新老桥间超高性能混凝土拼接接缝性能试验

刘 超， 黄钰豪， 陆元春

(1. 同济大学 土木工程学院, 上海 200092; 2. 上海市城市建设设计研究总院, 上海 200125)

为了满足经济发展的需要，每年对大量原有公路进行扩建，扩建过程中常需要旧桥拓宽，而拓宽所产生的新老桥拼缝的连接便成为了一项难题[1].目前，针对T梁桥来说，新旧桥梁拼接主要连接构造类型有[2-5]：一、上下部构造不连接.代表的形式为采用沥青和木条填充或者混凝土连续铺装，这种方式施工难度低，新老桥各自受力明确互不影响，但是在活载和新旧桥梁的不均匀沉降作用下，易引发横向错台问题，成桥不美观，养护成本高.二、上下部均构造连接.在新旧T梁桥翼缘板间建立相应的横隔板刚性连接，并在旧T梁处进行膨胀螺栓固定加强.但该方法缺点很明显，施工难度大且容许变形能力差，在不均匀沉降下极易导致连接处开裂.三、上部构造连接，下部构造不连接.这种方式是以上2种方式结合的产物，代表的形式为在拼缝梁板处大量布置连接钢筋，并进行焊接，最后进行浇筑.这种方式为国内拼宽桥梁常用连接方式[6]，新老桥下部结构不连接，内力相互影响较小，对不均匀沉降也有一定抵抗力，但是施工复杂，工期长，由于上部构造连接后，连接处的内力也较大.在接缝材料研究方面，针对构造类型一，国外应用较多的有Britflex系列人造橡胶伸缩缝[7]，变形能力好，但其造价较高且需要日常养护，在国内还没有推广.针对构造类型二与三，大部分国内拼宽桥仍使用普通混凝土进行新旧桥梁主梁和下部构造连接.同时，左永辉[8]提出，针对构造类型三，可以将超强韧性纤维混凝土(ECC)和甲基丙烯酸甲酯(MMA)应用于上部结构连接，这2种材料具有高变形能力、低弹性模量的性质.但目前仅处于理论阶段，尚未开展适用于接缝的试验研究，且国内还尚未有拼接桥梁采用该形式接缝.在桥梁工程中，超高性能混凝土(UHPC)凭借着优异的力学性能[9]，可以在保证安全性的前提下，有效降低梁高[10]，减轻结构自重，同时也具备出色的抗裂性能[11-12].若将UHPC取代传统处理方式应用于拼缝，可以节省大量人力和物力，同时由于UHPC出色的变形性能，可以应对新桥沉降带来的较大转角而不开裂，或裂缝宽度小于规范规定的限值[13].本文采用常温养护高应变强化型UHPC材料，依托济阳路新老T梁高架桥拼接实际工程项目，将拼接段连续混凝土铺装替换为UHPC，进行试验及有限元模拟和参数分析，以期为今后类似新老桥拼接工程应用有较好的技术支撑和借鉴作用.

1 工程概况

上海市济阳路高架的部分路段拓宽拼接工程，采用桥面铺装层连接方案，目的是保证拓宽桥面的行车平顺性，新老T梁靠近的两翼缘间距为100 mm.新老桥拼接的相对沉降导致拼缝处受力复杂，要求拼缝材料具有很好的变形性能和抗弯曲能力.由于UHPC具有出色的变形性能，强化阶段极限拉应变可以超过3 800×10-6，上部结构的纵桥向拼缝采用80 mm 厚的UHPC薄板.设计的控制指标为新老桥相对沉降值小于10 mm，偏安全地按照10 mm的相对沉降值计算接缝处转角约为1.2%，故新旧桥梁纵向拼接接缝的基本要求为：接缝在达到1.2%转角时，裂缝宽度不超过0.2 mm，且裂缝不贯穿UHPC.工程示意图见图1，现场照片如图2所示.

图1 工程示意(单位：mm)

主要施工过程为：①老T梁桥板部分切除(去除防撞护栏)，新T梁安装(新老T梁桥面板缝隙100 mm)；②新老T梁端横隔板连接(普通混凝土)；③新老桥混凝土铺装(C50混凝土，除UHPC范围)；④UHPC与新老T梁铺装层间布置连接钢筋，新老桥T梁拼缝连接(UHPC)；⑤ 防水层施工，沥青混凝土摊铺.

