考虑环境因素的装配式桥梁节点力学行为及耐久性设计方法研究

引言:

随着我国交通基础设施建设从粗放型向标准化、工业化方向发展，装配式桥梁因其构件工厂化预制、现场拼装便捷、施工周期短、资源消耗少等特点，成为桥梁建设发展的主要方向。作为桥梁预制构件之间连接的核心部位，它承担着传递荷载、协调变形的作用，其性能的好坏直接关系到桥梁整体受力安全和服役寿命。在桥梁长期服役过程中，节点不可避免地处于复杂的自然环境中，温湿度变化会引起节点材料热胀冷缩，从而产生温度应力；冻融循环会使节点内孔隙水结冰膨胀，产生材料开裂；海洋环境、工业污染区域的氯离子、硫酸盐等腐蚀性介质，会加速节点钢筋锈蚀、混凝土劣化。

一、环境因素对装配式桥梁节点的作用

装配式桥梁节点服役环境多种多样，不同的环境因素通过不同的作用路径影响节点，且各因素之间存在耦合效应，使节点损伤加剧。温湿度变化是自然界常见的环境因素，对装配式桥梁节点的影响主要表现在热应力产生和材料吸湿变形两方面。在寒冷地区，冻融循环是引起装配式桥梁节点耐久性损伤的主要环境因素之一，且冻融循环与其他环境因素存在耦合作用。另一方面加速钢筋锈蚀，形成“冻融 - 腐蚀”双重损伤效应，缩短节点使用寿命。硫酸盐侵蚀主要通过化学反应破坏混凝土结构。

二、考虑环境因素的装配式桥梁节点力学问题分析

环境因素长期作用会造成装配式桥梁节点材料性能劣化，导致节点力学行为改变，本节借助理论分析和有限元模拟，并融合试验数据，探究不同环境影响下节点的应力分布，刚度衰减以及破坏形式，展现环境因素对节点力学行为的影响规律。

2.1 温湿度循环作用下节点力学特性研究

根据以上分析方法，对某装配式简支梁桥湿接缝节点进行温湿度循环下的力学行为研究，试验中温湿度循环周期为 24h（高温 60^∘C 、相对湿度 30% ，低温-20℃、相对湿度 90% ），分别对温湿度循环次数为0 次（未老化）、50 次、100 次、150 次的节点进行静力加载试验，建立相应的有限元模型。

2.2 节点力学行为分析

为了正确分析环境因素作用下装配式桥梁节点的力学行为，本文采用“材料性能劣化 - 有限元建模 - 力学响应分析”的研究思路，首先通过室内加速老化试验获得不同环境因素（冻融循环次数、氯离子浓度、温湿度循环周期）作用下节点材料（混凝土、钢筋、粘结界面）的性能参数（混凝土强度、弹性模量、钢筋屈服强度、界面粘结强度）劣化规律；然后根据劣化后的材料参数建立考虑环境损伤的装配式节点有限元模型，采用实体单元模拟混凝土、杆单元模拟钢筋、接触单元模拟拼接缝界面，考虑材料非线性和几何非线性；最后施加静力荷载（弯剪荷载）或疲劳荷载，分析节点的应力分布、位移响应、承载力变化，探讨环境因素对节点力学行为的影响机理。

三、装配式桥梁节点耐久性设计策略

根据上述环境因素作用机理及节点力学行为分析，本文从材料、构造、防护三方面提出考虑环境因素的装配式桥梁节点耐久性设计方法，以提高节点在复杂环境中的长期服役能力。

3.1 材料选择优化

材料是确保节点耐久性的关键，应依据桥梁服役环境特性，选用抗环境损伤性能优异的材料。在混凝土材料选择方面：针对寒冷地区，要选用抗冻等级不少于 F300 的混凝土，掺加引气剂（引气量控制在 3%-5%），改善混凝土内部孔隙结构，提升抗冻性能；针对海洋环境或者盐碱地区，要选用抗氯离子渗透性能优良的混凝土，采用低水胶比（不大于 0.4），掺入矿物掺合料（比如粉煤灰，矿渣粉，掺量占胶凝材料总量的 30%-50%) ），减小混凝土孔隙率，推迟氯离子渗透，在钢筋材料选择上：腐蚀性较强的环境，要选用耐腐蚀钢筋。

