何啟龍, 張少強(qiáng), 黃敘欽, 安平和, 鄔曉光*

(1. 長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064;2. 中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司, 江蘇 南京 210061; 3. 中電建路橋集團(tuán)有限公司, 北京 100048)

國(guó)外對(duì)拼寬橋的研究主要集中在拼寬結(jié)構(gòu)改進(jìn)和新材料[1]應(yīng)用.如Agócs等[2]綜合采用了簡(jiǎn)支變連續(xù)、橋面板更換為正交異性板和兩側(cè)增加斜撐等措施對(duì)Danube河的某簡(jiǎn)支桁架梁進(jìn)行加寬.Paeglitis等[3]在拉脫維亞的某座拼寬梁橋中采用輕骨料混凝土(LWAC)來代替原有橋面來降低靜載影響.Keller等[4]則在2014年的Avan?n橋兩車道加寬工程中采用了GFRP(輕質(zhì)玻璃纖維增強(qiáng)聚合物)夾心橋面板來和已有鋼梁粘結(jié).國(guó)內(nèi)對(duì)橋梁拼寬的研究對(duì)象主要為混凝土梁式橋,從早期RC簡(jiǎn)支梁橋拼接后的新舊梁載荷橫向分布變化開始,到目前連續(xù)梁橋、剛構(gòu)橋、鋼橋和拱橋等的拼寬構(gòu)造細(xì)節(jié)、力學(xué)分析和施工工藝改進(jìn)等[5]方面,取得了較為成熟的發(fā)展.但在混凝土梁式橋拼寬的研究方面,新舊梁橫隔板剛度劣化[6]、拼寬橋可靠度變化[7]及新梁收縮徐變對(duì)新老結(jié)構(gòu)的線形影響還有待進(jìn)一步研究.

在拼寬施工階段,預(yù)制梁存梁期多采用6個(gè)月,且相應(yīng)的理論分析主要以結(jié)構(gòu)的受力變化為主,線形分析方面需要進(jìn)一步的對(duì)比分析.如黃萍[8]以一座四跨連續(xù)T梁橋?yàn)槔治隽耸湛s徐變新舊梁的受力問題.林天然等[9]則以簡(jiǎn)支小箱梁為例,主要考慮了不同拼接方式下收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,沒有考慮存梁期對(duì)拼寬橋長(zhǎng)期線形的影響.因此,本文主要研究在收縮徐變作用下存梁期對(duì)拼寬T梁橋運(yùn)營(yíng)期的三向變形影響.

1 工程概況

選擇某3×40 m連續(xù)拼寬T梁橋?yàn)橐劳泄こ?其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示.該橋采用同結(jié)構(gòu)T梁?jiǎn)芜吋訉挕⑸喜拷Y(jié)構(gòu)新舊梁采用超剛接[10]、下部結(jié)構(gòu)不連接的拼寬方式[11-12],將主橋由雙向四車道擴(kuò)容成雙向八車道,并按原橋與拼寬部分共同受力的原則進(jìn)行設(shè)計(jì),如圖1所示.

表1 依托工程的主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical indicators of the project

圖1 連續(xù)T梁上部結(jié)構(gòu)加寬斷面示意圖(以跨中為例)(單位:cm)Fig.1 Diagram of the widened section of continuous T beams(taking mid-span as an example)(unit:cm)

2 拼寬橋有限元模型建立

采用空間梁格法建立拼寬橋有限元模型[13], 如圖2所示. 為方便下文分析, 各梁片編號(hào)如圖3所示. 根據(jù)依托工程的拼寬流程, 從簡(jiǎn)化分析的角度假設(shè)新梁在30 d內(nèi)預(yù)制完成, 并在30 d內(nèi)完成所有新梁的縱向拼接和橫隔板澆筑并進(jìn)入存梁期; 待存梁期結(jié)束后, 8 d完成新舊梁之間的橫向拼寬, 隨后30 d完成橋面鋪裝等工序并投入運(yùn)營(yíng).

