基于RPC空心板桥铰缝受力性能分析

(湖南省交通水利建设集团有限公司， 湖南 长沙 410004)

基于RPC空心板桥铰缝受力性能分析

刘东海

(湖南省交通水利建设集团有限公司， 湖南 长沙 410004)

为了验证RPC(活性粉末混凝土)用作铰缝材料的可行性及探究铺装层厚度和行车荷载对空心板桥铰缝影响规律，设计了高抗拉强度的RPC配合比并进行了基本力学性能测试，建立了空心板桥有限元分析模型并进行验证，然后开展可行性分析和参数分析。试验及分析结果表明，配制的RPC具有高抗拉强度，车辆荷载作用下，铰缝最大主拉应力为C40混凝土抗拉强度设计值的55%，仅为RPC抗拉强度的12.7%；铺装层厚度能改善铰缝受力，其中铰缝竖向剪应力随厚度增加减小最为显著；采用RPC铰缝和控制车辆超载能有效减轻铰缝损伤。

空心板桥；铰缝； RPC; 实体有限元； 铺装层厚度； 弹性模量； 超载

0 引言

空心板桥在经过多年运营后，铰缝会发生不同程度开裂、破碎、脱落等损坏，桥面板横向联系减弱，从而引起空心板变形过大和桥面铺装层、桥梁支座等的破坏，严重影响桥梁的承载能力和正常使用[1-3]。究其原因，包括运营、设计、施工等三个方面，其中以运营和设计方面原因最为致命。首先，随着近年道路无法满足交通量日益增长的需求，车辆超载现象频发，导致大部分空心板桥超负荷运营，实际荷载远大于设计荷载；其次，传统铰接板理论忽视铰缝的抗拉和抗扭特性，认为其只承受竖向剪力，造成铰缝实际受力状态和计算基本假定存在巨大差异；再次，铰缝受力异常复杂，在长期反复车辆荷载作用下普通混凝土铰缝与空心板间粘结力减弱，易发生疲劳破坏，普通混凝土的基本性能不能满足复杂应力状态下的受力要求[4,5]。因而为保证桥梁的安全性，减少铰缝破坏，则主要需要采取三方面措施，分别为限制超载、优化设计计算方法以及寻找高抗拉、抗疲劳铰缝浇筑材料。目前逐渐发展起来的一种新型混凝土材料(RPC)适宜替代普通混凝土作为铰缝浇筑材料，相比于普通混凝土，RPC具有以下优点[6]：

1) 具有超高强度(抗压强度100～200 MPa，抗折强度20～50 MPa，轴心抗拉强度6～12 MPa和弹性模量40～60 GPa)。

2) 具有“四高”特性，即高韧、高耐久、高环保和高耐疲劳性。

3) 具有低磨耗性(磨耗系数为普通混凝土的1/2.2～1/3.1)。

本文配制了具有高抗压强度和高抗拉强度的RPC，并对其基本力学性能进行研究，使用通用有限元软件建立空心板桥模型，采用文献数据先验证有限元模型，然后进行RPC铰缝的可行性分析，最后探究RPC铰缝受力性能与结构构造以及荷载间的关系。

1 RPC配合比及基本力学性能

1.1 配合比设计

经过多次配合比设计，得到表1中相当于强度等级140 MPa的配合比。水泥采用PO52.5普通硅酸盐水泥，石英粉为300目精制石英粉，钢纤维为镀铜平直钢纤维。

表1 RPC配合比%水泥硅灰级配砂石英粉钢纤维减水剂水102511032202 注：钢纤维为体积比，其余为质量比。

1.2 基本力学性能

共制作了12组100 mm×100 mm×300 mm棱柱体和12组100 m×100 mm×100 mm立方体试件(见图1)，确定了该配合比下RPC的基本力学性能。其基本力学性能参数见表2。

a) 棱柱体b) 立方体

表2 RPC基本力学性能参数抗压强度/MPa抗折强度/MPa抗拉强度/MPa抗剪强度/MPa弹性模量/GPa15972648180448

2 工程概况及有限元模型

2.1 工程概况

以跨径20 m的简支空心板桥为研究对象，桥梁空心板截面尺寸和横断面布置分别如图2、图3所示。

图2 空心板截面尺寸(单位： cm)

图3 横断面示意图(单位： cm)

