2.深圳高速公路集團(tuán)股份有限公司， 深圳 518026)

隨著交通量的不斷增加，公路改擴(kuò)建越來(lái)越頻繁，橋梁拼寬工程逐漸成為橋梁工程建設(shè)的主流[1]?，F(xiàn)階段的橋梁拼寬施工工藝，為了保證接縫的施工質(zhì)量，往往采用中斷交通的施工方式[2]。但是中斷交通會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失和交通擁堵，并且會(huì)造成不良的社會(huì)影響[3]。目前對(duì)不中斷交通條件下的橋梁拼寬施工的研究是橋梁工程的研究熱點(diǎn)之一。

為了確定不中斷交通的橋梁拼寬施工工藝，學(xué)者們從材料、變形控制措施和施工順序等諸多方面進(jìn)行了研究。在美國(guó)密歇根州，采用橋下設(shè)置臨時(shí)支撐的施工工藝進(jìn)行橋梁拼寬[4]，但是橋梁拼寬工程施工完成10年后，臨時(shí)支撐頂部的舊橋出現(xiàn)了較大程度的惡化[5]，所以該施工工藝具有較大的風(fēng)險(xiǎn)。新橋和舊橋可以通過(guò)臨時(shí)剪力架，從而減低相對(duì)撓度差[6]，但是固定臨時(shí)剪力架時(shí)將造成梁體的損傷。杜進(jìn)生等[7]、惠小榮[8]以T梁橋?yàn)槔?，研究了交通管控、臨時(shí)剪力架、臨時(shí)支撐、分段澆筑等施工工藝。楊忠勝[9]通過(guò)對(duì)T梁橋拼寬的連接方式的研究，得到了連接方式的受力性能，該連接方式也可以優(yōu)化不中斷交通施工時(shí)接縫的受力性能。陳順欽[10]提出在舊橋上設(shè)置外加阻尼的方法，進(jìn)而減低橋梁的振動(dòng)特性。除了撓度控制施工工藝外，也有學(xué)者通過(guò)改善接縫材料進(jìn)而保證接縫的安全性。ACI(American Concrete Institute)橋梁拓寬指南[6]使用混凝土坍落度為50～77 mm的混凝土；蔣鍵鋯等[11]將超高性能混凝土應(yīng)用在混蘭拼裝中，為混凝土裝配式施工提供參考。

為了實(shí)現(xiàn)橋梁不中斷交通條件進(jìn)行快速拼寬的目的，現(xiàn)從車橋耦合振動(dòng)測(cè)試、振動(dòng)環(huán)境下纖維增強(qiáng)材料力學(xué)性能出發(fā)，研究一次澆筑、分段澆筑以及本文提出的微差澆筑施工工藝的可行性及優(yōu)缺點(diǎn)，以期指導(dǎo)不中斷交通條件下橋梁拼寬工程的設(shè)計(jì)和施工。

1 車橋耦合振動(dòng)環(huán)境下接縫材料早齡期力學(xué)性能

圖2 橋梁振動(dòng)速度實(shí)測(cè)圖Fig.2 Measurement diagram of bridge vibration velocity

纖維增強(qiáng)混凝土具有良好的抗拉性能，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)較多的應(yīng)用在結(jié)構(gòu)工程中[12-13]。接縫材料選用纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料50型(fiber reinforced cementitious-composite material 50，F(xiàn)RCM50)。在不中斷交通橋梁拼寬施工時(shí)，接縫材料FRCM50將處在車橋耦合振動(dòng)的環(huán)境中成型。下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)，獲得振動(dòng)環(huán)境FRCM50的主要力學(xué)性能。

1.1 車橋耦合振動(dòng)參數(shù)測(cè)試

選取機(jī)荷高速改擴(kuò)建工程中的現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋(跨徑為20 m+25 m+20 m；現(xiàn)澆鋼筋混凝土連續(xù)箱梁橋)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，如圖1所示。

圖2所示場(chǎng)地實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，橋梁的最大振動(dòng)頻率為5.62 Hz，最大振動(dòng)速度為18 mm/s?，F(xiàn)有研究表明混凝土的材料力學(xué)性能隨著振動(dòng)強(qiáng)度的增加而減低[14]。為了測(cè)試不同車輛振動(dòng)條件接縫材料性能的變化，試驗(yàn)設(shè)置了兩種振動(dòng)環(huán)境：振動(dòng)頻率5 Hz，振動(dòng)速度25 mm/s(常規(guī)振動(dòng)環(huán)境); 振動(dòng)頻率10 Hz，振動(dòng)速度50 mm/s(極限振動(dòng)環(huán)境)。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作照Fig.1 Field test work

