大跨悬浇连续梁节段间接缝对挠度影响研究

贺邦祖， 李德建

(1.湖南省交通规划勘察设计院有限公司， 湖南 长沙 410008； 2.中南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410083)

0 前言

近二十年来，不少大跨径预应力混凝土箱梁桥在运营一段时间后，出现了以跨中下挠过大和箱梁开裂为主要特征的病害。据交通运输部门不完全统计，假设预应力混凝土梁桥跨径为L，其跨中年平均下挠f的规律如下：

下挠过程长时间难以稳定，大跨径预应力混凝土箱梁桥常产生跨中长期下挠过大和箱梁开裂的“并发症”，且下挠和裂缝均随时间延续而不断发展，导致箱梁裂缝扩展，使梁体刚度降低，反过来加大梁体的长期下挠，它们之间相互耦合、相互影响，直接影响结构的正常使用性能和耐久性。这些问题一直困扰着工程师，有人甚至一度质疑预应力混凝土箱梁对于大跨径桥梁的适用性问题。事实上，预应力混凝土箱梁桥在跨径300 m内的桥型方案选择上极具竞争力，国内外有许多大跨径混凝土梁桥设计实施的成功案例。连续梁跨中长期下挠过大问题在大跨径预应力混凝土箱梁桥中具有相当的普遍性，成为制约该类桥梁往更大跨度发展的主要障碍，是工程界和学术科研界亟待解决的问题之一。表1列出了国内外部分出现典型病害的预应力混凝土箱梁桥调查情况[1]。

表1 国内外部分出现典型病害的预应力混凝土简梁桥调查情况名称跨径组合/m国家桥型高跨比根部跨中腹板斜裂缝下挠/cm测量时成桥年数/a江津长江大桥140+240+140中国连续刚构1/17.81/60有31.710黄石大桥162+3×245+162中国连续刚构1/18.91/59.8有30.57虎门大桥150+270+150中国连续刚构1/18.21/54有267洛溪大桥65+125+180+110中国连续刚构1/181/60有6.43三门峡大桥105+4×160+105中国连续刚构1/201/53.3有2210

续表1 国内外部分桥梁出现典型病害的调查情况名称跨径组合/m国家/地区桥型高跨比根部跨中腹板斜裂缝下挠/cm测量时成桥年数/aParrotts Ferry99+195+99美国连续刚构1/201/80有63.512Grand-mere39.6+181.4+39.6加拿大连续梁1/18.61/62有309大河铺大桥100+150+100中国连续刚构1/251/62.5有275南海金沙大桥66+120+66中国连续刚构1/201/48有226丫髻沙大桥辅桥86+160+86中国连续刚构1/17.81/64—23—沅水大桥85+140+85+42中国连续刚构1/17.51/50有12.5—东明黄河大桥75+7×120+75中国连续刚构1/18.51/46.2有96Stovset100+220+100挪威连续刚构1/18.31/73.3—208Stolma94+301+72挪威连续刚构1/20.11/86—9.23Getway主跨260澳大利亚连续刚构1/16.61/50———

针对大跨度预应力混凝土连续梁桥长期下挠的问题，结合笔者参与施工监控的某预应力混凝土悬浇梁，采用有限元软件Midas/Civil建立相关模型，对节段间接缝薄弱层引起的大跨悬浇PC连续箱梁桥跨中长期下挠问题进行分析研究。

1 工程概况

该桥为六跨悬浇预应力砼连续箱梁，跨径组成为(78+4×130+78)m，箱形截面形式为单箱单室。箱梁高度、底板厚度均按二次抛物线规律变化，箱梁根部梁高7.8 m，跨中梁高3.3 m；箱梁顶板宽10 m，厚度0.28 m，设有2%双向横坡；箱梁底板宽6 m，厚度为0.7～0.32 m；腹板厚度分别为0.7、0.6、0.4 m；下部结构桥墩编号为10#～16#，箱梁在墩顶处设有2 m厚的横隔板，在10#、16#墩顶处设有1.2 m厚横隔板，跨中合拢段设有0.4 m厚的横隔板。上部结构箱梁按5个单“ T ”形悬臂模式共分16段悬臂浇筑施工，其中0#块梁段长5 m，其余1#～16#梁段节段长度为(5×3+6×4+5×4.5)m，合拢段2 m长。箱梁按11#～15#桥墩5个T构对称悬臂浇筑施工，除0#和1#块采用搭设托架浇筑施工外，其余节段均采用挂篮施工。边跨现浇段采用搭设满堂支架现浇施工。

