车辆振动对新旧桥拼接混凝土性能的影响

摘要：为了探明在不中断交通的情况下，车辆振动对新旧桥拼接混凝土性能的影响，模拟部分桥梁结构拼接方法，并对现浇段混凝土的抗压强度和劈裂强度进行测试研究。结果表明，在一定频率不同振幅的振动后，现浇段混凝土的强度无明显衰减。

关键词：桥梁加宽；湿接缝；车辆振动；混凝土强度

中图分类号： TU528 文献标识码： A 文章编号：

0.引言

近年来，随着公路交通事业蒸蒸日上，许多桥梁已经不能满通量增长的需求，需要及时对桥梁进行加宽。在进行旧桥加宽时势必出现不中断交通的情况，此时旧桥上行车激发振动，传递到新旧桥间湿接缝处，这种情况可能会对现浇混凝土的粘结成型及后期力学性能产生一定影响。因此本文的目的是探明车辆振动产生的新旧桥的挠度差对现浇混凝土接缝强度的影响。

1.研究现状

文献[1]研究了在列车振动作用下，对桥梁修补混凝土性能的影响，其方法是将浇注成型的试验梁进行小振幅的振动，通过测试混凝土的强度与开裂弯矩和破坏弯矩，得出的结论是在进行的模拟振动范围内，振动对混凝土的凝结硬化无不利影响。文献[2]对混凝土凝结硬化阶段抗扰动性能进行了研究，其方法是将成型好的混凝土试块放置于摇筛机上，结果证明振动对混凝土的强度影响非常大，混凝土在凝结硬化初期受到振动，平均强度损失在1MPa左右；在凝结硬化中期受到振动，平均强度损失2.2MPa；在凝结硬化后期，振动对混凝土的早期强度影响不大。文献[3-4]研究了交通荷载振动对养护混凝土的影响，具体方法为：在两块混凝土板之间现浇混凝土，将其中一块混凝土板固定好不能移动，另一块混凝土板固定在一个液压荷载装置上，该装置施加了0.5-5mm九种振幅的振动，通过观察裂缝和测试现浇混凝土性能的方法得出的结论是，钢筋与混凝土的粘结力有下降趋势，引起小裂缝（0.1mm），中等程度的裂缝（0.2mm），大裂缝（0.3mm）的临界曲率分别为18×10-3m-1，27×10-3m-1，36×10-3m-1。

虽然前人对振动作用下的混凝土性能有过不少研究，但对于在桥梁加宽中，旧桥上的行车振动对新旧桥间湿接缝性能的影响研究却较少，而且鉴于模拟方法与实际施工工艺有所差别，所以有必要结合实际的工程实例与具体的施工方法对该课题进行研究。

2.试验

2.1试验方案

本文结合某高速公路桥梁加宽工程实例，制作桥梁翼板模型，利用三维振动试验台来模拟车辆振动。将用来模拟新旧桥的两块桥面板用高强螺栓分别固定在两个振动台上，并悬出振动台台面一段距离，在两块桥面板之间架立模板，焊接桥面板一侧预留的钢筋，使两块桥面板通过模板和钢筋网连接起来（如图1）。新旧桥面板之间的接缝宽为60cm，高为20cm，在此部分现浇混凝土（如图2），振捣密实后开启一侧振动台，使得一边桥面板按照一定频率和振幅发生振动，另一边桥面板处于静止状态，以此来模拟车辆振动作用在旧桥上，与新桥产生的挠度差。同时，在试验室其他位置架立与拼接混凝土同样尺寸的模板，浇注相同的混凝土作为没有受到振动混凝土的对比试验，在标准环境下进行养生，然后按照规范要求对湿接缝处混凝土钻孔取芯［5］，测试混凝土3d,7d,28d的抗压强度和劈裂抗拉强度。

2.2振动参数与振动方式的确定

当车辆通过桥梁时，桥梁的冲击响应主要受车与桥的固有频率的影响，当车辆的振动频率与桥跨结构的自振频率一致时，即形成共振，此时桥梁的振幅比一般的振动大许多［6］，对于桥梁加固施工部分来说，桥梁的自振频率是一个主要参量。因此，振动台的振动频率采用某高速公路桥梁的基频，经计算该桥梁的基频为2HZ。现场测得的车辆通过旧桥时的最大振幅不超过7mm，因此，试验采用频率为2HZ，振幅分别为3mm，5mm，7mm的振动方式。振幅3mm代表轻交通条件下桥梁的振动状态；振幅5mm代表中等交通条件下桥梁振动状态；振幅7mm代表了有重载交通在桥面行驶时桥梁的振动状态。试验采用长期振动的形式，振动时间从拼接混凝土浇筑成型一直持续24h。

