基于车桥耦合分析的不中断交通桥梁拼宽工艺研究*

于利存，袁朝华，张 立

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075； 2.长安大学公路学院，陕西 西安 710064)

0 引言

桥梁作为交通建设的关键性节点工程，始终在我国交通发展中发挥着至关重要的作用。随着我国汽车保有量的提升，原有公路交通逐渐不满足通行需求，因此为了全面适应我国小康社会的发展，公路桥梁的改建、扩建工程已大量进入计划及实施。然而，现阶段桥梁拼宽工程大多采用封闭交通后浇筑横桥向拼接缝的施工方法，但中断交通会产生许多不利影响，如交通拥堵、巨大的经济损失、负面的社会情绪等。因此，研究不中断交通桥梁拼宽技术具有重大实际意义。

近年来对不中断交通桥梁扩宽的研究，主要包括车桥耦合的理论接缝受力分析、新旧桥梁拼接缝材料的优化、新旧桥相对挠度的控制措施等方面。其中，徐廷霞[1]研究了T梁的现浇接缝在车辆活载作用下的力学性能，研究结果显示当车辆速度为90km/h时，交通荷载将会对拓宽桥梁拼宽接缝的横向弯曲应力产生较大影响；并且车辆位置越靠近接缝，对现浇接缝的不利影响越大，并建议在设计过程中增大活载的动力效应。邬晓光等[2]通过对T梁桥拼宽的分析表明，需在新旧桥拼接前完成新桥部分的拼装。Kwan等[3-5]通过对桥梁振动参数的测量，并自主设计了一套可模拟车致振动的试验方案，利用该方案，研究了接缝材料在振动条件下的材料性能变化情况。研究结果表明，应选用混凝土的开裂应力作为接缝材料成型控制指标。Harsh等[6-7]研究了车致振动对坍落度的影响，结果表明，在不中断交通进行桥梁拓宽时，应对混凝土的坍落度进行控制，进而保证混凝土密实性。蒋正武等[8]通过车桥耦合计算分析，得到车致振动的模拟试验方案及控制指标。李悦等[9]通过对早龄期混凝土材料抗裂性能的研究，提出减少裂缝产生的工艺。2015年我国发布JTG/T L11—2014《高速公路改扩建设计细则》[10]，其中第9.2.4条关于桥梁拼接设计条文说明中未详细定量说明交通管制方案，仅文字描述在桥梁拓宽工程中应当合理采用分段浇筑、添加混凝土膨胀剂及应当首先采用封闭交通形式保证接缝混凝土凝固质量，如无法封闭交通应当采取措施减少车辆运行扰动环境对接缝混凝土带来影响，而并未对措施进行描述，也并未对措施和车辆扰动的影响程度进行描述。

虽然相关学者已进行桥梁扩宽的相关研究，并取得了一定成果，但仍有一些问题未得到解决。上述研究成果中，并未采用实体有限元模型研究接缝的准确受力状态，且对材料的研发相关试验仍需进一步研究，上述研究成果并未得到能满足不中断交通施工的技术方案。鉴于此，本文通过通用数值模拟的方法，建立实体车桥耦合模型，进而分析接缝应力、振动速度等内容，并结合车桥耦合振动的场地试验确定振动环境，在该振动环境下进行接缝材料的力学试验。最后结合材料力学性能和数值仿真结果，以空心板桥为例提出施工工艺，并通过实桥验证表明本施工工艺的有效性。

1 车桥耦合模型

1.1 车桥耦合振动建模理论

常用的车桥耦合计算方法包括经典车桥耦合理论、基于梁单元的车桥耦合仿真分析方法和非线性动力学计算方法。其中，经典车桥耦合理论已较成熟且理论完善，但难以分析梁格模型、接缝应力、多车并行等问题；基于梁单元的车桥耦合仿真分析方法分析的内容有了很大扩充，但对于拼宽桥梁中最为关心的接缝应力，由于梁单元的局限性仍会出现失真状况。随着计算机性能的提升，采用实体有限元结合非线性动力学理论分析车桥耦合模型，可很好地模拟车辆过桥的实际状态，并可精确分析桥梁各位置的受力状态。

Hilber-Hughes和Taylor时间积分方法是在Newmark算法的基础上发展起来的隐式算法，在有限元中隐式直接积分方法采用这一递推格式，公式如下：

(1)