悬浇连续梁预应力体系采用三向预应力形式。张拉控制应力0.75fpk，两端张拉。图1为桥梁立面及典型截面示意。

(a) 全桥立面

2 有限元模型建立

Midas/Civil建立的有限元模型[2]如图2所示。全桥共建立了194个单元、222个节点。依据设计图纸和施工组织方案并结合现场实际情况对该桥进行了施工阶段模拟，将本桥上部结构的施工流程共划分为60个阶段，其中每个主梁节段的施工过程由3个部分构成，即挂篮前移、混凝土浇筑和预应力束张拉。

图2 全桥杆系模型

3 管道摩阻系数μ和偏差系数k的确定

《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362—2018)6.2.1条规定：预应力损失值宜根据实测数据确定；当无可靠试验数据时，可按本节的规定计算。

测试钢束几何参数及张拉控制力与该桥现场摩阻试验分析计算结果如表2～4所示。

表2 测试钢束几何参数及张拉控制力试验钢束几何参数l/mθ/rad设计张拉控制应力/MPa测试用张拉控制力/kN3C16.8001 3953 773.23A18.330.523 31 3953 773.2

表3 预应力束3A摩阻试验结果张拉次数纯管道张拉端传感器读数/kN锚固端传感器读数/kN平均摩阻损失率/%13 763.23 18023 773.23 18815.59233 793.23 195

表4 预应力束3C摩阻试验结果张拉次数纯管道张拉端传感器读数/kN锚固端传感器读数/kN平均摩阻损失率/%13 777.23 47223 773.23 4807.91133 783.23 485

根据2束预应力筋共6次管道摩阻试验结果，分析得到该桥预应力管道摩阻系数μ=0.161，局部偏差系数k=0.001 47。

4 节段间接缝对长期挠度的影响

4.1 施工阶段分析模型概述

图3为节段间凿毛现场图，从图3中可以看出接缝断面混凝土振捣较充分，凿毛深度不大的情况下能够露出粗骨料，经过对该桥随机多个节段接缝断面凿毛情况的现场测量，得出其接缝断面单侧的凿毛深度平均为约2 cm，即节段与节段间接缝界面的薄弱层平均厚度可取2 cm。

图3 节段间凿毛现场图

4.2 节段间接缝薄弱层对挠度的影响

悬浇砼梁可看作由节段+薄弱层+节段黏结而成的“离散结构”[4]，接缝段处的混凝土薄弱层力学性能出现削弱，导致了桥梁刚度的降低[5]，即因为接缝薄弱层的存在，使得梁体由一个整体受力结构变为由若干个接缝黏结而成的离散结构，接缝薄弱层削弱了梁体结构的整体性和连续性，降低了其抗弯、抗剪刚度，所以接缝薄弱层刚度的降低成为桥梁出现长期下挠的重要因素之一。

在荷载作用的长期影响下，悬浇混凝土连续梁各节段在接缝薄弱层处会产生相对变形，如图4所示。

图4 新旧节段混凝土相对变形示意

以笔者在该桥现场施工监控一年的了解，施工中往往不太重视对已浇混凝土节段接缝黏结界面的处理，部分梁段接缝界面凿毛质量较差，振捣不够密实。悬浇梁全桥竖直接缝数量众多，因施工原因引起的接缝质量问题很容易出现，更加削弱了接缝薄弱层混凝土和其邻近混凝土的材料特性及力学性能。即使接缝薄弱层的变形很小，数量众多的竖向接缝薄弱层变形累积也会导致桥梁竖向挠度的显著增加。因此，接缝薄弱层混凝土和节段混凝土须区分对待，不能一概而论。

