重庆交通大学 土木学院 重庆 400041
摘要：以某劲性骨架混凝土拱桥为背景，对拱箱顶板采用一种部分预制、部分现浇的施工方案进行劲性骨架混凝土拱桥拱箱顶板预制与现浇层结合行为研究。
关键词：劲性骨架；混凝土拱桥；力学行为
1 引言
在整个外包混凝土浇筑过程中，应避免使主拱出现反复变形，此阶段荷载均由钢管混凝土劲性骨架承担，可能会导致结构局部应力及变形超过限值，从而降低拱圈稳定性。因此，如何选择合适的外包混凝土施工方法以满足施工过程中应力变形的要求，是我们亟需解决的问题。目前，常用的外包混凝土施工方法有：水箱法、多工作面法、连续浇筑法、带顶、底板预制施工法[1]。
采用带顶、底板预制施工法浇筑外包混凝土时，首要问题是保证预制底板和部分预制的顶板应力始终处于容许范围，避免其开裂破坏。其次，拱顶反复变形也是要极力避免的。
2 顶板预制与现浇结合行为研究
国内外对钢管混凝土劲性骨架施工法受力规律的研究表明，其劲性骨架外包混凝土都是在劲性骨架架设好之后再现浇的，对其架设阶段骨架的受力性能、管内混凝土的灌注、外包混凝土的浇筑方案也作了较多的研究；但是对于采用底板及部分顶板混凝土预制施工并同劲性骨架一起拼装的施工过程受力规律以及顶板预制层与现浇层间结合受力状态鲜少有人研究。
2.1 拱箱顶板预制与现浇层截面粘结性能分析
混凝土预制与现浇层界面的整体宏观力学性能是由其微观结构所决定的。研究拱箱顶板预制与现浇层界面粘结机理的关键在于分析混凝土材料微观结构，并建立其与宏观力学性能之间的关系。通过对微观结构分析，可以得出不同龄期混凝 土界面粘结力主要由三部分构成：机械咬合力，范德华力和化学作用力[2]。
2.2 预制与现浇结合界面的受力特征
成桥过程中，拱箱顶板主要受轴力与弯矩共同作用。这些作用力会使顶板预制与现浇层间结合面上产生拉、压、弯、剪等复杂应力，其中剪应力占主要。混凝土 材料自身抗剪强度低，众多试验证实，结合界面混凝土强度较整体浇筑强度低，是整个顶板受力薄弱环节[3]。
在顶板现浇层浇筑时，由于已预制的混凝土具有亲水性，会在结合面生成一层水膜，这会直接导致结合面水灰比高于体系水灰比[4]。水灰比过高，水化产生的胶体将不足以填充颗粒间隙，此外，过多自由水蒸发后会在预制板表面留下较多孔洞，严重影响混凝土强度。混凝土之所以坚硬，很大程度上归因于水泥浆的强大粘结性，混凝土经过充分搅拌、振捣，其骨料完全被水泥浆包裹硬化形成强度。但对于预制与现浇结合施工的混凝土板，由于预制层阻碍，会导致部分骨料堆积于结合面，阻碍具有粘结性的水泥浆渗入孔隙，造成局部“缺浆”。没有得到水泥浆充分浸润的骨料及预制板表面会出现空隙，结合界面粘结强度显著降低。
预制板在现浇层浇筑时已硬化成型，两者之间存在龄期差，收缩徐变不同步，使得结合界面成为天然薄弱面，众多微裂缝在此生成[5]。预制与现浇结合界面破坏的实质是混凝土微裂缝在外荷载作用下延伸、扩展直至贯通的过程。对于整体浇 筑的混凝土，其中骨料体积小，棱角多及表面凹凸不平的特性，有利于限制微裂缝的发展，改变裂缝延伸方向，消耗能量。而对于采用预制与现浇结合法浇筑的混凝土，预制层相当于一块表面平坦的大骨料，且此骨料相对于整体仅有一个面与现浇混凝土接触。因此，微裂缝一旦产生，将迅速沿结合面开展、传播直至贯通，最导致结合界面首先破坏[6][7]。
2.3 拱箱顶板采用部分预制与部分现浇的构造设计