3.2 构造细节优化

装配式节点的构造细节影响着其环境适应性，要通过改良构造设计，削减薄弱之处，从而提升节点抵抗环境损害的能力。在拼接缝设计方面：拼接缝是节点渗漏、介质渗入的主要通道，应采用企口式拼接缝代替平缝，增加拼接缝接触面积和防渗路径，在拼接缝处设置遇水膨胀止水条（膨胀率不小于 300% ）和橡胶止水带（硬度 60± 5ShoreA），形成双道防渗体系。预埋件设计：预埋件与混凝土界面是节点的薄弱部位，易受温湿度变化、介质侵蚀产生界面裂缝，预埋件表面应粗糙化处理（表面粗糙度 Ra 不小于 12.5μm' ），提高界面粘结强度。在钢筋布置方面：节点钢筋要合理布置，防止钢筋密集造成混凝土浇筑不密实，在节点受拉区、拼接缝附近等容易开裂的地方增设构造钢筋（直径不低于12mm，间距不大于 150mm, ），以增强混凝土的抗拉能力，对于弯剪作用的节点，应增强箍筋配置（箍筋直径不低于 8mm，间距不大于 ），提升节点的抗剪能力和延性，推迟裂缝发展。

3.3 防护措施强化

除材料与构造优化外，还需采取针对性防护措施以提升节点耐久性。在表面防护方面：节点混凝土表面涂刷防护涂层，一般大气环境下，涂刷丙烯酸树脂涂层（干膜厚度不小于 80μm) ），提高混凝土的抗渗性、抗碳化性；海洋环境或工业污染地区，涂刷聚脲涂层（干膜厚度不小于 2mm ）或氟碳涂层（干膜厚度不小于 60μm) ），聚脲涂层和氟碳涂层耐腐蚀、耐磨，可以阻隔腐蚀性介质渗透。排水防水：桥梁桥面排水系统优化，设置纵横向排水坡度（纵向坡度不小于 2%，横向坡度不小于 1.5%) ），避免桥面雨水积聚，在节点上方设置防水卷材（SBS 改性沥青防水卷材，厚度不小于 4mm ），并延伸到节点侧面（延伸长度不小于 150mm⟩ ），避免雨水渗入节点。在定期维护方面：建立节点耐久性监测与维护体系，利用无损检测技术（超声波检测、钢筋锈蚀仪检测等）每 _1^-2 年对节点混凝土强度、裂缝宽度、钢筋锈蚀情况等进行检测，根据检测结果及时修复。

结论

本文系统研究了环境因素对装配式桥梁节点力学行为的影响机理，提出环境适应性耐久性设计方法，主要结论包括：温湿度变化、冻融循环、腐蚀性介质侵蚀是装配式桥梁节点性能的主要环境因素，温湿度循环通过温度应力、吸湿变形造成节点界面损伤和刚度衰减，冻融循环通过冻胀压力造成混凝土开裂、节点承载能力降低，氯离子、硫酸盐等腐蚀性介质通过侵蚀钢筋、混凝土造成节点耐久性损伤，各环境因素存在耦合效应，加速节点劣化。 环境因素对节点力学行为影响存在明显阶段性，环境作用时间增长时，节点材料性能逐步变差，应力分布范围变大，承载力和刚度大幅降低，破坏形式由延性破坏变为脆性破坏，氯离子侵蚀、冻融循环对节点力学性能影响最大。

参考文献

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[3] 曹紫龙 . 装配式桥梁节点病害与灌浆材料力学性能试验研究 [D]. 河北大学 ,2022.