(湖南省交通水利建設(shè)集團(tuán)有限公司， 湖南 長沙 410004)

基于RPC空心板橋鉸縫受力性能分析

劉東海

(湖南省交通水利建設(shè)集團(tuán)有限公司， 湖南 長沙 410004)

為了驗(yàn)證RPC(活性粉末混凝土)用作鉸縫材料的可行性及探究鋪裝層厚度和行車荷載對空心板橋鉸縫影響規(guī)律，設(shè)計(jì)了高抗拉強(qiáng)度的RPC配合比并進(jìn)行了基本力學(xué)性能測試，建立了空心板橋有限元分析模型并進(jìn)行驗(yàn)證，然后開展可行性分析和參數(shù)分析。試驗(yàn)及分析結(jié)果表明，配制的RPC具有高抗拉強(qiáng)度，車輛荷載作用下，鉸縫最大主拉應(yīng)力為C40混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的55%，僅為RPC抗拉強(qiáng)度的12.7%；鋪裝層厚度能改善鉸縫受力，其中鉸縫豎向剪應(yīng)力隨厚度增加減小最為顯著；采用RPC鉸縫和控制車輛超載能有效減輕鉸縫損傷。

空心板橋；鉸縫； RPC; 實(shí)體有限元； 鋪裝層厚度； 彈性模量； 超載

0 引言

空心板橋在經(jīng)過多年運(yùn)營后，鉸縫會發(fā)生不同程度開裂、破碎、脫落等損壞，橋面板橫向聯(lián)系減弱，從而引起空心板變形過大和橋面鋪裝層、橋梁支座等的破壞，嚴(yán)重影響橋梁的承載能力和正常使用[1-3]。究其原因，包括運(yùn)營、設(shè)計(jì)、施工等三個(gè)方面，其中以運(yùn)營和設(shè)計(jì)方面原因最為致命。首先，隨著近年道路無法滿足交通量日益增長的需求，車輛超載現(xiàn)象頻發(fā)，導(dǎo)致大部分空心板橋超負(fù)荷運(yùn)營，實(shí)際荷載遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)荷載；其次，傳統(tǒng)鉸接板理論忽視鉸縫的抗拉和抗扭特性，認(rèn)為其只承受豎向剪力，造成鉸縫實(shí)際受力狀態(tài)和計(jì)算基本假定存在巨大差異；再次，鉸縫受力異常復(fù)雜，在長期反復(fù)車輛荷載作用下普通混凝土鉸縫與空心板間粘結(jié)力減弱，易發(fā)生疲勞破壞，普通混凝土的基本性能不能滿足復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的受力要求[4,5]。因而為保證橋梁的安全性，減少鉸縫破壞，則主要需要采取三方面措施，分別為限制超載、優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算方法以及尋找高抗拉、抗疲勞鉸縫澆筑材料。目前逐漸發(fā)展起來的一種新型混凝土材料(RPC)適宜替代普通混凝土作為鉸縫澆筑材料，相比于普通混凝土，RPC具有以下優(yōu)點(diǎn)[6]：

1) 具有超高強(qiáng)度(抗壓強(qiáng)度100～200 MPa，抗折強(qiáng)度20～50 MPa，軸心抗拉強(qiáng)度6～12 MPa和彈性模量40～60 GPa)。

2) 具有“四高”特性，即高韌、高耐久、高環(huán)保和高耐疲勞性。

3) 具有低磨耗性(磨耗系數(shù)為普通混凝土的1/2.2～1/3.1)。

本文配制了具有高抗壓強(qiáng)度和高抗拉強(qiáng)度的RPC，并對其基本力學(xué)性能進(jìn)行研究，使用通用有限元軟件建立空心板橋模型，采用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)先驗(yàn)證有限元模型，然后進(jìn)行RPC鉸縫的可行性分析，最后探究RPC鉸縫受力性能與結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及荷載間的關(guān)系。

1 RPC配合比及基本力學(xué)性能

1.1 配合比設(shè)計(jì)