2 试验概况

2.1 材料性能

试验材料采用的应变强化UHPC基于最紧密堆积原理由计算机精确设计，可将宏观缺陷降到最低，形成高度致密的无机质基体.在常温养护条件下，具备超高强、应变强化、高耐久性、优异的施工性能.本试验采用的UHPC密度为2 600 kg·m-3，弹性模量约为50 GPa，泊松比为0.2，极限抗拉强度为12 MPa，强化阶段极限拉应变为3 800×10-6，极限抗压强度为150 MPa.参考Lampropoulos等[14]的试验，轴拉试件为狗骨头形，测试段尺寸为50 mm×100 mm×500 mm，轴拉试件见图3a、3b，轴拉试验曲线见图3c.试验试件及现场加载见图4.同时，对本试验所采用的同一批次的钢筋进行了材性试验，抗拉强度为500 MPa.

a 轴拉试件尺寸(单位:mm)b 试件实物图

c 轴拉应力-应变曲线

2.2 试验设计

对全桥构造缩尺模型显然不是经济的办法，在保证准确性的前提下，又兼顾经济性，设计如图5所示的试验模型，图中F代表加载力.这种试件设计可以让UHPC板充分受弯，更好地利用其变形性能，从而利用转角控制设计状态.图中，中间2个尺寸为长300 mm、宽200 mm、高250 mm的C50混凝土块模拟新老桥的翼缘，下部UHPC薄板尺寸为长700 mm、宽200 mm、高80 mm，模拟UHPC拼缝.采用非对称加载，加载比例为3∶7，目的是模拟新老桥不均匀沉降造成的受力不均.为防止局部应力集中，加载时两边各预留50 mm.在横筋、纵筋、门筋和UHPC板底部设置应变片，UHPC与钢筋应变片布置如图6.UHPC板内布置双排横筋16@50、单排纵筋10@50.同时，为了保证UHPC板有良好的连接性，在C50和UHPC板间增设门筋12@100，钢筋布置图见图7.

图5 试验加载模型(单位：mm)

a 底面UHPC应变片

b 横筋应变片

c 门筋应变片

图7钢筋布置(单位：mm)

Fig.7Arrangementofreinforcement(unit:mm)

2.3 试验目的

对于新老桥UHPC拼缝来说，主要不利受力状态是不均匀沉降下的转角.设计要求在极限转角(1.2%)下，裂缝宽度不超过0.2 mm，且裂缝不贯穿UHPC板，即构造能达到不漏水的正常使用状态，防水层、沥青铺装也能保持正常的使用状态.利用位移计测得弯矩最大处UHPC板位移和边缘UHPC板位移，通过式(1)可计算得UHPC板转角，计算图示如图8所示.

θ=(yB-yA)/lAB+(yB-yC)/lBC

(1)

式中:θ为UHPC板转角；yA、yB、yC分别为A、B、C三点处的竖向位移；lAB、lBC分别为AB、BC间距.

图8 转角计算图示(单位：mm)

2.4 试验过程

试验共制作了3个试件，第1个试件在大加载机上加载时由于初期荷载不易控制，发生类似冲切的迅速破坏，不计试验结果.其余2个试件转到小加载机上进行试验，将后2组UHPC拼缝试验的荷载-位移曲线(位移取图8中B处位移计读数)绘制于图9，从曲线可知UHPC拼缝的整个受力破坏过程大致可分为3个阶段：弹性阶段、裂缝发展阶段、持荷至破坏阶段.

(1) 阶段Ⅰ：弹性阶段.在试验加载初期，UHPC板弯矩较小，受力形态与均匀弹性体基本一致，荷载-挠度曲线呈直线.

(2) 阶段Ⅱ：裂缝发展阶段.随着荷载的增加，首先在UHPC板下缘出现裂缝，后UHPC板侧面出现大量微小裂缝，以微裂缝簇的方式呈现，裂缝宽度发展缓慢，且沿着板高向上发展，受拉区进入塑性阶段的部分逐渐增多，荷载-挠度曲线斜率逐渐减小.

(3) 阶段Ⅲ:持荷至破坏阶段.随着荷载的增加，UHPC板中横向钢筋屈服，跨中附近裂缝沿梁高迅速发展且宽度增大，荷载-挠度曲线斜率逐渐趋于零.当荷载-挠度曲线斜率为负时，UHPC板挠度增加迅速，试验板出现明显的主裂缝.同时图6c中门筋1′、2′屈服，门筋所在处UHPC板和C50脱开.

图9 荷载-位移曲线

最终破坏时，裂缝高度为2～3 cm，尚未超过UHPC薄板厚度的一半，即裂缝尚未贯通UHPC板.