(2)

与Newmark法的不同之处在于，上式中的系数β和γ的取值中加入了参数α，即

(3)

α=0时上述方法等同于Newmark法。这一参数的引入使上述递推格式有了控制算法阻尼的能力，且α使得算法阻尼有这样一种形式：对于低频成分，阻尼增长速度相当缓慢；对于高频成分，阻尼的增长速度加快。该方法引入的算法阻尼对体系耗能的影响一般≤1%，且该方法也是无条件稳定的，本文的动力模拟采用的是动力隐式。

1.2 车桥耦合振动有限元模型

本次研究分别选取广东某高速公路中的3种典型桥梁，即空心板桥、现浇箱梁桥和工字形梁桥。旧桥于1997年9月设计完成，采用40号混凝土(相当于C45混凝土)，弹性模量为33 000N/mm2；新桥强度等级为C50，因此新桥弹性模量为34 500N/mm2；接缝混凝土弹性模量设置为20 000N/mm2。单元类型为实体三维8节点缩减积分单元，即线性六面体单元。为了细化接缝，将新旧桥处网格尺寸设为200mm，将接缝处网格尺寸设置为100mm。

车辆模型如图1所示，其参数采用文献[11]中的模型参数，为3轴车，总轴重55t，其中前轮重297kg，中轮和后轮重466kg，车身重52 542kg。车轮与车身通过悬架连接，悬架用弹簧模拟，前悬架刚度为6 300kN/m，阻尼系数为27.3N·s/mm；中悬架和后悬架刚度为7 900kN/m，阻尼系数为 38.4N·s/mm。 车辆前轴到中轴的距离为1.35m，后轴到中轴的距离为3.6m，轮距为1.8m。

图1 车辆模型

考虑车辆匀速过桥，车速设置为10，20，30，40，60，80，100km/h。车道车辆行驶工况如图2所示，共设置3种车道行驶位置，车桥耦合如图3所示。

图2 车道车辆行驶工况(单位：cm)

图3 车桥耦合示意

1.3 车桥耦合振动有限元模型

1.3.1车桥耦合振动场地试验

本次试验选用动态信号测试分析系统JM3873用以测定桥梁的频率和峰值速度。本次试验主要目的是为后续材料试验和模型试验确定振动参数，故在本次测试中主要的测试内容为振动频率、峰值速度。实测时间为交通量高峰时段，并测试0.5h。本次试验选取广东某高速公路改扩建工程中的典型桥梁，测试桥梁信息如表1所示。测试结果如图4～11所示。

表1 测试桥梁信息

图4 桥梁1第2跨实测一阶频率(5.219Hz)

1.3.2基频对比分析

通过数值仿真得到桥梁拼宽前后的桥梁基频(桥梁2计算结果如图12所示)。表2显示桥梁实测基频除桥梁以外，均大于有限元计算值，这表明旧桥刚度满足运营要求，无明显材料退化或结构损伤。旧桥和新旧桥连接后的基频差异≤4%，这种现象表明，如以桥梁基频为冲击系数的影响因素，在桥梁拼宽施工过程中，随着接缝材料弹性模量的逐渐增大，桥梁交通荷载的冲击系数无明显变化。

图5 桥梁1第2跨振动速度峰值(18mm/s)

图6 桥梁1第1跨实测一阶频率(5.125Hz)

图7 桥梁1第1跨振动速度峰值(14mm/s)

图8 桥梁2实测一阶频率(5.625Hz)

图9 桥梁2振动速度峰值(11mm/s)

图10 桥梁3实测一阶频率(5.156Hz)

图11 桥梁3振动速度峰值(7mm/s)

图12 桥梁2基频计算分析结果

1.3.3振动速度分析

本次研究车桥耦合振动工况较多，故以桥梁2为例，展示跨中接缝的振动速度峰值(3车道行驶)为例，桥梁振动速度时程曲线如图13所示。其中，3车道加载车速为80，100km/h时的速度-时间曲线如图14所示。从图中可看出，车速在10～30km/h时接缝跨中靠近旧桥一侧的振动速度峰值与车速大致呈线性关系；车速为40km/h时接缝跨中靠近旧桥一侧的振动速度峰值比车速为30km/h时小4%，说明限速可显著降低振动速度峰值。

