斜交湿接头力学性能分析

曾继祚 曹善庆 于 涛 刘金樟

(1.山东省路桥集团有限公司，山东 济南 250021； 2.山东大学，山东 济南 250100)

1 概述

先简支后连续空心板梁桥梁板安装就位后，接下来的湿接头施工是桥梁完成体系转换最重要的一道工序，且湿接头承受桥梁最大负弯矩及最大剪力，为连续梁危险截面[1]。现阶段，对预应力混凝土结构进行分析设计时均按照无接缝的理想状态下的整体结构进行计算，然而在实际桥梁工程中必然会有一定数量的湿接头的存在，导致预应力混凝土结构力学性能明显弱于一次性浇筑的混凝土构件。

自20世纪60年代波特兰混凝土协会率先实施了通过预制桥面板将桥梁纵向连接为整体后[2]，工程技术人员便开始对简支转连续桥梁进行研究。哥伦比亚大学考虑通过将钢绞线延长至横隔板内以实现顶板的正弯矩，并通过足尺模型试验研究了不同型号的钢绞线[3]。内达拉斯加州立大学通过湿接头模型试验验证了湿接头处预压应力的效果[4]。Gawin建立了混凝土湿热耦合模型，定义其土水化程度、温度、湿度之间的内在联系，全面分析了混凝土自干燥情况下的湿度变化下的孔隙率对水化速率的影响[5]。何承海等[6]研究湿接头处混凝土裂缝形成机理，提出了通过降低混凝土水化热、减小混凝土收缩徐变、减少墩座混凝土内部约束以及改善湿接头混凝土的养护条件来减缓裂缝开展。黄志敏[7]对比研究60 m，70 m跨度的简支转连续桥梁的收缩俆变效应，研究表明混凝土的收缩俆变对静定结构下的应力、线形影响较小，对超静定结构下的连续状态影响较大。秦熤[8]通过对预制梁场混凝土箱梁水化热RPC湿式接头，通过实验研究描述了该湿接头在负力矩下的力学行为，包括裂纹扩展，应变分布和载荷—挠度响应，并通过有限元模型来补充参数分析。Canhui Zhao等[9]提出了一种燕尾形于钢—超高性能混凝土轻型复合桥的节点，并进行了两次挠曲测试，验证了所提出的接头连接的有效性，并根据试验结果提出了轻质薄板负弯矩区域的挠度，裂缝宽度和极限抗弯承载力的设计和计算方法。Shuwen Deng等[10]提出了一种适用温度应变现场的原位试验，进一步分析了预制箱梁早期的温度场及应变变化规律。

通过总结以上国内外有关简支转连续桥梁相关研究，笔者发现较多文献重点分析了简支转连续结构性能的优点，即力学的连续性。早期大多数研究重视工程应用，提出了简支转连续的施工优化工艺及相应关键技术。同时较多学者研究了混凝土的收缩徐变及多相耦合下混凝土的力学特征，为简支转连续湿接头混凝土的应用提供了一定基础。同时对比可以发现，当前研究中仍缺少对复杂约束下的湿接头部位的单独研究，未结合湿接头自身的薄弱环节，因此本文主要基于湿接头原位试验，围绕复杂约束下湿接头的受力性能展开研究。

2 原位试验布置

该桥梁的结构形式是由四片小箱梁斜交30°组成，并将四片小箱梁区分为边梁以及中梁。平面布置如图1所示。

共选用18个预埋式振弦式应变计(纵向16个，横向2个)，埋入部位为湿接头顶板、底板、翼缘及腹部中间位置。由于本工程中小箱梁放置均为斜交30°，因此横向布置的应变计与湿接头应平行埋设。测点布置如图2所示。

3 湿接头水化热分析

3.1 湿接头水化热温度分析

湿接头中埋设的各测点温度见图3。从开始到30 h，温度不断升高。当湿接头浇筑完成30 h，湿接头各点温度达到了峰值，中心位置的最高温达到了53 ℃，此时湿接头内部积蓄的热量达到了最大；在30 h～168 h，各测点温度不断下降直至达到外界环境温度；位于箱梁左右翼缘的测点1、测点14，受水化热影响小，与环境温度变化趋势保持一致。测点3、测点15均在边梁腹板中部，温度变化趋势较为一致，温度峰值出现时间为22 h，温度峰值为47.7 ℃；顶底板的各测点温度变化均匀，曲线在图中较为密集，温度峰值为32 ℃～37 ℃。顶板温度峰值：中梁为37.8 ℃，边梁为35 ℃；底板温度峰值：中梁为32.2 ℃，边梁为32.0 ℃。

可见水化放热下的湿接头温度上升规律符合认知。湿接头结构由内到外，由中心至两边，温度逐渐降低。此时温度应力主要是两部分组成，第一是湿接头整体温度升高导致了湿接头混凝土限制膨胀，内部产生了温度自应力；第二部分是湿接头中心至端部的温差，由于较大的温度梯度而产生的温差应力。

3.2 湿接头水化热应变分析

湿接头水化热应变分析见图4，选择具有代表性的6个测点，其中测点16、测点17位于湿接头中心位置，热量积蓄最多，同时应变也是最大。由于湿接头部位混凝土限制膨胀，内部产生了压应力，在大约38 h达到了峰值，为-117 με，随后内部压应力随着温度的下降得到了释放，在第7天的时候减小为-57 με；测点8、测点9在湿接头浇筑完成前期均出现了拉应变，数值较小为14 με，测点8、测点9位于箱梁的顶板、底板处，热量积蓄少，应力波动范围较小；测点2、测点3位于腹板处，在24 h应变达到峰值，为-60 με，此后应变未出现较大波动，基本保持恒定。可见，达到应变峰值的时间与湿接头的位置之间存在一定关系。位置靠近中心，内部热量积蓄时间越长温度越高，应变峰值时间后移，数值较大。