目前，在桥梁结构设计计算分析时，基本没有考虑接缝段薄弱层混凝土对结构整体造成的影响，即假定接缝段混凝土材料及力学性能与节段内混凝土完全一致，没有单独考虑接缝薄弱层材料及力学性能削弱对整体结构的影响，这就使得理论分析与实际情况出现偏差，导致设计时对桥梁结构整体刚度计算过高，从而造成桥梁结构实际长期下挠值大于设计值。

4.3 带接缝单元模型的建立

4.3.1接缝单元参数的确定

4.3.1.1 单元长度的确定

全桥接缝处凿毛深度平均2 cm左右，由此可判定其接缝位置处水泥浮浆厚度约2 cm。实际情况下，梁段接缝黏结面处的水泥浮浆厚度具有随机离散性，考虑到该桥现场实际施工情况，假设2种接缝黏结面处水泥浮浆的厚度分别为1 cm及3cm，水泥浮浆的厚度即为考虑接缝单元的长度。

4.3.1.2 单元材料特性的确定

一般认为，水泥砂浆强度越高，其弹性模量越大。截至目前为止，有关砂浆弹模的试验资料不多，同济大学实验室[6]通过对8组砂浆进行弹模测定，得出砂浆弹模大小为0.28×104～1.24×104；原北方交通大学教授季文玉等[7]制作了4组共36个砂浆试样样本(设计强度分别为10、20、25、40 MPa)，依据砂浆试样试验数据，总结出了关于水泥砂浆弹模的计算公式：

E=104/(3+48/f)

(1)

式中:E为水泥砂浆弹性模量，MPa；f为水泥砂浆强度，MPa。

假设f=40 MPa，代入式(1)，求得E=2.381×103MPa，小于同济大学实验室所做试验数据范围。

该桥箱梁采用的是C55高强混凝土，接缝薄弱层处水泥砂浆强度会增大，选用2种水泥砂浆的弹性模量：①根据北方交通大学经验公式算得E1=2.381×103MPa；②根据同济大学试验数据结合工程实际优化后得出E2=2.381×104MPa。其中E2与C20混凝土的弹性模量E=2.55×104MPa接近。水泥砂浆泊松比通常分布在0.15～0.35区域[8]，取0.2。假设水泥砂浆重度同节段内混凝土。

4.3.2带接缝单元模型介绍

将上述2种弹性模量和单元长度分别组合得到了4种不同特性的接缝单元，依此建立4个带不同接缝单元特性的该桥上部结构有限元模型(见表5)。加载龄期设为7 d，仅考虑节段混凝土的收缩徐变效应，不考虑节段间接缝薄弱层的收缩徐变效应，研究成桥10 a接缝薄弱层对长期挠度的影响。

表5 4种不同的接缝单元单元类型弹性模量/MPa单元长度/m泊松比模型分类接缝单元12.381×1030.030.2接缝模型1接缝单元22.381×1040.030.2接缝模型2接缝单元32.381×1030.010.2接缝模型3接缝单元42.381×1040.010.2接缝模型4

4.4 节段接缝薄弱层总变形对挠度的影响

4.4.1计算结果

在接缝模型1～4和整体模型中，按梁段编号导出各节段在桥面铺装完成后经过10 a收缩徐变的累积竖向挠度值，计算结果如图5所示。

图5 各梁段的累积位移

4.4.2结果分析

图6为接缝影响值与累积位移的比值。

图6 接缝影响值与累积位移的比值

1) 由图6可知，大跨度PC连续梁悬臂施工节段与节段之间接缝薄弱层的存在增大了主梁的累积竖向挠度，接缝模型1～4中接缝处薄弱层对累积竖向挠度的最大影响值分别为-11.85、-1.14、-5.23、-0.54 mm，接缝单元1和接缝单元3对累积位移的影响较大，接缝单元2和接缝单元4对累积位移的影响较少，即接缝薄弱层弹性模量越低，接缝层水泥砂浆越厚，产生的累积竖向位移越大。