2.2 有限元建模

采用整体式建模法建立整座桥梁模型，空心板混凝土采用实体单元Solid65模拟，混凝土强度等级C40，泊松比ν=0.2，密度2500 kg/m3；空心板中的纵横向钢筋通过定义单元中的3个方向的钢筋体积配筋率实现，钢筋采用HRB400，泊松比ν=0.3，密度为7800 kg/m3。

铰缝自身的模拟采用单元Solid65，而其与空心板之间的粘结则采用Combin39弹簧单元进行模拟，结合面的粘结滑移采用双折线模型(如图4所示)。

图4 粘结滑移模型

由于铰缝的受力主要由车辆荷载引起，故进行铰缝受力分析施加荷载时不考虑空心板桥自重、桥面铺装、护栏、支座沉降等永久荷载和温度、人群荷载、车道荷载等活荷载的荷载组合。依照规范[7]，车辆荷载采用公路一级，计算中，采用跨中偏心加载，其布置位置如图5所示。

图5 车辆荷载布置图

实体有限元模型(如图6所示)的建立主要考虑以下三方面的参数设置，铰缝材料、车辆荷载以及铺装层厚度，其中铰缝材料为普通混凝土及RPC，而铺装层混凝土厚度则有5、10、15 cm，超载系数分为0%、50%、100%。

图6 空心板桥有限元模型

2.3 模型验证

文献[8]进行该种桥的静载试验，得到相应工况下各片梁跨中应变实测值，本文建立的数值模型将采用文献[8]中的实测数据进行验证。各梁跨中应变值与文献应变实测值结果对比见表3。

表3 实测值与计算值对比应变片编号应变文献[11]等效值本模型计算值应变片编号应变文献[11]等效值本模型计算值127με25με622με21με225με23με719με19με323με22με820με20με423με22με920με21με520με18με1019με20με

依据表3的结果，采用本模型计算得到的空心板跨中底缘应变计算值与实测值基本吻合，因此采用本模型基本能够模拟实际桥梁的受力状态。

3 RPC铰缝可行性分析

3.1 铰缝受力分析

铺装层为10 cm C30混凝土+10 cm沥青铺装层，本文只考虑混凝土铺装层参与受力，故铺装层厚度取10 cm，弹性模量取值30 GPa，加载方式为跨中偏载，超载系数从0～100%，铰缝采用C40和RPC 两种材料，得到铰缝内部最大应力见表4。

表4 铰缝应力铰缝材料超载系数/%最大应力/MPaσxσzτxyτxzσ10025089023045094C4050037133034068140100050178045091187002709903049103RPC5004114904507415510005419806098206

由表4可知: 铰缝为RPC的内部应力较普通混凝土偏大，这是因为RPC的弹性模量比普通混凝土大，故而铰缝刚度变大，其分担的荷载增大，应力增加。

不超载情况下，采用普通混凝土满足设计要求，但材料富余度不大。超载100%时，普通混凝土铰缝内应力超过其相应设计值，其中最大正应力为1.78 MPa，主拉应力1.87 MPa，均大于其抗拉强度设计值1.71 MPa，由此可知铰缝为空心板桥的薄弱环节，超载情况下普通混凝土铰缝容易发生复杂应力状态下的拉剪破坏。

采用掺钢纤维的活性粉末混凝土铰缝，抗力相较效应增长明显，依据国内外的研究成果，RPC的轴心抗拉强度约为6～12 MPa，本文设计的RPC轴心抗拉强度8.1 MPa，荷载效应仅为抗力的25.4%，材料安全储备大，大大降低了铰缝因为受拉或受剪破坏的风险。

RPC的材料组分中无粗骨料，同时加入了硅灰，因而其与空心板的粘结强度较普通混凝土更大。文献[9]的研究发现：RPC、DSP、普通水泥浆与花岗岩间粘结强度分别为11.50、9.39、2.57 MPa，采用RPC作为浇筑材料可大大提高铰缝在复杂应力状态下的抗剪和抗拉能力，从而避免因为铰缝的过早破坏导致桥梁出现空心板单板受力的情况发生。

3.2 经济性分析

一种新材料除了考虑其力学性能外，经济性也是可行性分析的重要组成部分，RPC虽然具有理想的力学性能，但如果经济成本较高，其应用于铰缝浇筑材料的可行性也将大打折扣，表5为本工程RPC应用于铰缝的总成本分析。