湿接头水化放热时，其内部会产生压应力及局部拉应力，随着水化放热程度的减弱，应力趋于稳定。湿接头整体在浇筑完成的前期受压、受拉均满足要求，施工安全。

4 湿接头各测点温度、应变变化

4.1 湿接头温度变化

湿接头内部预埋测点的温度变化如图5所示，受环境温度影响，湿接头温度呈下降趋势且各测点温度围绕环境温度上下波动。在前7 d，湿接头各测点温度明显高于环境温度，第3天湿接头各测点温度在水化热的作用下达到峰值。在第11天环境温度升高达到一个峰值，随后湿接头各测点温度在第12天均达到峰值，可见湿接头内部温度变化与环境温度变化约滞后1 d的时间。

图6为同一水平横布置的三个测点，测点1位置为左侧边箱梁翼缘，测点4位置为左侧边箱梁顶板处，测点8位置为左侧中箱梁顶板处。湿接头浇筑前期，测点1的升温并不明显；在湿接头浇筑完成7 d后，其温度波动情况大于其余测点。测点4与测点8的温度在湿接头浇筑前期规律明显，因测点8的位置更加接近湿接头中心，因此其温度较高，在湿接头浇筑7 d后，其温度规律变化并不明显。当外界环境温度升高时(比如第24天～第27天)，测点4的温度略微大于测点8的温度。当环境温度下降时(如第33天～第36天)，测点4的温度略微小于测点8的温度。

由图7可知，测点4、测点16、测点6可看作湿接头纵向温度梯度的三个测点。测点4由于是位于顶板处，因此其温度与外界环境温度是最为接近的。测点6位于底板处，受到环境温度影响也较大，但由于无法被光照直射，因此其温度低于测点4。测点16位于中心位置，在浇筑前期其温度剧烈上升。在浇筑完成7 d后，其温度低于测点4、测点6，由于混凝土的导热性能较差，因此导致了中心位置测点16的混凝土温度较低。当第27天环境温度为22 ℃时，测点4与测点16温差最大为7 ℃，测点6与测点16温差为2.4 ℃。当环境温度处于下降趋势时，由于混凝土的保温性能，中心位置测点16的温度反而处于截面温度最高点。

4.2 湿接头各测点温度及应变

湿接头内部测点的温度、应变随时间的变化关系见图8。整体而言，湿接头内部各个测点的应变随着时间其绝对值都在变大。测点1处的收缩值最大，最大压应变为-283 με，达到了其余测点的2倍～3倍。这是由于翼缘混凝土的通风条件良好，收缩俆变较大，因此其内部产生了较大的压应力。相对应，翼缘处粘结界面的混凝土承受较大拉力，容易开裂破坏。

将各测点数据绘制成图，可以得到内部温度对湿接头的影响较大且规律明显。各测点的温度与应变具有以下关系：温度上升、应变减小，温度降低，应变增大。由于湿接头混凝土温度升高时，端部约束限制其膨胀，相当于湿接头受到了端部的压力，因此应变减小。当温度升高幅度较小时，同时结构内温度梯度明显，此时温度效应也可能会导致拉应力。

由测点16和测点17能够看出，其应变随时间波动较小，仅受温度影响较大，施工荷载、施工工况变化对其影响较小。湿接头内部结构力学性能稳定，不易发生破坏。

测点5沿湿接头方向布置。其自身的应力变化最小，主要是由于测点5相邻混凝土对其横向约束较弱且桥梁湿接头横向受力较小，测点5压应变基本处于20 με～50 με。

5 结语

针对简支转连续桥梁湿接头进行了原位试验，分析了温度、应变随时间的变化规律。分析湿接头浇筑后在水化热作用下的温度、形变，分析简支转连续关键工况下的湿接头变形。主要结论如下：

1)湿接头浇筑完成30 h，湿接头各点温度达到了峰值，中心位置的最高温达到了53 ℃，此时湿接头内部积蓄的热量达到了最大。翼缘处混凝土厚度较小，与外界大气相接触，温度基本不变。

2)水化放热，湿接头部位混凝土限制膨胀，内部产生了压应力，在大约38 h达到了峰值，为-117 με。随后内部压应力随着温度的下降得到了释放，在第7天的时候减小为-57 με。位置越靠近中心，内部热量积蓄时间越长，导致温度、应变峰值时间后移且数值较大。

3)顶板张拉负弯矩后，湿接头整体以受压为主，位于湿接头顶部测点压应力增长较大、底部测点压应力增长较小。负弯矩预应力的张拉对结构的翼缘影响最大，最大压应力达到了-3.52 MPa；体系转变后，结构整体发生内力重分配，翼缘处应力明显减小，湿接头底部压应力增大。湿接头在体系转变后并未削弱自身预压应力，安全性能得到了提高。

4)湿接头内部测点温度在第11天环境温度升高时达到峰值，随后湿接头各测点温度在第12天均达到峰值，湿接头内部温度变化与环境温度变化约滞后1 d时间；同一水平横向分布的三个测点，翼缘位置与空气接触面较大，因此其温度变化接近于环境温度变化；竖直分布的三个测点，当温度升高时，上部测点与下部测点温度高于中心测点。当温度下降时，上部测点与下部测点温度小于中心测点。

5)湿接头内的各个测点的应变随着时间的增加都在变大。测点温度升高、应变减小，测点温度降低，应变增大；翼缘处混凝土通风条件良好，收缩俆变较大，内部产生较大的压应力。翼缘处粘结界面的混凝土承受较大拉力，施工中应重点防护；湿接头部位各相应位置的测点对称性较好。