3 试验结果分析

3.1 荷载-转角曲线

图10为两试件的荷载-转角曲线，在加载初期，位移与荷载呈现很好的线性关系，在达到1.2%转角时，试件1和试件2荷载约为170 kN和200 kN，此时UHPC板出现裂缝，裂缝宽度均为0.16 mm左右.之后随着荷载的增加，结构逐渐进入塑性，结构的极限荷载分别为363 kN和346 kN.

图10 荷载-转角曲线

3.2 横筋荷载-应变曲线

图11为两试件横筋荷载-应变曲线，从曲线可以看出，在加载前中期，应力-应变曲线基本为线性，在微应变为2 600×10-6左右，曲线斜率发生变化，而后钢筋进入屈服阶段直至试件破坏.

图11 横筋荷载-应变曲线

3.3 门筋荷载-应变曲线

图12为门筋荷载-应变曲线，从曲线可以看出，在微应变为2 600×10-6前，曲线基本呈线性，而后钢筋进入屈服阶段直至试件破坏，门筋起到了抗拔的作用，限制了UHPC与C50混凝土界面之间的脱开.

图12 门筋荷载-应变曲线

3.4 荷载-裂缝关系

将试件1和试件2的荷载-裂缝关系列于表1中，可以发现，在对应转角小于2.0%时，裂缝宽度小于0.20 mm，且裂缝未贯穿UHPC板，说明高应变强化型UHPC具有出色的裂缝控制能力.

表1 试件荷载与裂缝关系

4 有限元模拟

4.1 模型的建立

高应变强化型UHPC材料有着类金属的非线性特点，利用ABAQUS软件建立UHPC拼缝模型进行有限元仿真，模型示意图如图13所示.模型中尺寸完全根据试验确定.模型中采用的材料为钢、C50混凝土和UHPC，由于C50混凝土仅仅为了传力，而不是重点研究对象，为了计算收敛，将其应力应变关系设置为全过程线弹性，钢和UHPC则设置非线性，本构关系见图14.混凝土弹性模量为34.5GPa，钢的弹性模量为210 GPa，UHPC弹性模量为50 GPa.C50和UHPC间接触设为硬接触.同时，定义C50混凝土、UHPC和钢为各向同性材料.模型网格划分采用扫略划分，C50块和UHPC板均采用空间六面体C3D8网格，钢筋采用桁架单元，共计6 896个节点，5 126个单元.各参数设置见表2.

图13 有限元模型

a UHPC

b 钢

表2 参数选取

4.2 结果分析

4.2.1荷载-位移曲线

将有限元模拟的荷载-位移曲线、荷载-转角和试验曲线作对比，见图15和16.在弹性阶段，有限元模拟和试验较为接近，有限元结果较试验大，原因是有限元中，材料为理想材料，材料间不存在空隙，跳过了试验中压实阶段.在经过塑性阶段后，有限元结果的极限荷载为375 kN，较试验结果大，原因有二：①有限元结果不存在初始缺陷，材料可以发挥最大性能；②试验难以避免存在偏载，而有限元加载方式为完全对称，因此极限荷载较高.但从整体来看，有限元结果和2次试验曲线吻合程度高，在有限元结果中，转角为1.2%时对应的荷载为185kN，介于2次试验结果之间，说明有限元模拟较为准确.

图15 荷载-位移对比曲线

图16 荷载-转角对比曲线

4.2.2破坏形态

将有限元模拟的破坏形态和试验破坏形态作对比，见图17.在有限元结果中，浅色代表出现裂缝，裂缝出现在千斤顶作用点正下方的UHPC板底，UHPC板的挠度最大处和裂缝出现处为同一位置.该破坏形态的出现是因为，在模拟不均匀沉降的非对称加载下，加载点正下方转角不断增大，UHPC层应变不断增加，最终达到极限拉应变而开裂.同时，门筋所在处UHPC板和C50脱开，该破坏形态的出现是因为，在非对称加载作用下，作用力大的一侧下挠挠度大于受力小的一侧，而两侧C50块体受到UHPC板的连接作用，从而使受力小的一侧C50块体和UHPC有脱开的趋势.UHPC板和C50块体靠门筋进行连接，门筋屈服时即会出现脱开现象.有限元破坏形态和试验吻合.

4.2.3应力和应变分析

将UHPC板底应力和钢筋应力绘制于图18中.图18a中浅色区域表示该处出现塑性应变，根据图例，塑性应变已大于开裂应变，说明UHPC开裂.图18b中，裂缝出现处横向钢筋与门筋屈服，与试验结果吻合.