圖2 3×40 m拼寬T梁橋有限元模型示意圖

Fig.2 Schematic diagram of finite element model of widened T-beam bridge of 3×40 m

圖3 新舊梁片編號(hào)示意圖Fig.3 The number diagram of new and old beams

3 運(yùn)營(yíng)時(shí)間對(duì)拼寬梁橋變形的影響研究

收縮徐變?cè)谄磳捦瓿珊箅S著橋梁服役時(shí)間的增加,其對(duì)線形的影響也不盡相同.因此,本節(jié)分析收縮徐變?cè)诓煌\(yùn)營(yíng)階段對(duì)新舊梁的縱向、豎向和橫向變形的影響,并選擇表2中的運(yùn)營(yíng)階段參與計(jì)算,存梁期取6個(gè)月.載荷工況為恒載荷、移動(dòng)載荷及預(yù)應(yīng)力作用下的收縮徐變[14-15].

表2 新舊梁運(yùn)營(yíng)時(shí)間組合編號(hào)Table 2 Number of Combination operation time of new and old beams

3.1 新舊梁豎向變形分析

在收縮徐變作用下,存梁期為6個(gè)月且不同運(yùn)營(yíng)時(shí)間的新舊梁豎向變形計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示.

分析圖4、圖5可知:運(yùn)營(yíng)時(shí)間不同,收縮徐變引起的豎向變形也不同;考慮到各梁片豎向位移變化值并不顯著,可以忽略運(yùn)營(yíng)時(shí)間對(duì)收縮徐變引起的豎向變形影響.考慮到拼接處的舊梁5與新梁1存在較大的豎向位移差,如左邊跨最大豎向位移差約為2 mm,而中跨的新舊梁豎向位移差最大約為4 mm;若拼接處橫隔板剛度不足,運(yùn)營(yíng)階段新舊梁之間的過大錯(cuò)動(dòng)可能引起橫隔板開裂.

圖4 左邊跨跨中截面豎向位移

圖5中跨跨中截面豎向位移

Fig.5 Vertical deformation of middle cross section of mid-span

3.2 新舊梁橫向變形分析

在收縮徐變作用下,取6個(gè)月存梁期,新舊梁運(yùn)營(yíng)時(shí)間為“20+10”的橫向變形如圖6所示.

圖6 6個(gè)月存梁期的“20+10”的橫向變形示意圖Fig.6 Diagrammatic sketch of the transverse deformation of “20+10” in beam-preserving period of 6 months

從圖6可知,在收縮徐變作用下,拼寬橋運(yùn)營(yíng)10 a后的橫向變形主要集中在端支點(diǎn)和中支點(diǎn).在收縮徐變作用下,存梁期為6個(gè)月且不同運(yùn)營(yíng)時(shí)間段的左端支點(diǎn)和左中支點(diǎn)橫向變形計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8所示.

圖7 左端支點(diǎn)截面橫向變形Fig.7 Transverse deformation of the left beam fulcrum

圖8 左中支點(diǎn)截面橫向變形Fig.8 Transverse deformation of left middle fulcrum

3.3 新舊梁縱向變形分析

收縮徐變作用下,拼寬橋的最大縱向變形在端支點(diǎn)和中支點(diǎn).在收縮徐變作用下,存梁期為6個(gè)月且新舊梁不同運(yùn)營(yíng)時(shí)間的左端支點(diǎn)和左中支點(diǎn)縱向變形計(jì)算結(jié)果如圖9、圖10所示.

圖9左端支點(diǎn)截面縱向變形

Fig.9 Longitudinal deformation of the left beam fulcrum

從圖9、圖10可知:在收縮徐變作用下,不同運(yùn)營(yíng)時(shí)間主要影響新梁的縱向變形,但其相對(duì)變化值較小,約6 mm,且變形值低于舊梁,可以忽略運(yùn)營(yíng)時(shí)間對(duì)新舊梁橫向變形的影響;拼接處新舊梁的縱向變形差較大,變形協(xié)調(diào)性差,如左端支點(diǎn)拼接處新舊梁縱向變形差約為14 mm,而中跨的新舊梁豎向變形差約為5 mm,若拼接處橫隔板剛度不足,縱向不協(xié)調(diào)變形的影響可能引起開裂.