經(jīng)過多次配合比設(shè)計(jì)，得到表1中相當(dāng)于強(qiáng)度等級140 MPa的配合比。水泥采用PO52.5普通硅酸鹽水泥，石英粉為300目精制石英粉，鋼纖維為鍍銅平直鋼纖維。

表1 RPC配合比%水泥硅灰級配砂石英粉鋼纖維減水劑水102511032202 注：鋼纖維為體積比，其余為質(zhì)量比。

1.2 基本力學(xué)性能

共制作了12組100 mm×100 mm×300 mm棱柱體和12組100 m×100 mm×100 mm立方體試件(見圖1)，確定了該配合比下RPC的基本力學(xué)性能。其基本力學(xué)性能參數(shù)見表2。

a) 棱柱體b) 立方體

表2 RPC基本力學(xué)性能參數(shù)抗壓強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa抗剪強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa15972648180448

2 工程概況及有限元模型

2.1 工程概況

以跨徑20 m的簡支空心板橋?yàn)檠芯繉ο?，橋梁空心板截面尺寸和橫斷面布置分別如圖2、圖3所示。

圖2 空心板截面尺寸(單位： cm)

圖3 橫斷面示意圖(單位： cm)

2.2 有限元建模

采用整體式建模法建立整座橋梁模型，空心板混凝土采用實(shí)體單元Solid65模擬，混凝土強(qiáng)度等級C40，泊松比ν=0.2，密度2500 kg/m3；空心板中的縱橫向鋼筋通過定義單元中的3個(gè)方向的鋼筋體積配筋率實(shí)現(xiàn)，鋼筋采用HRB400，泊松比ν=0.3，密度為7800 kg/m3。

鉸縫自身的模擬采用單元Solid65，而其與空心板之間的粘結(jié)則采用Combin39彈簧單元進(jìn)行模擬，結(jié)合面的粘結(jié)滑移采用雙折線模型(如圖4所示)。

圖4 粘結(jié)滑移模型

由于鉸縫的受力主要由車輛荷載引起，故進(jìn)行鉸縫受力分析施加荷載時(shí)不考慮空心板橋自重、橋面鋪裝、護(hù)欄、支座沉降等永久荷載和溫度、人群荷載、車道荷載等活荷載的荷載組合。依照規(guī)范[7]，車輛荷載采用公路一級，計(jì)算中，采用跨中偏心加載，其布置位置如圖5所示。

圖5 車輛荷載布置圖

實(shí)體有限元模型(如圖6所示)的建立主要考慮以下三方面的參數(shù)設(shè)置，鉸縫材料、車輛荷載以及鋪裝層厚度，其中鉸縫材料為普通混凝土及RPC，而鋪裝層混凝土厚度則有5、10、15 cm，超載系數(shù)分為0%、50%、100%。

圖6 空心板橋有限元模型

2.3 模型驗(yàn)證

文獻(xiàn)[8]進(jìn)行該種橋的靜載試驗(yàn)，得到相應(yīng)工況下各片梁跨中應(yīng)變實(shí)測值，本文建立的數(shù)值模型將采用文獻(xiàn)[8]中的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。各梁跨中應(yīng)變值與文獻(xiàn)應(yīng)變實(shí)測值結(jié)果對比見表3。

表3 實(shí)測值與計(jì)算值對比應(yīng)變片編號應(yīng)變文獻(xiàn)[11]等效值本模型計(jì)算值應(yīng)變片編號應(yīng)變文獻(xiàn)[11]等效值本模型計(jì)算值127με25με622με21με225με23με719με19με323με22με820με20με423με22με920με21με520με18με1019με20με

依據(jù)表3的結(jié)果，采用本模型計(jì)算得到的空心板跨中底緣應(yīng)變計(jì)算值與實(shí)測值基本吻合，因此采用本模型基本能夠模擬實(shí)際橋梁的受力狀態(tài)。

3 RPC鉸縫可行性分析

3.1 鉸縫受力分析

鋪裝層為10 cm C30混凝土+10 cm瀝青鋪裝層，本文只考慮混凝土鋪裝層參與受力，故鋪裝層厚度取10 cm，彈性模量取值30 GPa，加載方式為跨中偏載，超載系數(shù)從0～100%，鉸縫采用C40和RPC 兩種材料，得到鉸縫內(nèi)部最大應(yīng)力見表4。

