基于抗扰动混凝土材料性能的拼宽桥梁接缝方案仿真分析

曾过生、陈德华

（广东省高速公路有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

拓建高速公路面临现有道路交通量大，临时封闭道路交通的组织难度、社会影响较大，高速公路改扩建只能在不中断交通的条件下进行。由于新旧桥采用湿接缝连接，在不中断交通，拼接新旧桥的过程中，旧桥上行车振动以及新旧桥之间的差异变形对混凝土质量产生影响，缺乏抵抗振动、挠度差的拼接材料。

众多学者对在行车振动下，混凝土受扰后材料性能展开了一定的研究。何欢等[1]利用电磁扰动台模拟桥梁扰动，研究了扰动对硫铝酸盐水泥混凝土修补材料性能的影响规律。潘慧敏等[2]通过振动台，在凝结硬化期的不同粗骨料最大粒径混凝土受早期扰动后，对力学性能进行了试验研究。李雷等[3]利用振筛试验机，模拟铁路桥运营期内维修时，混凝土浇筑部位的受扰振动，对不同扰动制度下混凝土力学性能的影响进行了试验研究。

通过室内试验，研制具有增稠、调凝效果的粉料及外加剂，选型合适的骨料与纤维，开展多种配比的室内振动模拟试验，开发了适用于拼宽桥梁接缝的混凝土产品。通过模拟垂直扰动试验，对开发的具有抵抗差异变形和扰动性能的新型混凝土材料（以下简称“抗扰动混凝土”）进行材料性能测试。对拼宽桥梁进行精细化仿真分析，基于抗扰动混凝土材料性能试验结果，验证接缝方案的受力特性及可行性。

1 工程概况

1.1 桥梁拼宽方案

沈阳至海口国家高速公路阳江至茂名段改扩建工程，起于茂名市电白区观珠镇，顺接阳茂高速公路，止于湛江市麻章区接湛徐高速公路。项目总长108.593km，由双向四车道改为双向八车道。

项目段内常见的中小跨径桥梁中，20m 空心板桥的扩建设计为拼宽后桥梁由拼宽新桥、拼宽旧桥、拼接带构成，如图1 所示。旧桥仍保留原桥的预制空心板梁，截面高度为0.95m；预制空心板、铰缝、整体化层采用C40 混凝土。新桥采用截面高度为0.95m 的预制空心板梁结构，新桥预制空心板、拼宽桥现浇整体化层采用C50 混凝土。

图1 20m 跨径预应力混凝土空心板拼宽桥梁结构（半幅，单位：cm）

1.2 拼宽桥梁接缝方案

20m 跨径预应力混凝土空心板拼宽桥梁的接缝方案：拼接前，先切除旧桥外侧边梁悬臂并植入连接钢筋；与之相连的拼宽新桥边梁翼缘不预制但预留翼缘钢筋，与旧桥边梁已植入的钢筋焊接，形成拼接带内钢筋骨架，并在拼接带内浇筑相应混凝土材料。

拼接带截面形式为T型，T 型拼接带总厚度为45cm，上层厚度15cm，下层厚度30cm；接缝最大宽度155cm，下层宽度B=55cm，如图2 所示。

图2 拼接带接缝方案

2 抗差异扰动混凝土材料

2.1 原材料

为满足拼宽桥梁拼接带在不中断交通情况下的拼接养护需求，开发了具有抵抗差异变形和扰动性能的新型混凝土材料，设计强度等级为C50，其主要原材料包含新型定制P·II52.5 硅酸盐水泥、天然河砂（Ⅱ区中砂，细度模数2.4）、天然碎石（粒 径5～20mm）、定制减水剂、直径0.5mm 长度25～35mm 的端钩形钢纤维，如图3 所示。

