李剛

摘要：依托福州青口福銀拼寬橋梁工程，通過建立有限元模型進(jìn)行計算分析，與現(xiàn)實中福銀拼寬橋梁進(jìn)行對比，分析探究T梁拼寬的一種設(shè)計方案—不等拼寬處受力情況，研究結(jié)構(gòu)的安全性。

Abstract： Relying on the Fuzhou Qingkou Fuyin widening bridge project， through the establishment of the finite element model for calculation and analysis， compared with the reality of the Fuyin widening bridge， a design scheme of stress at unequal width for the T-beam widening is analyzed and the safety of the structure is studied.

關(guān)鍵詞：T梁拼寬;橫隔板;分析;結(jié)構(gòu)安全

Key words： T-beam widening;transverse diaphragm;analysis;structural safety

中圖分類號：U441? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）35-0177-03

0? 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，我國相當(dāng)一部分既有高速公路已然不能滿足新時代經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。一些既有高速橋梁改造工程，會面臨橋梁寬度不足的問題。通常情況下改造有拆除重建和整體拼寬兩種方式，為了經(jīng)濟(jì)效益及快捷施工，通常采用拼寬施工。本文針對采用9個橫隔板拼接7個橫隔板T梁（舊橋）和5個橫隔板T梁（新橋）受力情況進(jìn)行分析，研究其應(yīng)力分布及傳力機(jī)理。本文以青口大橋福銀拼寬橋梁為依托，建立有限元模型研究結(jié)構(gòu)受力，希望能為同類型橋梁的建設(shè)提供計算參考。

1? 工程概況

1.1 橋型結(jié)構(gòu)

主線高架橋左幅為（5×30m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁）+（5×30m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁）+（23m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁）+（5×30m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁）+（6×30m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁），總長653m;下部構(gòu)造為柱式墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

主線高架橋右幅為（23+4×30m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁）+（5×30m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁）+（23m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁）+（5×30m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁）+（6×30m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁）+（6×30m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁），總長826m;下部構(gòu)造為柱式墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

1.2 拼接結(jié)構(gòu)

新、舊橋拼接時，通過橫隔梁將新、舊橋主梁的腹板連接起來，消除整體撓度差;通過現(xiàn)澆混凝土濕接縫將新、舊橋主梁翼緣板連接起來，防止新、舊橋主梁翼緣在外荷載作用下出現(xiàn)局部撓度差，影響拓寬橋梁的正常使用。新、舊橋主梁之間的拼接結(jié)構(gòu)如圖1所示。施工時按設(shè)計要求保留舊橋邊梁，拆除混凝土防撞欄，鑿除部分舊橋邊梁翼緣混凝土及橋面鋪裝，保留翼緣鋼筋，與新橋邊梁翼緣預(yù)留鋼筋進(jìn)行焊接。

2? 計算目的及內(nèi)容

2.1 計算目的

福州繞城公路東南段青口互通H、G匝道接入福銀高速公路主線高架橋，原設(shè)計拼寬段橋梁采用181片30m預(yù)制T梁與既有的福銀高速公路30m預(yù)制T梁拼接，拼寬部分的T梁架設(shè)后需靜置6個月并采取精軋螺紋鋼與舊橋橫向連接，設(shè)有7道橫隔梁。但是，該項目全線30m預(yù)制T梁橫隔梁均按新標(biāo)準(zhǔn)圖中5道設(shè)置，使得現(xiàn)有的30m預(yù)制T梁模板無法用于拼寬段T梁預(yù)制，重新加工模板將導(dǎo)致工期延誤。為解決該問題，加快施工進(jìn)度及滿足工期要求，新橋擬采取30m預(yù)制T梁現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)梁型即5道橫隔梁，與舊橋原7道橫隔梁進(jìn)行拼接的方案。但是，除端橫梁和中橫梁外，由于新、舊橋橫隔梁沿縱橋向相互錯位，存在應(yīng)力沿Z形路徑折線傳遞的問題，因此，通過詳細(xì)的有限元分析來確認(rèn)該拼寬技術(shù)的可行性及影響程度，并確定新舊橋梁橫梁拼接方式是否合理。