图13 接缝跨中靠近旧桥一侧的速度-时间曲线

图14 3车道加载时接缝跨中靠近旧桥一侧的振动速度峰值随时间变化曲线

其余桥梁由于篇幅有限，计算结果不做过多展示，总结主要对比选项如表3所示。分析可知，桥梁的实测振动速度范围为7～18mm/s；车桥耦合计算结果中桥梁的振动速度与车辆的行驶速度有较大关系，其中桥梁1、桥梁2的桥梁振动速度随车辆行驶速度的增加，整体上有增大趋势，但桥梁3的桥梁振动速度与车辆的行驶速度无较强相关性，且桥梁的振动速度均较大。

表3 车辆振动速度对比 (mm·s-1)

1.3.4接缝应力结果分析

根据车桥耦合振动计算结果，提取跨中位置拼接缝的拉应力。以不同车道数目和不同行车速度为变量，共21种工况。3座桥的计算结果如图15所示，结果表明，车道数目对接缝应力影响较大，但车速对接缝应力的影响较小。计算结果显示，1车道通行时接缝的最大应力为0.53MPa，2车道通行时接缝的最大应力为1.08MPa，3车道通行时接缝的最大应力为1.59MPa。

图15 桥梁1～3应力-车速关系曲线

2 振动环境下接缝材料试验

在施工阶段的力学分析中需考虑桥梁截面与施工图纸的差异，故综合考虑现场实测结果和车桥耦合振动分析的计算结果，最终选用5Hz和25mm/s作为振动环境。根据不中断交通拼宽的接缝材料需要，专门研发抗扰动FRCM50混凝土。每个振动环境3组样品，试件尺寸为150mm×150mm，测试结果如表4所示。

表4 FRCM50混凝土劈裂抗拉黏结强度试验 MPa

结果显示，在振动环境下，终凝后1h和2h的劈裂抗拉黏结强度要小于非振动环境下的混凝土，但是3h时二者相差很小。根据文献[12]，混凝土的轴心抗拉强度为劈裂抗拉强度的0.8倍，计算得到振动环境下FRCM50混凝土前3h的轴心抗拉强度分别为1.28，1.6，1.84MPa。

3 施工工艺研究及工程应用

3.1 施工工艺研究

综合以上成果，以混凝土的轴心抗拉性能为判断标准，对施工工艺进行优化。由图15可知，3座桥均满足2车道通行，终凝2h后可满足3车道通行，故可得到不中断交通桥梁拼宽的施工工艺：①完成新拼宽桥梁的整体化层施工，在接缝处预留50cm宽度整体化层不浇筑(见图16a)；②内侧1～2车道通行(中央分隔带侧)，2车道以外的原桥面整体化层铣刨后，将原桥10cm整体化层改成15cm整体化层，在接缝处预留50cm宽度整体化层不浇筑(见图16b)；③浇筑拼接缝，完成新旧桥拼接(见图16c)；④将2个内车道转换到拼接后的2个外车道上，铣刨重做内侧2车道剩余部分整体化层及桥面铺装(见图16d)；⑤恢复单幅4车道通行。

图16 施工阶段1～4(单位：cm)

3.2 工程应用

依托广东某高速公路桥梁拼宽工程，进行施工工艺的实桥验证。本桥为20m空心板桥，主梁断面如图16所示。按上述施工工艺进行现场施工，施工过程中保持旧桥2车道通车。不中断交通条件下接缝成型效果如图17所示。由图17b可发现接缝位置连接平顺，未出现裂缝，接缝浇筑质量良好。

图17 不中断交通接缝浇筑效果

4 结语

本文通过车桥耦合计算分析、场地试验、接缝材料试验、实桥验证等方法，对不中断交通桥梁拼宽接缝应力与施工工艺进行了研究，主要研究成果如下。

1)通过桥梁车桥耦合振动场地试验，得到典型桥梁的峰值振动速度和振动基频。

2)通过车桥耦合有限元分析得到桥梁的理论基频、振动峰值速度与接缝最大应力。

3)根据现场实测和有限元计算结果，确定5Hz和25mm/s为振动环境，对新材料进行宏观力学性能试验，得到其劈裂抗拉黏结强度。

4)根据车桥耦合计算结果，结合工程经验确定了不中断交通的施工工艺。

5)某空心板桥的实桥试验表明本文中不中断交通的施工工艺可保证接缝浇筑质量，无裂缝出现。