李愛(ài)軍

(山西交控集團(tuán)有限公司 長(zhǎng)治高速公路分公司, 山西 長(zhǎng)治 046000)

1 前言

隨著中國(guó)大中城市高速公路網(wǎng)形成，高速公路建設(shè)的重點(diǎn)由新建道路逐漸轉(zhuǎn)為新建與改擴(kuò)建并重的局面。隨著大量改擴(kuò)建工程的相繼展開(kāi)，必然涉及到橋梁的拼寬問(wèn)題，實(shí)例證明，采用拼寬部分進(jìn)行橋梁加固是可行且經(jīng)濟(jì)的。橋梁拼寬的關(guān)鍵在于拼寬方式的選擇，不同的橋梁拼寬方式不僅影響拼寬后結(jié)構(gòu)本身的力學(xué)性能，同時(shí)還要考慮不同拼寬方式受到新舊基礎(chǔ)不均勻沉降差的影響，因此確定合理的拼寬方式非常重要。預(yù)制箱梁橋是一種常見(jiàn)的橋梁結(jié)構(gòu)形式，對(duì)其拼寬技術(shù)進(jìn)行研究對(duì)于指導(dǎo)同類橋梁的設(shè)計(jì)施工，提高拼寬橋梁的力學(xué)性能具有重要意義。

不少學(xué)者對(duì)箱梁拓寬后的受力機(jī)理、施工工藝及病害原因等進(jìn)行了研究。吳文清等通過(guò)有限元數(shù)值方法分析箱梁拼寬后，拼寬對(duì)既有箱梁受力的影響，并對(duì)箱梁拼寬后可能產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)病害進(jìn)行了分析提出了橋面板橫向加固方法；曹實(shí)等利用實(shí)體有限元對(duì)拓寬后簡(jiǎn)支小箱梁橋進(jìn)行受力分析，研究了徐變對(duì)橋面板受力的影響；茹毅、劉其偉分別建立實(shí)體和梁格有限元模型分析了拼寬后新舊橋的受力和變形，分析了收縮和徐變作用下拼寬橋梁的受力機(jī)理；高冉、劉其偉分析了某高速公路拓寬連續(xù)箱梁橋支座病害產(chǎn)生的原因，認(rèn)為混凝土收縮徐變是造成病害的主要原因，并提出了相關(guān)的處理措施；秦肖等通過(guò)數(shù)值模擬研究了通車條件下新舊梁之間的撓度差，分析了對(duì)拼接施工的影響；田增順等建立橋梁結(jié)構(gòu)拼寬的實(shí)體有限元模型，計(jì)算了不同交通組織方案下的舊橋撓度，作為施工期選取交通管制方案的依據(jù)；毛建平、劉莉、黃立浦等對(duì)箱梁拼寬后的荷載橫向分布效應(yīng)進(jìn)行了研究；熊正強(qiáng)分析了拓寬新橋?qū)v縫受力性能的影響，提出拓寬部分的基礎(chǔ)沉降勢(shì)必引起與原結(jié)構(gòu)之間的沉降差，這種沉降差會(huì)對(duì)拼接縱縫受力產(chǎn)生不利的影響。雖然對(duì)箱梁的拼寬技術(shù)有較多研究，但由于各個(gè)橋梁在結(jié)構(gòu)上的差異，在進(jìn)行拼寬時(shí)，必須依托具體橋梁進(jìn)行研究，以確定合理的拼寬設(shè)計(jì)方法及相關(guān)控制指標(biāo)。

該文以山西長(zhǎng)(治)至河北邯(鄲)高速公路改擴(kuò)建工程為依托，對(duì)工程涉及的預(yù)制小箱梁橋拼寬技術(shù)進(jìn)行研究，主要分析不同拼寬方式對(duì)于橋梁內(nèi)力、變形及容許沉降差的影響，以及收縮徐變對(duì)于拼寬橋梁的影響。橋梁拼寬關(guān)鍵在于選取合適的橋梁拼寬方式。首先，初步選定擬采用的橋梁拼寬方案和橫向拼接構(gòu)造方案；其次，對(duì)不同拼寬方式的橋梁力學(xué)性能以及基礎(chǔ)沉降進(jìn)行研究，綜合分析以確定預(yù)制小箱梁的最優(yōu)拼寬方式及基礎(chǔ)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

2 小箱梁橋拼接構(gòu)造的擬定方案

2.1 拼寬橫斷面

依托工程預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁拼寬擬采用上連下不連形式，主梁橫向連接，橋墩及基礎(chǔ)不連接。拼寬部分橋梁采用跨長(zhǎng)為4×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁，梁高1.6 m。舊橋?yàn)?片預(yù)制小箱梁，梁高1.5 m，全幅寬度24.5 m。通過(guò)兩側(cè)拼寬形成六車道，全幅寬度39.5 m。拼寬后單幅橋梁橫斷面見(jiàn)圖1，左側(cè)4片為舊梁，右側(cè)3片梁為新梁。圖1中主梁自左至右編號(hào)為1～7號(hào)。

圖1 箱梁拼寬后橋梁橫斷面圖(單位：cm)