2.2 分析計算內(nèi)容

①建立預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋有限元模型，分析各項長期荷載作用下拼寬預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁橋的受力，明確各項長期荷載對拓寬長聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的影響程度及影響規(guī)律，并通過對比分析確定各項長期荷載中哪個為主要影響因素。

②根據(jù)有限元分析結(jié)果，進(jìn)行拼接縫構(gòu)造優(yōu)化及完善，確定最優(yōu)的新、舊橋梁橫梁拼接方式，應(yīng)用于實橋拼寬工程中。

3? 預(yù)應(yīng)力混凝土T 梁橋拼寬方案

青口互通福銀高速主線高架橋位于福州繞城高速公路東南段的舊橋T 型主梁間采用7 片橫隔梁連接，分別布置于支點(diǎn)處、L/6、L/3、L/2、2L/3 和5L/6 處。新橋T 型主梁間擬采用新標(biāo)準(zhǔn)圖中的5 片橫隔梁連接，分別布置于支點(diǎn)處、L/4、L/2、3L/4?？梢钥闯?，除端橫梁和中橫梁外，新、舊橋橫隔梁布置形式并不是一一對應(yīng)關(guān)系，采用9片橫隔梁拼接。由于新、舊橋橫隔梁沿縱橋向相互錯位，存在應(yīng)力沿Z形路徑折線傳遞的問題。

4? 計算依據(jù)及模型建立

4.1 結(jié)構(gòu)計算依據(jù)

①道路等級：高速公路;

②設(shè)計車速：100km/h;

③設(shè)計荷載：汽車：公路-Ⅰ級，溫度：體系升降溫

±25℃;

④橋梁設(shè)計基準(zhǔn)期：100 年;

⑤結(jié)構(gòu)設(shè)計安全等級：一級;

⑥環(huán)境類別：Ⅰ類;

⑦抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計地震動峰值加速度0.05g，基本烈度小于VI 度，按VIII 度設(shè)防。

4.2 結(jié)構(gòu)計算模型

采用橋梁專業(yè)軟件MIDAS/CIVIL 建立空間有限元模型，如圖3所示，全橋共1082個節(jié)點(diǎn)，2666 個梁單元。主梁與支座用彈性連接模擬。主梁頂部中心節(jié)點(diǎn)和支座頂部節(jié)點(diǎn)用剛性連接模擬，支座底部用一般支承固結(jié)。

4.3 設(shè)計荷載及荷載組合

①恒載。恒載為結(jié)構(gòu)自重、二期恒載，其中二期恒載含橋面鋪裝、欄桿及橋面其它附屬設(shè)施。

②預(yù)應(yīng)力。鋼絞線抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fpk=1860MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa;預(yù)應(yīng)力鋼筋錨下張拉控制應(yīng)力σcon=1395MPa;鋼束松弛終極值與控制應(yīng)力之比取0.3，錨具變形和鋼筋，回縮值：每端6mm;管道摩阻系數(shù)μ=0.25;管道偏差系數(shù)k=0.0015。

③活載。汽車荷載：公路-I 級。當(dāng)橫向布載車道數(shù)大于2 時，按規(guī)范進(jìn)行折減。

④混凝土收縮、徐變?；炷潦湛s徐變按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62-2004）附錄F 的方法計算。收縮、徐變的終極時間取成橋后3650 天。

⑤荷載組合。根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62-2004）要求，按正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行組合并用于應(yīng)力、裂縫檢驗，按承載能力極限狀態(tài)進(jìn)行組合驗算結(jié)構(gòu)承載力是否滿足要求。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）第4.1.6條和第4.1.7 條規(guī)定進(jìn)行荷載效應(yīng)組合如下：