表4 鉸縫應(yīng)力鉸縫材料超載系數(shù)/%最大應(yīng)力/MPaσxσzτxyτxzσ10025089023045094C4050037133034068140100050178045091187002709903049103RPC5004114904507415510005419806098206

由表4可知: 鉸縫為RPC的內(nèi)部應(yīng)力較普通混凝土偏大，這是因?yàn)镽PC的彈性模量比普通混凝土大，故而鉸縫剛度變大，其分擔(dān)的荷載增大，應(yīng)力增加。

不超載情況下，采用普通混凝土滿足設(shè)計(jì)要求，但材料富余度不大。超載100%時(shí)，普通混凝土鉸縫內(nèi)應(yīng)力超過其相應(yīng)設(shè)計(jì)值，其中最大正應(yīng)力為1.78 MPa，主拉應(yīng)力1.87 MPa，均大于其抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.71 MPa，由此可知鉸縫為空心板橋的薄弱環(huán)節(jié)，超載情況下普通混凝土鉸縫容易發(fā)生復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的拉剪破壞。

采用摻鋼纖維的活性粉末混凝土鉸縫，抗力相較效應(yīng)增長明顯，依據(jù)國內(nèi)外的研究成果，RPC的軸心抗拉強(qiáng)度約為6～12 MPa，本文設(shè)計(jì)的RPC軸心抗拉強(qiáng)度8.1 MPa，荷載效應(yīng)僅為抗力的25.4%，材料安全儲備大，大大降低了鉸縫因?yàn)槭芾蚴芗羝茐牡娘L(fēng)險(xiǎn)。

RPC的材料組分中無粗骨料，同時(shí)加入了硅灰，因而其與空心板的粘結(jié)強(qiáng)度較普通混凝土更大。文獻(xiàn)[9]的研究發(fā)現(xiàn)：RPC、DSP、普通水泥漿與花崗巖間粘結(jié)強(qiáng)度分別為11.50、9.39、2.57 MPa，采用RPC作為澆筑材料可大大提高鉸縫在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的抗剪和抗拉能力，從而避免因?yàn)殂q縫的過早破壞導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)空心板單板受力的情況發(fā)生。

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

一種新材料除了考慮其力學(xué)性能外，經(jīng)濟(jì)性也是可行性分析的重要組成部分，RPC雖然具有理想的力學(xué)性能，但如果經(jīng)濟(jì)成本較高，其應(yīng)用于鉸縫澆筑材料的可行性也將大打折扣，表5為本工程RPC應(yīng)用于鉸縫的總成本分析。

表5 RPC鉸縫經(jīng)濟(jì)性分析鉸縫材料經(jīng)濟(jì)性比較單價(jià)/(元·m-2)鉸縫造價(jià)/萬元鉸縫后期維護(hù)費(fèi)用/萬元橋梁總造價(jià)/萬元造價(jià)比值/%C354000483667660RPC3600436067664

RPC鉸縫具有優(yōu)良的力學(xué)性能，雖然相較普通混凝土前期成本較高，但普通混凝土鉸縫后期維護(hù)成本高，且在維修期，因?yàn)榻煌ǚ怄i還會造成的其他間接損失，此處尚未納入成本計(jì)算，結(jié)果RPC鉸縫和普通混凝土鉸縫全壽命周期內(nèi)的總成本相差無幾，且RPC鉸縫降低了空心板因?yàn)闄M向聯(lián)系失效造成的承載力能力下降的風(fēng)險(xiǎn)，故采用RPC鉸縫是經(jīng)濟(jì)合理的。

4 參數(shù)分析

橋面鋪裝層和車輛荷載對空心板橋的受力行為影響較大，為了探究這些參數(shù)改變對空心板橋，尤其是對鉸縫的影響程度和規(guī)律，重點(diǎn)研究了混凝土鋪裝層厚度和水平制動力等參數(shù)的影響，實(shí)體模型中鉸縫均采用RPC。