圖10左中支點(diǎn)截面縱向變形

Fig.10 Longitudinal deformation of left middle fulcrum

4 存梁期對(duì)拼寬梁橋變形的影響研究

4.1 拼接處新舊梁豎向變形差分析

通過表3的計(jì)算可知,隨著存梁期增加,拼接處的舊梁豎向下?lián)现饾u減小,而拼接處的新梁由下?lián)献優(yōu)樯蠐喜⒅饾u增加.

表3 收縮徐變作用下不同存梁期的拼接處新舊梁豎向變形值Table 3 Vertical deformation of the beams in different beam-preserving periods by shrinkage and creep mm

左邊跨及中跨跨中的拼接處新舊梁的豎向變形差如圖11所示.存梁期為1個(gè)月時(shí),拼接處新舊梁在運(yùn)營(yíng)10 a后的左邊跨截面的豎向變形差達(dá)12 mm,對(duì)結(jié)構(gòu)特別不利.

因此,從拼接處新舊

圖11不同存梁期內(nèi)的拼接處新舊梁豎向變形差

Fig.11 Vertical deformation of the beams in difference beam-preserving periods

梁豎向撓度差變化分析,存梁期應(yīng)考慮選擇3個(gè)月以上.

4.2 新舊梁橫向變形分析

新舊梁受不同存梁期影響,在舊橋運(yùn)行20 a,拼寬橋運(yùn)營(yíng)10 a的橫向變形情況如圖12所示.隨著存梁期的增加,新舊主梁在支點(diǎn)處的橫向變形也逐漸減小.其中,存梁期為1個(gè)月時(shí),支點(diǎn)處主梁的橫向位移最大約為25 mm,而存梁期為3個(gè)月時(shí),支點(diǎn)處主梁的橫向位移最大約為20 mm.因此,從拼接處新舊梁橫向撓度差變化分析,存梁期應(yīng)考慮選擇6個(gè)月以上.

4.3 拼接處新舊梁縱向變形差分析

通過表4可知,隨著存梁期的增加,拼接處舊梁在支點(diǎn)處的水平縱向變形逐漸減小,而拼接處的新梁則逐漸增加.

圖12 不同存梁時(shí)間的支點(diǎn)截面橫向變形Fig.12 Lateral deformation of fulcrum section of different beam-preserving time(a)—左端支點(diǎn)截面; (b)—左中支點(diǎn)截面

mm

左邊跨及中跨跨中的拼接處新舊梁的縱向變形差如圖13所示.存梁期為1個(gè)月時(shí),拼接處新舊梁在運(yùn)營(yíng)10 a后的左邊跨截面的縱向變形差約達(dá)24 mm,對(duì)結(jié)構(gòu)特別不利,而存梁期為3個(gè)月時(shí),拼接處新舊梁在運(yùn)營(yíng)10 a后的左端支點(diǎn)的縱向變形差約達(dá)19 mm,同樣對(duì)結(jié)構(gòu)不利,6個(gè)月后則主梁縱向變形相對(duì)平滑.因此,從拼接處新舊梁縱向撓度差變化分析,存梁期應(yīng)考慮選擇6個(gè)月以上.

圖13 不同存梁期內(nèi)的拼接處新舊梁縱向變形差

5 結(jié) 論

通過對(duì)不同存梁期和新舊梁運(yùn)營(yíng)時(shí)間下的新舊梁豎向、橫向和縱向等的變形分析可得出如下結(jié)論:

(1) 在考慮收縮徐變對(duì)拼寬橋線形的影響時(shí),可忽略新舊橋梁的運(yùn)營(yíng)時(shí)間差影響.

(2) 建議拼寬用新梁在預(yù)制完成后,存梁期宜取為6個(gè)月以上.存梁期過短,會(huì)引起新舊梁三向變形過大,對(duì)結(jié)構(gòu)受力不利;如存梁期選擇為一個(gè)月,會(huì)引起拼接處新舊梁的豎向和縱向錯(cuò)動(dòng)過大,對(duì)結(jié)構(gòu)受力十分不利.當(dāng)施工工期緊張,選擇3個(gè)月存梁期時(shí),建議適當(dāng)增加拼接處橫隔板及濕接縫的剛度,避免運(yùn)營(yíng)階段過大的變形差引起縱向和豎向開裂.