2.2 拼接構(gòu)造方案

2.2.1 方案1(翼緣板混凝土鉸接拼接)

采用鉸縫拼接的做法是將舊橋拼寬側(cè)懸臂切割1 m，將切割面鑿毛，在混凝土切割面上植入鋼筋并且涂刷界面膠，待新橋架設(shè)完成后，將新橋的預(yù)埋鋼筋與舊橋的切割面植筋綁扎拼接，并澆筑鋼纖維混凝土，現(xiàn)澆濕接縫后便形成混凝土鉸。其拼接部位示意見(jiàn)圖2。

圖2 混凝土鉸鋼筋構(gòu)造圖(單位：cm)

2.2.2 方案2(翼緣板弱剛性拼接)

該方案與方案1不同之處在于該方案中濕接縫處不設(shè)置鉸，濕接縫處的綁扎鋼筋方式與方案1也略有不同。其拼接部位示意見(jiàn)圖3。

圖3 弱剛性拼接鋼筋構(gòu)造圖(單位：cm)

方案2整體性較好，可以確保新舊結(jié)構(gòu)整體共同受力；但不足之處在于：新舊橋拼寬拼接后，新橋與舊橋下部基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降時(shí)，對(duì)新橋和舊橋的影響更大，該方案對(duì)下部結(jié)構(gòu)不均勻沉降要求高于方案1。

2.2.3 方案3(強(qiáng)剛性拼接)

該方案是在方案2的基礎(chǔ)上，在新舊主梁腹板上植筋，并綁扎后澆筑混凝土形成橫隔板。其拼接部位示意見(jiàn)圖4。

圖4 強(qiáng)剛性拼接鋼筋構(gòu)造圖(單位：cm)

方案3的整體性更好，新舊梁之間的連接更強(qiáng)。缺點(diǎn)是這一連接方式對(duì)新舊橋下部基礎(chǔ)不均勻沉降差較為敏感，在施工過(guò)程中因需箱梁腹板植筋，施工難度較大，且易對(duì)梁體腹板造成損害。

3 控制截面內(nèi)力及撓度對(duì)比分析

對(duì)于橫向有多片主梁的預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋，邊梁受力較中梁更為不利。舊橋拼寬后，原4號(hào)邊梁變?yōu)橹辛?，其受力改善最為顯著，而1號(hào)梁仍為邊梁，其承擔(dān)的荷載大于2、3、4號(hào)舊梁。因此以1號(hào)梁作為研究對(duì)象，分析小箱梁拼寬前后其受力及變形的變化情況。根據(jù)不同的橫向拼接情況，采用Midas Civil建立梁格模型。在梁格建模時(shí)，將主梁作為縱向單元，橫橋向根據(jù)實(shí)際橫向剛度采用虛擬橫梁與主梁連接起來(lái)。虛擬橫梁只有剛度(不計(jì)質(zhì)量)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)橫向剛度的模擬。其中，新舊主梁弱剛接模型如圖5所示。

圖5 弱剛接計(jì)算模型示意

3.1 內(nèi)力對(duì)比分析

舊橋及鉸接、剛接后邊梁(1#梁)各控制截面彎矩對(duì)比見(jiàn)表1。

由表1可知：舊橋拼寬后，舊橋邊梁的各控制截面彎矩值均有所降低。表明其受力均得到改善，邊跨跨中及墩頂彎矩改善比中跨明顯，且改善程度隨拼接剛度的增大而增強(qiáng)。采用強(qiáng)剛接拼寬時(shí)，邊跨跨中的彎矩值降低約6%，墩頂彎矩值降低約4%，與鉸接及弱剛接拼寬相比，區(qū)別較小。

表1 舊橋及鉸接、剛接后邊梁(1#梁)各控制截面彎矩對(duì)比

3.2 撓度對(duì)比分析

舊橋及鉸接、剛接后邊梁各控制截面撓度對(duì)比如表2所示。

表2 舊橋及鉸接、剛接后邊梁各控制截面撓度對(duì)比

由表2可知：拼寬后舊橋邊梁各控制截面撓度值比拼寬前略有降低。幾種拼寬方式均能改善原橋邊梁的變形，且改善程度按鉸接、弱剛接、強(qiáng)剛接拼寬方式依次增強(qiáng)。強(qiáng)剛接拼寬方式下，邊跨跨中的下?lián)隙戎到档土思s10%；中跨跨中的下?lián)隙戎禍p小了約4%，與鉸接及弱剛接區(qū)別不大。

綜合拼寬后的受力及變形分析結(jié)果可知：拼寬能有效減小舊橋的變形及受力，即使離拼寬位置較遠(yuǎn)的邊梁，也受到了拼寬帶來(lái)的有益影響。拼接部位的橫向剛度越大，拼寬對(duì)于舊橋受力及變形的改善越大，但幾種不同拼接方式對(duì)舊橋改善有區(qū)別。