2.3试验材料

现浇部分混凝土为某高强混凝土搅拌站生产的商品混凝土，强度为C50。配比为，水泥：砂：碎石=547：683：983；W/C=0.32；砂率是41%；使用HY801标准型高效减水剂。

图1 拼接混凝土浇筑前图2 拼接混凝土浇筑后

3. 试验结果与分析

3.1试验数据分析

每个龄期的抗压强度与劈裂强度试验分别取6个芯样，数据经过离散性分析后取其平均值，并对比受到振动与未振动的混凝土的强度变化，通过测试162个芯样的强度，结果（如表1，2，3）所示：由表1可知，拼接混凝土受到3mm振动后，抗压强度在3d、7d增长明显，分别达到11%，13%，28d抗压强度下降4%。劈裂强度增长较为均匀，分别为6%，7%，5%。表2中，拼接混凝土受到5mm振动后，抗压强度也有所增长，3d增长3%，7d和28d抗压强度增长较大，达到13%和10%，劈裂强度也有不同程度的提高。表3中，拼接混凝土受到7mm振动后，除7d劈裂强度下降3%外，其余龄期的抗压强度和劈裂强度都比未受到振动的混凝土强度要高。

表1 振幅3mm时拼接混凝土强度变化

表2 振幅5mm时拼接混凝土强度变化

表3 振幅7mm时拼接混凝土强度变化

3.2机理分析

从以上数据中可以看出，经过振动后的混凝土强度有提高的趋势，可以从以下三个方面解释。

（1）来自旧桥的振动传递到湿接缝处，并没有破坏混凝土的整体结构。水泥浆把石子和砂粒紧密地粘结在一起，形成一个稳固的整体，这个整体在牢固的模板内，随同旧桥一起振动，而不是混凝土局部受到振动力的作用，因此混凝土结构并没有遭受破坏，也没有影响其强度。

（2）振动加速了水泥的水化作用，水泥正常水化过程中，当水化作用一段时间后，由于水泥颗粒被水化硅酸钙胶凝物质等所包裹，使得水泥的水化作用减慢。湿接缝处混凝土在振动过程中，混凝土中的物质相互摩擦运动，打散了成团成块的存在于混凝土中未水化的水泥颗粒，使不断形成的水化硅酸凝胶为主体的包裹层不断的破裂，溶液与未水化的水泥接触，水化作用的加速，使得胶凝体不断的填充混凝土中的孔隙，提高了混凝土的强度。

（3）振动提高了混凝土的密实度，在混凝土初凝前，振动使得水泥浆与砂粒处于流动状态，将混凝土内部的空气挤出，水化凝胶体不断填充混凝土微结构中的毛细孔隙和层间孔隙，因而混凝土变得更加密实。有研究表明在其他条件相同的情况下，混凝土的强度取决于其密实度，因此，密实度的提高将提高混凝土的强度。

4.结论

试验结果表明，在所进行的模拟振动范围内，振动对混凝土的强度无不利影响。

参考文献

[1] 许光崇，冯庆成，在振动作用下对现浇混凝土影响的探讨[J].哈铁科技通讯，1989

[2] 张悦然，张永娟，张雄，混凝土凝结硬化阶段抗扰动性能研究[J].混凝土与水泥制品，2009,6（5）:1-3.

[3] Kwan AKH, Ng PL. Effects of traffic vibration on curing concrete stitch:Part I—test method and control program[J]. Engineering Structures 2007;29(11):2871–2880.

[4]P.L.Ng, Kwan AKH. Effects of traffic vibration on curing concrete stitch:PartⅡ-cracking,debonding and strength reduction[J]. Engineering Structures 2007;29(11):2881–2892.

[5] 交通运输部．JTG E30-2005．公路工程水泥及水泥混凝土试验规程[S]．北京：人民交通出版社，2005

[6] 交通运输部．JTG D60-2004．公路桥涵设计通用规范[S]．北京：人民交通出版社，2004