表5 RPC铰缝经济性分析铰缝材料经济性比较单价/(元·m-2)铰缝造价/万元铰缝后期维护费用/万元桥梁总造价/万元造价比值/%C354000483667660RPC3600436067664

RPC铰缝具有优良的力学性能，虽然相较普通混凝土前期成本较高，但普通混凝土铰缝后期维护成本高，且在维修期，因为交通封锁还会造成的其他间接损失，此处尚未纳入成本计算，结果RPC铰缝和普通混凝土铰缝全寿命周期内的总成本相差无几，且RPC铰缝降低了空心板因为横向联系失效造成的承载力能力下降的风险，故采用RPC铰缝是经济合理的。

4 参数分析

桥面铺装层和车辆荷载对空心板桥的受力行为影响较大，为了探究这些参数改变对空心板桥，尤其是对铰缝的影响程度和规律，重点研究了混凝土铺装层厚度和水平制动力等参数的影响，实体模型中铰缝均采用RPC。

4.1 铺装层厚度

增加混凝土铺装层厚度首先会增加桥梁自重，影响整座桥梁结构受力特性(如挠度等)，其次还会影响桥梁局部应力分布。本文重点研究厚度对桥梁局部(铰缝)受力的影响规律，为此设置3组厚度分析参数，铺装层厚度分别为5、10、15 cm，对各个厚度的桥梁模型进行计算分析，得到如图7所示规律。

图7 应力-厚度变化规律

从图7可以发现，增加铺装层厚度对于改善铰缝受力有益。铺装层厚度增加，铰缝中的竖向剪应力减小幅度最大，厚度增加10 cm剪应力减小54.5%，这主要是因为桥面铺装层与空心板主梁形成叠合结构，铺装层参与受力，随着铺装层厚度增加，桥梁横向刚度逐渐增大，从而有益荷载的横向扩展，铺装层分担空心板间的部分剪力，铰缝所受剪力减小。而主拉应力、横向正应力、纵向正应力分别减小12.7%、17.2%、6.6%，相对而言，减小幅度有限。

4.2 水平制动力

从上节铰缝分析可知铰缝的各项应力幅值均随超载比例的增加呈线性上升，而当车辆制动时会产生较强水平力，铰缝内部产生强剪切力[10]，因而重点讨论车辆水平制动力对铰缝受力的影响规律。

水平制动力通过竖向荷载乘动摩擦系数f即可得到，本文共考虑5级动摩擦系数，分别为0、0.3、0.5、0.7和1，分析中铺装层厚度取值10 cm，铰缝的应力变化规律如表6所示。

表6 铰缝应力值动摩擦系数最大应力/MPaσxσzτxyτxzσ1002709903049103030270990305010305027098030511030702809803052102102809703054102

由表6可知: 水平制动力对铰缝内应力影响具有差异性，其中对纵向剪应力影响最为显著，当水平制动力增大1倍竖向力，纵向剪应力增大10.2%。随着水平制动力的增大，横桥向正应力逐渐增大，而竖向剪应力基本无变化，纵桥向正应力和主拉应力甚至轻微减小，这是因为在铺装层厚度有限的情况下，水平制动力会导致空心板纵向间发生错动，所以增大了铰缝纵向剪应力，对其他应力影响不大甚至无影响。

5 结论

1) 活性粉末混凝土用作铰缝材料具有可行性，车辆荷载作用下铰缝内最大拉应力仅为RPC抗力的12.7%，却为普通混凝土抗拉强度设计值的55.0%；在全寿命周期内RPC铰缝成本具有经济性。

2) 增加铺装层厚度对改善铰缝内竖向剪应力效果最明显，铺装层厚度增加10 cm竖向剪应力减小54.5%，其余应力减小幅度有限。

3) 超载显著增加铰缝内应力，空心板桥水平制动力对铰缝内纵向剪应力影响最大，动摩擦系数由0增加到1时，纵向剪应力增大10.2%。

4) 采用RPC铰缝和控制车辆超载能有效减轻铰缝损伤。

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1008-844X(2017)03-0114-04

U 448.21+2

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2017-02-20

刘东海(1984-)，男，工程师，主要从事公路桥梁设计工作。