1.2 振動(dòng)環(huán)境下接縫力學(xué)性能試驗(yàn)

混凝土攪拌結(jié)束后裝入標(biāo)準(zhǔn)模具中，抹平表面后將模具固定在振動(dòng)臺(tái)上等待FRCM50成型(圖3、圖4)。在終凝后1、2、3 h時(shí)取下對(duì)應(yīng)試件，測(cè)試FRCM50的彈性模量(長(zhǎng)方體標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸： 150 mm×150 mm×300 mm)和劈裂抗拉強(qiáng)度(立方體標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸：150 mm×150 mm×150 mm)[15](圖5、圖6)。測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示。結(jié)果顯示：在1 h時(shí)，彈性模量和劈裂抗拉強(qiáng)度均隨振動(dòng)環(huán)境的增加而減小；在2 h時(shí)，彈性模量和劈裂抗拉強(qiáng)度均隨振動(dòng)環(huán)境的增加而增大。與文獻(xiàn)[14]相比，表明FRCM50具有良好的抗振性能。

圖3 混凝土攪拌Fig.3 Concrete mixing

圖4 振動(dòng)環(huán)境Fig.4 Vibration environment

圖5 彈性模量測(cè)試Fig.5 Elastic modulus measurement

圖6 劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)破壞狀態(tài)Fig.6 Failure state of splitting tensile strength test

表1 FRCM50彈性模量

表2 FRCM50劈裂抗拉強(qiáng)度Table 2 FRCM50 split tensile strength

軸心抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)的結(jié)果離散性很大，以劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行替換是一種較為合理的方法。文獻(xiàn)[16]研究結(jié)果表明混凝土軸心抗拉強(qiáng)度為劈裂抗拉強(qiáng)度的0.8倍，據(jù)此可以得到FRCM50的軸心抗拉強(qiáng)度。

非振動(dòng)條件為：60 min初凝，初凝與終凝差 15～20 min;常規(guī)振動(dòng)條件(>5 Hz,>25 mm/s)下為：65 min初凝，初凝與終凝差20～25 min;極限振動(dòng)條件(>10 Hz,>50 mm/s)下為：65 min初凝，初凝與終凝差20～25 min。初終凝時(shí)間差短的特點(diǎn)，無(wú)法采用商砼運(yùn)輸車直接運(yùn)輸。施工方法只能采用現(xiàn)場(chǎng)拌和，現(xiàn)場(chǎng)澆筑。市面上常見的攪拌機(jī)包括小型攪拌機(jī)(單次攪拌大于2 m3)和大型攪拌機(jī)(單次攪拌方量4 m3)。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)[17]，標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度和設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度的折減系數(shù)為1.45。FRCM50的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度如表3所示。接縫材料的設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度公式為

(1)

式(1)中：ft為混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度；ftk為混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度。

表3 FRCM50設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度Table 3 FRCM50 design tensile strength

2 不中斷交通施工工藝仿真分析與對(duì)比

不中斷交通橋梁施工的要點(diǎn)主要包含兩個(gè)方面，首先需要確定車橋耦合振動(dòng)環(huán)境對(duì)接縫材料的力學(xué)性能的影響。其次需要把保證施工過(guò)程中接縫應(yīng)力不會(huì)超過(guò)接縫材料的抗拉強(qiáng)度，保證施工過(guò)程中接縫沒(méi)有裂縫的產(chǎn)生。

2.1 有限元模型建立

為了準(zhǔn)確的研究不同施工工藝下接縫的受力特點(diǎn)，采用實(shí)體有限元模型對(duì)各個(gè)施工工藝進(jìn)行仿真分析。對(duì)于接縫的應(yīng)力分析，可以采用車道荷載[7]，且采用車道荷載可以更好地表征隨機(jī)車流的效應(yīng)，故本次研究選用車道荷載進(jìn)行分析研究。其中縱橋向加載位置，按照影響線在最不利位置進(jìn)行加載。后續(xù)計(jì)算模型中將對(duì)應(yīng)描述。

通過(guò)三維建模軟件AUTO CAD建立幾何模型，然后導(dǎo)入有限元分析軟件ABAQUS中進(jìn)行網(wǎng)格的劃分、邊界施加和荷載施加，通過(guò)節(jié)點(diǎn)耦合的方式完成支座邊界的施加，邊界條件約束如圖7所示。網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格(C3D8R)，網(wǎng)格劃分近似尺寸為0.2 m、有限元模型如圖8所示。