4.3 参数分析

4.3.1接缝自由长度

考虑到某些地基土质较差的地区相对沉降可能较大，在UHPC接缝和T梁翼缘间加橡胶，使UHPC和主梁分离，从而使UHPC达到更佳的弯曲能力.如图19所示，保持其他参数不变，取橡胶厚度为20 mm，长度分别为L=0 mm(实际试验参数)、L=30 mm、L=50 mm，进行有限元模拟，并将结果与试验结果进行对比.由于工程重点看重在一定转角下UHPC的工作状态，故绘制转角-UHPC应变曲线于图20，UHPC应变取UHPC板中下缘最大应变.

a 试验破坏形态

b 有限元破坏形态

a UHPC板塑性应变

b 钢筋应力

图19 接缝自由长度示意(单位：mm)

图20 不同自由长度下转角与UHPC应变

从图20可以看出，L=0时自由长度曲线结果与试验吻合得较好，试验数据在应变1 800×10-6之后为水平段是因为应变片处突然开裂所致.在相同转角下(试验规定的最大转角为1.2%)，L=50、 30、 0 mm时，UHPC应变分别为520×10-6、770×10-6和1 180×10-6.随着转角的增加，在相同转角下，UHPC的应变由小到大分别为：L=50 mm时、L=30 mm时、L=0 mm时.从原理上考虑，随着自由长度的增加，跨中UHPC的刚度减小，刚度减小有助于提高UHPC的弯曲性能.因此，自由长度的增加有利于提高UHPC接缝的弯曲能力.

4.3.2UHPC接缝厚度

考虑UHPC接缝厚度对其弯曲能力的影响，如图21所示，保持其他参数不变，变量取定为UHPC接缝厚度，分别在对照组厚度H=80 mm(实际试验参数)、H=100 mm、H=120 mm情况下进行有限元模拟，并将结果与及试验结果进行对比.由于工程重点是在一定转角下UHPC的工作状态，故绘制转角-UHPC应变曲线于图22，UHPC应变取UHPC板中下缘最大应变.

图21 接缝厚度示意

图22 不同接缝厚度下转角与UHPC应变曲线

从图22可以看出，在相同转角下(试验规定的最大转角为1.2%)，接缝厚度H=8 mm、H=10mm和H=12 mm的UHPC应变分别为1 180×10-6，3 130×10-6和5 110×10-6.随着转角的增加，在相同转角下，UHPC的应变由小到大分别为：H=8 mm时、H=10 mm时、H=12 mm时.从原理上考虑，本工程接缝属于柔性接缝，需具备优异的弯曲能力，增加UHPC接缝厚度，即增加了跨中UHPC的刚度，不利于UHPC的弯曲.可见，接缝厚度的增加不利于UHPC接缝的弯曲能力.

5 结论

(1) 在最终破坏时，裂缝高度为2～3 cm，尚未超过UHPC薄板厚度的一半，即裂缝尚未贯通UHPC板.在此极限状态下，此拼缝构造依然可以达到正常使用不漏水的功能状态.防水层、沥青铺装也能保持正常的使用状态，说明拼缝的材料选择和形式是合理的.

(2) 从试验结果可以看出，UHPC在整个试验过程中体现了非常好的发展状态，具有很长的塑性平台强化段.在UHPC板达到转角为1.2%时，裂缝宽度仅为0.16 mm，满足规范要求.裂缝发展方式为微裂缝簇—主裂缝，说明高应变强化UHPC具有出色的裂缝控制能力.

(3) 根据参数分析，结果显示增加接缝的自由长度和减小接缝的厚度可以有效提高接缝的弯曲性能.意味着，在特定转角的情况下，UHPC板的应变可以更小，可以拥有更强的裂缝控制能力

(4) 根据试验结果，远离加载点一侧的门筋屈服甚至拉断，同时，加载点下UHPC板内横向钢筋屈服，有限元结果和试验吻合较好，充分说明试验配筋方式的合理性和结果的有效性.

(5) 作为拼缝材料，UHPC有着施工便捷、快速的优势，同时具有出色的变形和弯曲能力.对于其他不同的新老桥拼接工程项目，拼缝的厚度、长度等参数可根据具体桥梁拼接情况确定，同时应考虑沉降量等参数的影响，如转角过大时可考虑两边加橡胶(将UHPC与主梁分离)等做法.