2) 通过以上数据可以得出，当节段接缝薄弱层的弹性模量采用E1=2.381×103MPa 时，无论薄弱层厚度为1 cm还是3 cm，节段接缝薄弱层对主梁累积位移的影响都是不容忽视的，影响值累积位移最大比值达到了25.01%。节段接缝薄弱层越厚，其对主梁累积位移的影响越大。在模拟计算中，使用水泥砂浆弹模的分析值作为梁段接缝薄弱层的弹模值，可见接缝黏结面水泥浮浆层对箱梁累积竖向挠度影响较大，在连续梁悬浇施工过程中应刻意凿毛梁段接缝黏结面，而且要特别注意凿毛的质量，并能够满足规范要求。

3) 通过以上数据可以得出，当节段接缝薄弱层的弹性模量采用E2=2.381×104MPa时，无论薄弱层厚度为1 cm还是3 cm，节段接缝薄弱层对主梁累积位移的影响都是可以忽略不计的，影响值累积位移最大比值仅3.4%。这时的接缝薄弱层采用经验弹模值，略低于C20混凝土的弹模(E=2.55×104MPa)，从分析数据结果推得，假设节段接缝处无水泥浮浆层，即便因混凝土振捣、搅拌、钢筋绑扎、立模等引起接缝位置处混凝土材料特性出现削弱，梁段接缝薄弱层的变形对箱梁累积变形的影响仍可忽视不计。

4.5 节段接缝薄弱层剪切变形对挠度的影响

4.5.1计算结果

为了进行比较分析，在不考虑剪切变形的接缝模型1～4中，按梁段编号导出各节段在桥面铺装完成后经过10 a收缩徐变的累积竖向挠度值，将它们相对应的挠度值减去4.4节中的累积位移值，得到了节段接缝处薄弱层的剪切变形对箱梁总变形的影响值，即剪切变形影响值1～4，将各影响值与整体模型中各梁段累积位移值相除，得到剪切变形影响比例。

4.5.2结果分析

图7为不考虑剪切变形各梁段累积位移值,图8为剪切变形影响比例。

图7 不考虑剪切变形各梁段累积位移值

图8 剪切变形影响比例

1) 结合图5和图7可知，在不考虑节段与节段间接缝薄弱层剪切变形影响、仅考虑弯曲变形的情况下，悬臂施工竖向累积位移与考虑剪切变形情况下的竖向累积位移相差不大。剪切影响最大值分别为1.12、0.12、0.85、0.09 mm。不考虑剪切模型1和不考虑剪切模型3对累积位移的影响大于不考虑剪切模型2和不考虑剪切模型4的影响。

2) 由图8可知，无论节段接缝薄弱层的弹性模量E采用2.381×103MPa还是2.381×104MPa，也无论节段接缝薄弱层的总厚度为1 cm还是3 cm，剪切变形影响比例均小于3%(绝对值)，可见节段接缝薄弱层的剪切变形对箱梁变形的影响在本章所述影响范围内均可忽略不计。

3) 通过上述各项数据对比，可知相对于接缝薄弱层的剪切变形，其弯曲变形对箱梁变形的影响起主要作用。

5 结论

本文在现有研究成果的基础上，对大跨悬浇PC连续梁在运营期间长期下挠这一普遍现象进行研究分析。通过有限元软件Midas/Civil对实桥(78+4×130+78)m进行建模，依据现场施工监控经验，研究节段接缝薄弱层对大跨连续梁长期下挠的影响。得出以下结论：

1) 节段接缝薄弱层的剪切变形很小，对箱梁的长期挠度影响可以忽略不计。在箱梁悬臂浇筑施工过程中，当节段接缝处存在一定厚度(本文取1 cm和3 cm两种情况分析)的水泥浮浆薄弱层时，该薄弱层的弯曲变形对大跨悬浇PC连续梁长期竖向挠度的影响不可忽略。

2)在箱梁悬臂浇筑施工过程中，如果节段接缝处无水泥浮浆层，即便因混凝土振捣、搅拌、钢筋绑扎、立模等导致接缝位置处混凝土材料特性出现削弱，梁段接缝薄弱层的变形对箱梁累积变形的影响可忽视不计。

3)该桥主跨130 m，从前述分析数据中得出接缝薄弱层总变形对箱梁长期竖向挠度的影响最大达到了25.01%；对于主跨超过130 m，甚至200 m的大跨悬浇PC连续梁，接缝薄弱层对长期挠度的影响可能会更大。