車輛荷載按照公路-Ⅰ級(jí)車道荷載施加，沖擊系數(shù)取值為1.3[12]。橫橋向加載按照實(shí)際施工情況，分別設(shè)置3車道通行、2車道通行和1車道通行。設(shè)置方式如圖9所示。

圖8 橋梁模型圖(中跨加載)Fig.8 Bridge model diagram (midspan loading)

圖9 橫橋向車道布置工況Fig.9 Cross-bridge lane arrangement condition

2.2 一次澆筑成型施工工藝

一次澆筑成型，即在同時(shí)澆筑完成整個(gè)接縫。本次接縫斷面面積為0.27 m2，使用小型攪拌機(jī)單次可澆筑7 m，使用大型攪拌機(jī)單次可澆筑14.5 m。若采用一次澆筑，則施工工藝如圖10所示。

圖10 一次成型澆筑工藝Fig.10 Primary molding pouring process

投料及拌合工序用時(shí)小于16 min，且13 min內(nèi)完成卸料和澆筑。故一次攪拌至澆筑完成需要時(shí)間在30 min之內(nèi)。

如果采用一次成型的澆筑工藝，需要大型攪拌機(jī)4臺(tái)，小型攪拌機(jī)1臺(tái)，可以在0.5 h之內(nèi)澆筑完成整座橋梁。

澆筑完成后，混凝土開始凝結(jié)。以終凝后1、2、3 h為判斷標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)數(shù)值仿真分析研究終凝后1、2、3 h的接縫受力狀態(tài)。通過(guò)商用有限元軟件，建立實(shí)體有限元模型，其中支座通過(guò)節(jié)點(diǎn)耦合，并在節(jié)點(diǎn)處添加相應(yīng)約束；單元選用六面體單；新橋?yàn)镃50混凝土，舊橋40號(hào)混凝土，接縫采用不同齡期的FRCM50。

車道工況共三種，接縫材料控制時(shí)間點(diǎn)分別為終凝后1、2、3 h,共需要計(jì)算9個(gè)模型。分析9個(gè)有限元模型的計(jì)算結(jié)果可知，各個(gè)模型中橫橋向應(yīng)力占主應(yīng)力的96%左右，剪應(yīng)力占主應(yīng)力的2%左右。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[7,10,18]，在計(jì)算結(jié)果中選取橫橋向拉應(yīng)力為控制指標(biāo)。計(jì)算結(jié)果如圖11所示。Pk為車道荷載的集中荷載，qk為車道荷載的均布荷載，按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)[17]取值。

圖11 一次澆筑接縫應(yīng)力時(shí)變性能Fig.11 Time-varying stress performance of once-pouring joint

根據(jù)圖11可知，接縫最大拉應(yīng)力1～3 h內(nèi)接縫應(yīng)力變化較小，其中1車道、2車道和3車道的變化幅度分別為0.01、0.04、0.13 MPa。1車道和2車道通行時(shí)，接縫應(yīng)力均未超過(guò)常規(guī)振動(dòng)環(huán)境和極限振動(dòng)環(huán)境下FRCM50的最小抗拉強(qiáng)度，可以滿足車輛的正常通行。但是3車道通行時(shí)，接縫的最大拉應(yīng)力大約在終凝后1.5 h之前超過(guò)了FRCM50的最小抗拉強(qiáng)度，此時(shí)不能滿足3車道通行。FRCM50的初凝時(shí)間為65 min，初終凝時(shí)間差為20～25 min。根據(jù)文獻(xiàn)[19-20]，接縫發(fā)生損傷的時(shí)間為混凝土流動(dòng)性消失后至強(qiáng)度尚未滿足要求之前,所以在初凝的前0.5 h可不中斷交通，故施工時(shí)間節(jié)點(diǎn)為：a時(shí)刻開始拌和混凝土→a+30 min澆筑完成，并開始中斷外側(cè)一車道→a+65 min(初凝結(jié)束)→a+90 min(終凝結(jié)束)→a+180 min(終凝后1.5 h，為三車道使接縫損傷的臨界時(shí)間點(diǎn)；已經(jīng)中斷一個(gè)車道2.5 h)→a+210 min(終凝后2 h，此時(shí)已經(jīng)中斷交通3 h，且接縫的安全系數(shù)為1.12)。