4.1 鋪裝層厚度

增加混凝土鋪裝層厚度首先會增加橋梁自重，影響整座橋梁結(jié)構(gòu)受力特性(如撓度等)，其次還會影響橋梁局部應(yīng)力分布。本文重點(diǎn)研究厚度對橋梁局部(鉸縫)受力的影響規(guī)律，為此設(shè)置3組厚度分析參數(shù)，鋪裝層厚度分別為5、10、15 cm，對各個(gè)厚度的橋梁模型進(jìn)行計(jì)算分析，得到如圖7所示規(guī)律。

圖7 應(yīng)力-厚度變化規(guī)律

從圖7可以發(fā)現(xiàn)，增加鋪裝層厚度對于改善鉸縫受力有益。鋪裝層厚度增加，鉸縫中的豎向剪應(yīng)力減小幅度最大，厚度增加10 cm剪應(yīng)力減小54.5%，這主要是因?yàn)闃蛎驿佈b層與空心板主梁形成疊合結(jié)構(gòu)，鋪裝層參與受力，隨著鋪裝層厚度增加，橋梁橫向剛度逐漸增大，從而有益荷載的橫向擴(kuò)展，鋪裝層分擔(dān)空心板間的部分剪力，鉸縫所受剪力減小。而主拉應(yīng)力、橫向正應(yīng)力、縱向正應(yīng)力分別減小12.7%、17.2%、6.6%，相對而言，減小幅度有限。

4.2 水平制動力

從上節(jié)鉸縫分析可知鉸縫的各項(xiàng)應(yīng)力幅值均隨超載比例的增加呈線性上升，而當(dāng)車輛制動時(shí)會產(chǎn)生較強(qiáng)水平力，鉸縫內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)剪切力[10]，因而重點(diǎn)討論車輛水平制動力對鉸縫受力的影響規(guī)律。

水平制動力通過豎向荷載乘動摩擦系數(shù)f即可得到，本文共考慮5級動摩擦系數(shù)，分別為0、0.3、0.5、0.7和1，分析中鋪裝層厚度取值10 cm，鉸縫的應(yīng)力變化規(guī)律如表6所示。

表6 鉸縫應(yīng)力值動摩擦系數(shù)最大應(yīng)力/MPaσxσzτxyτxzσ1002709903049103030270990305010305027098030511030702809803052102102809703054102

由表6可知: 水平制動力對鉸縫內(nèi)應(yīng)力影響具有差異性，其中對縱向剪應(yīng)力影響最為顯著，當(dāng)水平制動力增大1倍豎向力，縱向剪應(yīng)力增大10.2%。隨著水平制動力的增大，橫橋向正應(yīng)力逐漸增大，而豎向剪應(yīng)力基本無變化，縱橋向正應(yīng)力和主拉應(yīng)力甚至輕微減小，這是因?yàn)樵阡佈b層厚度有限的情況下，水平制動力會導(dǎo)致空心板縱向間發(fā)生錯(cuò)動，所以增大了鉸縫縱向剪應(yīng)力，對其他應(yīng)力影響不大甚至無影響。

5 結(jié)論

1) 活性粉末混凝土用作鉸縫材料具有可行性，車輛荷載作用下鉸縫內(nèi)最大拉應(yīng)力僅為RPC抗力的12.7%，卻為普通混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的55.0%；在全壽命周期內(nèi)RPC鉸縫成本具有經(jīng)濟(jì)性。

2) 增加鋪裝層厚度對改善鉸縫內(nèi)豎向剪應(yīng)力效果最明顯，鋪裝層厚度增加10 cm豎向剪應(yīng)力減小54.5%，其余應(yīng)力減小幅度有限。

3) 超載顯著增加鉸縫內(nèi)應(yīng)力，空心板橋水平制動力對鉸縫內(nèi)縱向剪應(yīng)力影響最大，動摩擦系數(shù)由0增加到1時(shí)，縱向剪應(yīng)力增大10.2%。

4) 采用RPC鉸縫和控制車輛超載能有效減輕鉸縫損傷。

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

U 448.21+2

A

2017-02-20

劉東海(1984-)，男，工程師，主要從事公路橋梁設(shè)計(jì)工作。