謝玉萌， 朱自萍

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司;公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)處于高速增長(zhǎng)的狀態(tài)，促使公路交通量持續(xù)增加。許多高速公路都是雙向四車(chē)道，已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前的交通需求，需要對(duì)其進(jìn)行拓寬[1,2]。

我國(guó)運(yùn)營(yíng)的中小跨徑橋梁中，空心板橋數(shù)量較多，空心板拓寬連接基本都是上部結(jié)構(gòu)連接，下部結(jié)構(gòu)不連，而上部結(jié)構(gòu)主要是通過(guò)濕接縫進(jìn)行連接[3,4]。

本文結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目，對(duì)20 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板拼寬處的濕接縫受力進(jìn)行研究分析，并結(jié)合有限元計(jì)算結(jié)果，確定拼接處濕接縫的受力模式，從而進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。并給出一些控制濕接縫裂縫發(fā)生的建議。

1 工程概況

既有橋梁結(jié)構(gòu)形式為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板(20 m)，共11片空心板，主梁高度0.90 m。既有橋梁段邊板寬1.435 m，中板寬1.17 m。拼寬段裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板(20 m)，共5片空心板。主梁高度0.95 m，外側(cè)邊板寬1.62 m，內(nèi)側(cè)邊板寬1.24 m，中板寬1.24 m。空心板標(biāo)準(zhǔn)拼寬橫斷面布置如圖1所示。既有橋梁段和拼寬橋梁段通過(guò)濕接縫連接，濕接縫寬39.5 cm，厚19 cm。

圖1 空心板標(biāo)準(zhǔn)拼寬橫斷面圖(單位：cm)

2 接縫縱向受力分析

2.1 計(jì)算模型

采用MIDAS Civil梁格法進(jìn)行建模，如圖2所示，縱向梁格的剛度按各片空心板的剛度進(jìn)行選取，橫向梁格截面為空心板的頂板截面，并通過(guò)釋放梁端約束的方式來(lái)模擬空心板的鉸接。為模擬鉸接構(gòu)造，在計(jì)算模型中釋放了新、舊空心板接縫橫梁端節(jié)點(diǎn)的角位移，使其能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，傳遞剪力但不傳遞彎矩。這樣的處理方式與實(shí)際情況較吻合。

圖2 Midas Civil整體梁格模型圖

拼寬橋梁的施工過(guò)程見(jiàn)表1，其中CS1為舊橋施工，實(shí)際建造年限考慮了12年的收縮徐變，CS2～CS3為新橋空心板施工，CS4為新橋存梁等待時(shí)間，CS5階段是二期鋪裝，CS6為澆筑混凝土后的收縮徐變，總計(jì)考慮3 650 d。

表1 施工流程圖

2.2 計(jì)算結(jié)果

整體模型計(jì)算完成后，可以得出拼接縫處縱向受力，對(duì)拼接縫處進(jìn)行RC截面配筋設(shè)計(jì)。本次梁格模型對(duì)接縫處縱向進(jìn)行使用階段正截面抗彎驗(yàn)算、使用階段斜截面抗剪驗(yàn)算、使用階段裂縫寬度驗(yàn)算。接縫處縱向配筋情況為：上緣配置3根直徑為12 mm的鋼筋，下緣配置3根直徑為12 mm的鋼筋，抗剪鋼筋直徑為12 mm。從結(jié)果上看承載能力和裂縫寬度均可以滿足要求。

3 接縫橫向受力分析

3.1 計(jì)算模型

采用三維有限元軟件MIDAS Fea建立實(shí)體有限元模型，車(chē)輛荷載選用55 t標(biāo)準(zhǔn)車(chē)進(jìn)行加載,其在橋梁縱向布置情況如圖3所示,橋長(zhǎng)20 m，重車(chē)車(chē)輪布置在跨中位置。

圖3 車(chē)輛荷載縱向布置形式

車(chē)輛荷載橫向布置采用兩種方式，如圖4所示。工況一為偏載模式，此時(shí)接縫上緣橫向拉應(yīng)力最大,下緣橫向壓應(yīng)力最大。工況二為重車(chē)車(chē)輪作用在拼接縫處模式，此時(shí)接縫下緣橫向拉應(yīng)力最大，上緣橫向壓應(yīng)力最大。