1）承載能力極限狀態(tài)基本組合

2）正常使用極限狀態(tài)

a）頻遇組合

b）準(zhǔn)永久組合

5? 結(jié)構(gòu)驗算分析

除與拼接縫相鄰的新、舊橋主梁外，拼接對拼寬后T梁橋其他主梁受力性能的影響很小，因此，為了研究與拼接縫相鄰的新、舊橋主梁的強(qiáng)度和剛度，本章采用有限元分析方法，進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)下和正常使用極限狀態(tài)下拼接縫兩側(cè)新、舊橋主梁全橋受力分析，以及橫隔梁強(qiáng)度驗算。

5.1 T梁汽車荷載橫橋向布載方式

根據(jù)MIDAS/CIVIL 計算得到新橋7#T 梁（即與舊橋拼接的T 梁）跨中影響線，并根據(jù)《公路橋梁設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2004）的規(guī)定，沿橫向布設(shè)汽車荷載，分別布設(shè)2 車道、3 車道和4 車道，具體布載形式如圖所示。計算得到2車道、3車道和4車道的汽車輪載影響線豎標(biāo)總和分別為0.889和0.882 3 車道車輪載影響線豎標(biāo)總和較2車道小，主要是由于3 車道需要考慮橫向折減系數(shù)所致。因此，對于新橋7#T 梁最不利汽車荷載工況是2 車道布載形式，見圖4（a）。

5.2 T梁承載能力極限狀態(tài)驗算

按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62-2004）第5.2.2 條規(guī)定進(jìn)行抗彎承載力驗算。在承載力極限狀態(tài)下，預(yù)應(yīng)力不作為荷載，而作為結(jié)果抗力的一部分。

①正截面抗彎承載力驗算。

承載能力極限狀態(tài)下新橋T梁的正截面抗彎承載力驗算結(jié)果如圖5所示，從圖5中可以看出，拼寬T梁的正截面抗彎承載力滿足要求。

②斜截面抗剪承載力驗算。

承載能力極限狀態(tài)下新橋T 梁的斜截面抗剪承載力驗算結(jié)果如圖6所示，從圖6中可以看出，新橋T 梁的斜截面抗剪承載力滿足要求。

5.3 橫隔梁承載能力計算

根據(jù)MIDAS/CIVIL 計算得到9 片橫隔梁拼接時新、舊橋跨中拼接橫隔梁影響線，并根據(jù)《公路橋梁設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2004）的規(guī)定，沿橫向布設(shè)汽車荷載，分別布設(shè)2 車道和3 車道。

①抗剪承載能力驗算。

由于拼接橫隔梁與舊橋T 梁間連接能力較差，因此，偏安全考慮，截面抗剪面積僅考慮預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼筋面積。鑒于橫隔梁的永久效應(yīng)很小，計算中可忽略不計。9 片橫隔梁拼接時，剪應(yīng)力： ■

由此可以看出，9 片橫隔梁拼接時，截面剪應(yīng)力均小于4根Φ32預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼筋容許剪應(yīng)力270MPa，故橫隔梁滿足抗剪承載能力規(guī)范要求。

②抗彎承載能力驗算。

偏安全考慮，拼接橫隔梁截面抗彎承載能力驗算按單筋矩形截面進(jìn)行計算，僅考慮預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼筋的貢獻(xiàn)，且橫隔梁截面高度取T 梁翼緣板底部至梁底高度。因此可得橫隔梁截面抗彎承載能力為：

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鑒于橫隔梁的永久效應(yīng)很小，計算中可忽略不計。采用9 片橫隔梁拼接時，承載能力極限狀態(tài)下，彎矩效應(yīng)值分別為425kN·m，小于拼接截面抗彎承載能力值514kN·m，故拼接橫隔梁抗彎承載能力滿足規(guī)范要求。

6? 結(jié)論

采用此種方案拼接的新橋和舊橋主梁，承載能力極限狀態(tài)下，新橋和舊橋T梁正截面抗彎承載力和斜截面抗剪承載力均滿足要求;橫隔梁滿足抗剪承載能力及抗彎承載能力滿足規(guī)范要求。目前福銀拼寬橋梁已經(jīng)通車，運(yùn)行狀態(tài)比較理想，結(jié)構(gòu)安全可靠，為以后橋梁施工提供參考。

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