图3 抗扰动混凝土原材料

2.2 抗扰动混凝土材料性能试验

采用上海一华仪器设备有限公司生产的全功能微电脑控制振动试验台，根据桥梁施工现场的实测振动参数，对混凝土材料进行模拟垂直扰动。主要振动参数如下：

振幅3mm、振频6Hz；振动规律为振动15s，停止45s。

制作混凝土标准试件，自浇筑成型起，振动18h后，进行28d 标准养护。采用标准试验方法，对抗压强度及劈裂抗拉强度进行测试，试验结果如图4所示。

图4 拼宽桥梁仿真模型及边界条件

图4 抗扰动混凝土强度试验结果

由图4 可知，各试件的试验强度均大于C50 混凝土强度的设计值。因此，在后续分析中，仍采用C50等级混凝土的强度设计值，进行仿真分析。

3 拼宽桥梁接缝方案仿真分析

3.1 有限元模型建立

以20m 跨径空心板梁桥为例，根据拼宽桥梁的结构尺寸，利用大型有限元软件ANSYS 建立数值分析模型，如图5 所示。模型中，根据拼宽桥梁的实际支承情况，采用简支方式模拟；栏杆等二期恒载以面荷载的方式，施加到拼宽桥梁上。

新桥、整体化层及拼接带内混凝土材料均采用C50 等级材料进行模拟，密度为2600kg/m3，弹性模量为3.45×104MPa，泊松比为0.167。旧桥的混凝土材料采用C40 等级材料进行模拟，其密度为2600kg/m3，弹性模量为3.25×104MPa，泊松比为0.167。此外，考虑到旧桥铰缝在长期使用过程中存在性能退化的可能，采用折减弹性模量的方式模拟旧桥铰缝损伤[4]。

3.2 工况分析

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）的相关规定，车辆荷载采用550kN 标准车辆重力进行计算[5]。为计算20m 空心板梁桥在承受车辆荷载时的最不利受弯效应，将车辆荷载的后轮着地位置布置在旧桥跨中截面近拼接带位置处。由于桥梁长度的限制，在有限元模型中，仅能布置中、后轮共4 个轮轴。

由于案例工程中多为中小跨径桥梁，为进一步保障旧桥在改扩建工程中的安全性，部分旧桥未设置紧急停车带（GK1），并考虑旧桥上实际车道分布情况（GK2）。此外，根据规范规定的车辆荷载布置形式，考虑通车条件下旧桥上最不利中载工况（GK3）及偏载工况（GK4）。对不同工况下车辆荷载分布工况进行分析，利用有限元软件计算不同荷载的效应，并按照承载能力的极限状态进行荷载组合计算。

3.3 基于拼宽桥梁受力性能的接缝方案分析

在不同荷载布置工况，承载能力的极限状态基本组合下，对拼宽桥梁的变形及应力分布情况进行分析（见表1）。由计算结果可知，各工况下拼宽桥梁的最大变形位置均为旧桥边梁跨中，各工况下拼宽桥梁的最大变形及最大应力值差别较小。拼接带混凝土受力以顶部受压、底部受拉为主，且支点位置附近混凝土出现偏压趋势。拼接带内抗扰动混凝土材料应力仍在C50 混凝土强度范围内，且抗扰动混凝土材料在添加钢纤维的情况下，抗拉性能更好，完全满足拼接带的受力需求，说明拼宽桥梁接缝方案基本可行。

表1 基本组合下拼宽桥梁计算结果

4 结论

在开发具有抵抗差异变形和扰动性能的新型混凝土材料的基础上，采用垂直模拟扰动对抗扰动混凝土材料性能进行试验，并基于试验结果，对拼宽桥梁接缝受力特性及方案的可行性进行分析。主要得出如下结论：

其一，开发的抗扰动混凝土可满足在振幅3mm、振频6Hz 受扰振动后，C50 等级混凝土的强度要求。

其二，在基本组合下，不同荷载布置工况的拼宽桥梁最大变形及最大应力值差别较小，最大变形约为24mm，最大Mises 应力约为14.5MPa。

其三，拼接带内混凝土横向最大拉应力为2.5MPa，最大压应力为1.6MPa，抗扰动混凝土满足拼接带受力要求，拼接方案基本可行。