2.3 分段澆筑施工工藝

分段澆筑成型[7]，即按照將橋梁分成幾個(gè)不同的施工階段，然后按照當(dāng)上一個(gè)施工階段接縫材料強(qiáng)度形成后，此時(shí)第一階段澆筑的混凝土相當(dāng)于臨時(shí)支撐。然后澆筑下一個(gè)施工階段。本橋的跨徑較小，結(jié)合實(shí)際情況，選用兩階段施工即可。施工示意圖如圖12所示。

圖12 分段澆筑工藝Fig.12 Subsection casting process

第一階段采用1號(hào)墩和2號(hào)墩左右皆澆筑第一階段7.25 m，見圖12(a)，待第一階段的澆筑超過(guò)7 d后，澆筑剩余部分，見圖12(b)。有限元部分與2.1節(jié)建模一致，僅對(duì)不同接縫位置的接縫材料參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)修改。首先分析兩車道時(shí)，第一階段時(shí)終凝后1、2、3 h的接縫應(yīng)力。接著分析第一階段終凝7 d后，第二階段澆筑位置，終凝后1、2、3 h時(shí)的接縫應(yīng)力。施工階段接縫最大拉應(yīng)力見圖13。

由圖13(a)可知，在第一階段時(shí)，當(dāng)1車道和2車道通行時(shí)，接縫最大應(yīng)力沒(méi)有超過(guò)接縫材料的最小抗拉強(qiáng)度，接縫不會(huì)發(fā)生損傷。但是3車道通行時(shí)，接縫應(yīng)力超過(guò)接縫材料FRCM50的抗拉強(qiáng)度限值，不能滿足3車道通行，且終凝后3 h時(shí)，依舊不能完全開放交通，且接縫最大拉應(yīng)力超限約30%。分析拉應(yīng)力云圖(圖14)可以發(fā)現(xiàn)，在澆筑的端部位置出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)?shù)谝浑A段1澆筑部分養(yǎng)護(hù)7 d后，開始第二階段的施工。根據(jù)圖13(b)可知在澆筑剩余部分時(shí)，依舊需要中斷1個(gè)車道約2.8 h。故該施工工藝的適用性較差。

2.4 微差澆筑施工工藝

針對(duì)一次澆筑成型施工工藝中攪拌機(jī)數(shù)目較多的問(wèn)題，提出微差澆筑施工工藝。微差澆筑成型，即首先使用兩臺(tái)大型攪拌機(jī)和一臺(tái)小型攪拌機(jī)，澆筑中跨及邊跨部分位置[圖15(a)]。待微段1澆筑完成后，立刻移動(dòng)攪拌機(jī)至剩余部分并進(jìn)行澆筑[圖15(b)]。根據(jù)材料特性兩次澆筑時(shí)間間隔為0.5 h。

由于模型采用車道加載，故針對(duì)不同的加載位置需設(shè)置不同的布載方式，計(jì)算微段1和微段2時(shí)有不同的縱橋向加載方式，如圖16所示，其中微段1較微段2早0.5 h施工。

圖14 應(yīng)力集中現(xiàn)象Fig.14 Stress centralization

圖15 微差澆筑施工工藝Fig.15 Construction technology of slight difference pouring

圖16 加載計(jì)算結(jié)果Fig.16 Calculation results of side span loading

結(jié)合圖16，中跨加載時(shí)，接縫最大應(yīng)力出現(xiàn)在三車道加載工況，微段1部分。在微段1終凝后約1.4 h(微段2終凝后0.9 h)可以開放三車道通行。當(dāng)邊跨加載時(shí)，接縫的最大應(yīng)力出現(xiàn)在三車道加載工況，微段2部分。在微段2終凝后0.7 h(微段2終凝后1.2 h)可以開放三車道通行。綜合分析可知，微段1終凝后1.4 h(微段2終凝后0.9 h)為接縫是否發(fā)生損傷的臨界時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

綜合上述分析，并且接縫材料在初凝的前半個(gè)小時(shí)可不中斷交通，可以得到施工的時(shí)間節(jié)點(diǎn)為：在a時(shí)刻開始拌和微段1混凝土→a+30 min微段1澆筑完成，并移動(dòng)攪拌機(jī)至微段2處；完成后開始中斷外側(cè)1車道→a+60 min微段2澆筑完成→a+65 min微段1初凝結(jié)束→a+90 min微段1終凝結(jié)束→a+95 min微段2初凝結(jié)束→a+120 min微段2終凝結(jié)束，微段1終凝后0.5 h→a+174 min微段2終凝后0.9 h，微段1終凝后1.4 h；已經(jīng)中斷1個(gè)車道持續(xù)144 min；到達(dá)接縫是否發(fā)生損傷的臨界時(shí)間點(diǎn)→a+210 min，微段1終凝后2 h，微段2終凝后1.5 h，此時(shí)微段1接縫具有16%的安全富余量，微段2接縫具有51%的安全富余量。