4 不同橫向拼接方式下新舊橋的允許沉降差及橫向正應(yīng)力分析

通過(guò)Ansys建立實(shí)體模型，模擬不同橫向拼接方式在不同的沉降差作用下的梁體受力，分析新舊橋基礎(chǔ)沉降差異對(duì)新、舊橋拼接部位的影響，以確定合理的拼接方式及沉降差控制標(biāo)準(zhǔn)。全橋模型采用Solid65實(shí)體單元，單元數(shù)量325 462個(gè)。對(duì)于弱剛接拓寬橫向連接方式在實(shí)體模型中的實(shí)現(xiàn)，該文通過(guò)采用Ansys中的殺死單元命令來(lái)實(shí)現(xiàn)。其邊界條件的設(shè)置為將各片小箱梁實(shí)際橡膠支座所對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行3個(gè)平動(dòng)方向(Ux、Uy、Uz)的約束。采用弱剛接拼寬的有限元實(shí)體模型如圖6所示。

基礎(chǔ)沉降考慮單個(gè)墩柱處發(fā)生沉降，即4跨連續(xù)梁的中間某個(gè)橋墩發(fā)生沉降。沉降模式為線性沉降，即新建橋梁上部結(jié)構(gòu)各主梁的沉降值由拼接處到最外側(cè)線形增大(5～7號(hào)主梁沉降值依次增大)，線性沉降示意圖如圖7所示。

圖6 弱剛接拓寬橋梁有限元模型橫斷面示意

圖7 線性沉降示意圖

在線性沉降模式下采用不同橫向拼接方式的橫向正應(yīng)力沿橫橋向的變化曲線見(jiàn)圖8，橫向坐標(biāo)原點(diǎn)為新拼寬橋梁梁頂外邊緣，即由7號(hào)梁至1號(hào)梁坐標(biāo)值增大。

從圖8可知：在線性沉降模式下，強(qiáng)剛接拼寬的箱梁頂板橫向應(yīng)力極值出現(xiàn)在靠近拼接部位的舊主梁頂板中心位置，而弱剛接、鉸接的拼寬箱梁頂板橫向應(yīng)力極值出現(xiàn)在拼接部位。采用強(qiáng)剛接的拼接方式時(shí)，頂板橫向正應(yīng)力最小，其次為弱剛接，新舊橋采用鉸接的拼寬方式時(shí)，橫向正應(yīng)力最大。由箱梁頂板的橫向應(yīng)力分布規(guī)律可以看出，靠近拼接縫處的新舊主梁橫向正應(yīng)力大，遠(yuǎn)離拼接縫的主梁橫向正應(yīng)力較小。但考慮到采用強(qiáng)剛接時(shí)，受力最不利部位為舊橋主梁，考慮到舊橋已經(jīng)運(yùn)營(yíng)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間，其結(jié)構(gòu)性能有所退化，因此從減小沉降對(duì)舊橋主梁影響的角度，應(yīng)優(yōu)先考慮弱剛接及鉸接的拼寬方式。

新舊梁拼接部位混凝土徐變可降低由沉降差導(dǎo)致的附加應(yīng)力。根據(jù)JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定，對(duì)由于新舊橋基礎(chǔ)沉降差產(chǎn)生的附加應(yīng)力進(jìn)行折減，折減系數(shù)取為0.45。當(dāng)沉降差為5 mm時(shí)，折減后弱剛接拼接部位正應(yīng)力為2.493 MPa，鉸接拼寬為2.853 MPa，采用弱剛接拼寬所對(duì)應(yīng)的橫向應(yīng)力極值未超過(guò)C50混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，鉸接拼寬所對(duì)應(yīng)的橫向應(yīng)力極值超過(guò)C50混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。因此5 mm可作為采用弱剛接拼寬方式下的新舊橋基礎(chǔ)沉降差控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖8 線性沉降引起的橫向正應(yīng)力

5 結(jié)論

針對(duì)不同橫向拼接方式下拼寬后混合結(jié)構(gòu)的受力、新舊橋不均勻基礎(chǔ)沉降等橋梁拼寬關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：

(1)在活載作用下拼寬后舊橋邊梁的內(nèi)力及撓度大大降低，有利于改善舊橋的受力狀況。不同橫向拼接方式對(duì)原有主梁的受力影響差異較小，強(qiáng)剛接拼接方式對(duì)舊橋主梁受力改善略大，從改善結(jié)構(gòu)活載作用下的受力出發(fā)，拼寬箱梁之間采用弱剛性、強(qiáng)剛性拼接方式較合理。

(2)新舊橋基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降時(shí)，強(qiáng)剛接拼寬方式的橫向正應(yīng)力最大部位為舊橋主梁，而鉸接、弱剛接等拼寬方式橫向正應(yīng)力最大發(fā)生在拼接部位，綜合分析認(rèn)為考慮新舊橋不均勻沉降時(shí)，弱剛接拼寬方式對(duì)結(jié)構(gòu)受力更有利。

(3)結(jié)合拼接后結(jié)構(gòu)在活載作用下變形、受力及不同拼接方式下的容許沉降差，確定該項(xiàng)目預(yù)制小箱梁橫向拼接方式采用弱剛接拼寬方式，且提出弱剛接拼寬方式下新舊橋基礎(chǔ)不均勻沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為5 mm。