考虑上平联位置及施工起吊安全重量限制，拱箱顶板采用部分预制与部分现浇的构造设计如下：在每一吊装节段顶部平联区域内，预先架设顶板底层钢筋及架立钢筋，再用U形扣穿过平联，扣锁住顶板底层钢筋，并将二者焊接在一起。最后搭设底模，浇筑厚度为8cm，长×宽为6.3m×2.55m的顶板预制层混凝土。U形锁将预制顶板混凝土扣挂于平联之上，能够起到有效的固定和支撑作用。
3 构建有限元数值模型
依照某劲性骨架拱桥主拱圈拱箱顶板设计图纸，建立拱脚段顶板的局部ANSYS实体模型，真实模拟出预制板、现浇板及连接钢筋，获取在轴向力和弯矩共同作用下的精细化分析结果，以验证顶板采用预制与现浇相结合的施工工艺的 安全性。
以两块界面连接方式不同的混凝土叠合板作为计算模型，通过有限元软件ANSYS对抗剪连接筋以及混凝土应力应变状态进行数值模拟分析，研究增设预制混凝土齿块和增设L形钢筋两种方式对预制与现浇叠合构件承载力的提高程度。
模型截面尺寸b×h=2550mm×350mm，其中80mm为预制层厚度，270mm为现浇层厚度，并取跨度长3000mm计算。
3.1 拱顶段顶板局部模型计算结果及分析
对于拱顶段顶板局部的分析，有限元模型完全依照设计图纸建立，不增设结合面加强构造，即结合面上仅存N11钢筋。针对所选顶板部分提取轴力、弯矩施加于ANSYS模型对应位置，即轴向压力 3668kN，弯矩18kNm施加于板端。
3.2 拱顶段顶板实际荷载作用下变形及应力分析
根据ansys模型可以看出，叠合板同时承受压力及弯矩的情况下，其等效应力均为压应力，且由于弯矩作用，使叠合板顶、底面上的压应力分布不同。其中，最大压应力出现在靠近跨中的板底，为6.37MPa，远未达到C55混凝土设计抗压强度24.4MPa，构件处于抗压安全状态。在实际荷载作用下，叠合板位移十分微小，最大仅为0.55mm，且可以明显观察到，结合面间粘结紧密，并未出现张开现象。
4 结论
通过拱圈拱顶局部顶板进行有限元精细化实体建模分析，验算实际荷载作用下该处顶板的变形及应力，结合面上的应力分布情况，得出在此受荷状态下顶板处于安全状态。
参考文献：（References）：
[1]任泓锦，许红胜，颜东煌，周大庆，廖万辉，李明.劲性骨架混凝土拱桥改进施工工艺可行性研究[J].中外公路，2019，39（06）：81-84
[2]Fiebrich M H. Scientific aspects of adhesion phenomena in the interface mineral substrate-polymers[J]. Adherence of young on old concrete，edited by F H. Wittmann，1994.
[3]张明杰，楚珑晟，赵杰夫，等.短龄期旧混凝土与新混凝土劈裂强度的研究[J].四川建筑科学研究，2018，44（05）：106-110.
[4]刘同宾，阳柳.新旧混凝土粘结薄弱界面成因分析[J].江西建材，2009（03）：22-24.
[5]王琳.新老混凝土粘结施工探讨[J].中国新技术新产品，2009（18）：148.
[6]余寿文，冯西桥.损伤力学[M].北京：清华大学出版社，1997.
[7]谢慧才，李庚英，熊光晶.新老混凝土界 面粘结力形成机理[J].硅酸盐通 报，2003（03）：7-10+18.