圖4 車(chē)輛荷載橫向布置形式

3.2 計(jì)算結(jié)果

分別進(jìn)行持久狀況抗裂驗(yàn)算和最大壓應(yīng)力驗(yàn)算，并考慮升溫組合和降溫組合，抗裂計(jì)算結(jié)果是接縫處橫橋向最大拉應(yīng)力為8.3 MPa，發(fā)生在接縫下緣支點(diǎn)處角點(diǎn)，范圍較小，接縫上緣跨中最大橫橋向拉應(yīng)力為1.9 MPa，接縫上緣支點(diǎn)拉應(yīng)力在5～8 MPa，拉應(yīng)力支點(diǎn)較大，從支點(diǎn)到跨中整體遞減。壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果為接縫處橫橋向最大壓應(yīng)力為18 MPa，發(fā)生在接縫下緣支點(diǎn)處。

4 沉降計(jì)算

對(duì)于拓寬橋梁，由于修建時(shí)間較長(zhǎng)，原橋基礎(chǔ)沉降已基本完成，而拼寬部分的基礎(chǔ)還有可能發(fā)生沉降，整體沉降差必然存在，沉降差會(huì)在橋梁梁體，特別是拼接縱縫中產(chǎn)生不利影響，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)安全及正常使用。假設(shè)新橋基礎(chǔ)沉降按線性規(guī)律反映到新橋空心板，基礎(chǔ)沉降模擬如圖5所示，分別取新橋最大沉降量為3、5 mm進(jìn)行分析。

圖5 基礎(chǔ)沉降模擬示意圖(以5 mm為例)

表2匯總了新橋線性最大沉降分別為3、5 mm時(shí)接縫單元上、下緣最大應(yīng)力。以受拉為“+”，受壓為“-”。

表2 沉降引起的接縫混凝土應(yīng)力

由表2可以發(fā)現(xiàn)，沉降引起的接縫混凝土應(yīng)力隨著沉降量的增加而增大的趨勢(shì)。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)新建橋梁基礎(chǔ)進(jìn)行相應(yīng)的處理，以保證其沉降值在許可的范圍之內(nèi)。

5 接縫支點(diǎn)加厚處理后計(jì)算結(jié)果

針對(duì)接縫支點(diǎn)處拉應(yīng)力較大情況，采用支點(diǎn)加厚處理，加厚高度為老空心板的高度，總高90 cm，縱向加厚長(zhǎng)度為40 cm，進(jìn)行抗裂驗(yàn)算。接縫處橫橋向最大拉應(yīng)力為6.7 MPa，發(fā)生在接縫支點(diǎn)上緣，范圍較小，加厚端下端拉應(yīng)力最大為6.6 MPa，支點(diǎn)加厚之后拉應(yīng)力水平會(huì)降低。

支點(diǎn)加厚之后，沉降計(jì)算見(jiàn)表3，可以發(fā)現(xiàn)沉降引起的接縫混凝土應(yīng)力水平有所降低，但是支點(diǎn)上緣和下緣拉應(yīng)力仍然較大，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)新建橋梁基礎(chǔ)進(jìn)行相應(yīng)的處理，以保證其沉降值在許可的范圍之內(nèi)。

表3 沉降引起的接縫混凝土應(yīng)力(支點(diǎn)加厚處理)

6 結(jié) 論

通過(guò)建立全橋?qū)嶓w有限元模型，研究既有橋梁拼寬濕接縫在荷載作用下受力情況，給出以下幾點(diǎn)建議：

(1)接縫在梁端部受力較大，支點(diǎn)需采用加厚處理，并在接縫處支點(diǎn)縱向1.5 m范圍內(nèi)，加強(qiáng)配筋。

(2)支點(diǎn)1.5 m范圍內(nèi)將橋面鋪裝層內(nèi)的鋼筋直徑變?yōu)?6 mm，以提高濕接縫橋面處抗裂能力。

(3)由于沉降產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力水平較高，應(yīng)適當(dāng)加大樁長(zhǎng)、樁徑，控制新樁總的沉降量，如工期允許，建議延后新老空心梁的拼接時(shí)間，可在吊裝完新空心梁后放置6個(gè)月以上時(shí)間，既可減小新、老空心板的收縮徐變差的影響，也可降低新老基礎(chǔ)的沉降差。

(4)可以在接縫處采用高性能混凝土。