2.5 不同施工工藝對(duì)比分析

以接縫安全性、施工周期、攪拌機(jī)用量三方面進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而選擇最合適的施工工藝。對(duì)比結(jié)果如表4所示。

對(duì)比三種施工工藝，首先分段澆筑工況，由于應(yīng)力集中現(xiàn)象，致使其第一階段中斷時(shí)間大于3 h(由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)不足，尚不能確定具體的交通管控時(shí)間)，且第二階段施工仍需中斷大于1.5 h，比較一次澆筑和微差澆筑，該工藝劣勢(shì)明顯；對(duì)比施工時(shí)間，分段澆筑由于需要等待階段1部分成型，故需要等待時(shí)間較長(zhǎng)，比較剩余兩種工藝，該工藝劣勢(shì)明顯；對(duì)比攪拌機(jī)數(shù)目，并該工藝沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì)或劣勢(shì)。綜合來(lái)說(shuō)工藝二不建議被采用。

對(duì)比一次澆筑工藝和微差澆筑工藝，其中一次澆筑工藝中斷1車道時(shí)間為2.3 h，建議中斷時(shí)間為3 h，對(duì)應(yīng)的接縫應(yīng)力安全余量為12%。其中微差澆筑工藝中斷1車道時(shí)間為2.4 h，建議中斷時(shí)間為3 h，對(duì)應(yīng)的接縫應(yīng)力安全余量為16%。兩種工藝在交通管控時(shí)間和接縫應(yīng)力狀態(tài)上比較并未有明顯差別。對(duì)比攪拌機(jī)數(shù)目和施工時(shí)間，可以明顯發(fā)現(xiàn)一次澆筑工藝的攪拌機(jī)數(shù)目大于微差澆筑工藝，但是施工時(shí)間略小于微差澆筑工藝。

綜合而言，分段澆筑工藝不適用于不中斷交通的橋梁拼寬施工；一次澆筑成型工藝和微差澆筑工藝均可滿足3 h時(shí)間內(nèi)通車；但是微差澆筑工藝需要的攪拌機(jī)數(shù)目顯著小于一次澆筑工藝，故此時(shí)與之配套的人員、機(jī)械、機(jī)電設(shè)備、施工費(fèi)用等均顯著小于一次澆筑工藝，并且隨著橋梁長(zhǎng)度的增加這些優(yōu)勢(shì)將更加明顯。

3 結(jié)論

為了研究不中斷交通條件下橋梁快速拼寬施工工藝，本文通過(guò)場(chǎng)地試驗(yàn)測(cè)得典型橋梁的振動(dòng)參數(shù)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得振動(dòng)環(huán)境下接縫材料的力學(xué)性能。然后數(shù)值仿真分析了一次澆筑成型施工工藝、分段澆筑施工工藝和微差澆筑施工工藝，得到如下結(jié)論。

(1)現(xiàn)澆箱梁橋的最大振動(dòng)頻率為5.62 Hz，最大振動(dòng)速度為18 mm/s。

(2)定義了常規(guī)振動(dòng)環(huán)境(5 Hz，25 mm/s);極限振動(dòng)環(huán)境(10 Hz，50 mm/s);并測(cè)定了振動(dòng)環(huán)境下FRCM50早齡期的力學(xué)性能。

(3)根據(jù)室內(nèi)測(cè)試得到的振動(dòng)環(huán)境下的材料力學(xué)性能，通過(guò)有限元仿真分析不同的施工工藝。結(jié)果表明常規(guī)分段澆筑工藝易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，致使應(yīng)力超限，不能用于不中斷交通橋梁拼寬工程；以中斷交通3 h為標(biāo)準(zhǔn)，一次澆筑成型工藝和微差澆筑工藝均可滿足相應(yīng)要求；但是微差澆筑具有施工機(jī)械少、施工人員少、施工費(fèi)用少等優(yōu)勢(shì)，且這些優(yōu)勢(shì)將隨著橋梁總長(zhǎng)的增加而增大。

(4)以機(jī)荷高速的某座現(xiàn)澆連續(xù)箱梁橋?yàn)槔?，給出了橋梁不中斷交通拼寬施工工藝確定的流程，為其余類似工程的實(shí)施提供參考。

表4 不同施工工藝對(duì)比表