劉 軍

(山西省交通科技研發(fā)有限公司， 山西 太原 030032)

0 引言

近年來，隨著我國交通流量的迅速增長，部分公路橋梁原有的設(shè)計寬度逐漸無法滿足車輛通行需求，導(dǎo)致橋梁經(jīng)常處于超載狀態(tài)，不僅給人們的出行造成了不便，更給橋梁穩(wěn)定運營留下了較大的安全隱患。因此，及時對存在交通擁擠問題的公路橋梁進(jìn)行改擴(kuò)建非常重要[1-2]。

目前，在公路橋梁改擴(kuò)建工程中，新、舊橋梁的橫向連接形式已成為國內(nèi)外學(xué)者重點關(guān)注的研究課題[3-4]。鄒正其等[5]綜合考慮了造價、施工、現(xiàn)場質(zhì)量管理等綜合因素，提出了推薦的連接形式:頂板焊接，腹板和底板栓接，等強(qiáng)度連接?；粑奶腫6]分析了不同橋梁拼接方式的優(yōu)缺點，闡述了新建橋梁和既有橋梁基礎(chǔ)沉降差和收縮徐變差的控制措施。黃永超[7]從活載作用引起的內(nèi)力變形規(guī)律和荷載橫向分布系數(shù)入手，分析了不同連接方式對橋梁拓寬后混合結(jié)構(gòu)受力的影響。黃碩等[8]通過變換不同的橫向連接方式和橫梁剛度，分析了主拱受力的變化，證明了拱橋的橫向連接剛度決定荷載橫向分布的規(guī)律，橫梁剛度由其截面慣性矩和材料決定，可通過改變這些因素來調(diào)整、變換橫梁剛度。現(xiàn)有關(guān)于連續(xù)剛構(gòu)橋新、舊箱梁連接問題的研究大多是針對中、小跨徑橋梁的，而關(guān)于大跨徑連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁連接的研究還需進(jìn)一步完善?；诖耍疚囊阅炒罂鐝竭B續(xù)剛構(gòu)橋拓寬工程為例，通過建立剛接和鉸接2種連接形式的橋梁數(shù)值模型，對比分析了不同荷載作用下2種連接形式的連接縫應(yīng)力變化規(guī)律，研究成果對今后類似橋梁的改擴(kuò)建工程具有一定指導(dǎo)意義。

1 工程概況

以某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋拓寬工程為例，原橋跨徑布置為(70+118+70)m，單幅橋面寬9.5m，車道設(shè)計為雙向4車道。該橋上部結(jié)構(gòu)主梁采用單箱單室變截面，下部結(jié)構(gòu)的橋墩采用分離式雙薄壁墩，截面尺寸為6.5 m×2.8 m，樁基礎(chǔ)采用現(xiàn)澆灌注樁，橋型結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

圖1 橋型結(jié)構(gòu)布置圖(單位： m)

隨著當(dāng)?shù)亟煌康脑黾?，原橋設(shè)計寬度逐漸無法滿足車輛的通行需求，現(xiàn)計劃對原橋進(jìn)行雙向拓寬，由原來的雙向4車道拓寬至雙向8車道，單幅橋面寬度由原來的9.5m增至19.5m;同時，為保證拓寬后橋梁的整體美觀性和協(xié)調(diào)性，擴(kuò)建后橋梁結(jié)構(gòu)形式保持與原橋一致。拓寬后橋梁截面如圖2所示。

圖2 拓寬后橋梁截面圖(單位： mm)

2 建立模型

通過有限元軟件Midas Civil建立預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的數(shù)值模型，分析比較剛接和鉸接2種接縫形式對橋梁的影響。模型中主梁和橋墩結(jié)構(gòu)均采用梁單元進(jìn)行模擬，全橋共包含437個單元和612個節(jié)點，全橋有限元模型如圖3所示。

圖3 全橋有限元模型圖

模型中剛接效果通過刪除橋梁模型凹槽位置相應(yīng)單元進(jìn)行模擬，鉸接效果通過耦合接縫對應(yīng)的節(jié)點的三向自由度進(jìn)行模擬，在進(jìn)行計算分析時不考慮縱坡、橫坡以及樁-土效應(yīng)的影響，預(yù)應(yīng)力鋼筋不考慮豎彎作用。荷載作用主要考慮：一期結(jié)構(gòu)自重，約26kN/m3；二期恒載，約50kN/m3；混凝土收縮徐變作用按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》要求考慮3 a；不均勻沉降考慮橋墩5 cm；行車荷載等級為公路Ⅰ級。

3 結(jié)果與分析

為研究不同連接形式對橋梁力學(xué)特性的影響，通過有限元軟件建立拓寬后橋梁的數(shù)值模型，分別模擬剛接和鉸接2種連接形式，并對主梁連接縫在混凝土收縮徐變、橋墩不均勻沉降以及車輛荷載作用下的應(yīng)力變化情況展開對比研究。

3.1 混凝土收縮徐變作用

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》要求，運用有限元軟件計算采用不同連接形式成橋3 a后的連接縫橫向應(yīng)力和縱向應(yīng)力情況，并與成橋初期連接縫應(yīng)力情況進(jìn)行對比分析，計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 連接縫應(yīng)力變化曲線

由圖4 a可知，成橋初期邊跨與中跨跨中截面縱向主要受壓應(yīng)力作用，中墩截面縱向主要受拉應(yīng)力作用；在成橋3 a后，中墩截面受力由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)換為壓應(yīng)力。在混凝土收縮徐變作用下，2種連接形式的主梁連接縫縱向應(yīng)力變化情況基本一致，說明連接形式對主梁連接縫截面的縱向應(yīng)力影響不大。

由圖4 b可知，連接形式對主梁連接縫橫向應(yīng)力的影響較大。在成橋初期，剛接形式的主梁拉應(yīng)力與壓實力均相對較大，鉸接形式的主梁拉應(yīng)力與壓應(yīng)力均相對較小；成橋3 a后，剛接形式的主梁拉應(yīng)力與壓應(yīng)力均出現(xiàn)較大幅度增長，而鉸接形式的主梁拉應(yīng)力和壓應(yīng)力與成橋初期相差不大。在混凝土收縮徐變的作用下，剛接形式的主梁連接縫受拉作用大于鉸接形式，且連接縫邊、中跨截面受到的壓應(yīng)力同樣較大，不利于橋梁整體受力。因此，連接縫采用鉸接形式優(yōu)于剛接形式。

3.2 不均勻沉降

運用有限元軟件計算不同連接形式成橋的主梁應(yīng)力情況，對連接縫關(guān)鍵截面橫向、縱向和豎向應(yīng)力極值以及上、下緣應(yīng)力進(jìn)行對比分析，荷載作用僅考慮橋墩不均勻沉降5 cm，結(jié)果如圖5所示。

圖5 連接縫應(yīng)力變化曲線

由圖5 a可知，在不均勻沉降作用下連接形式對主梁連接縫橫向應(yīng)力影響相對較大，其次是豎向應(yīng)力，對縱向應(yīng)力的影響相對較小。剛接與鉸接2種連接形式的連接縫縱向最大拉應(yīng)力相差不大；橫向最大拉應(yīng)力分別為2.01MPa和1.49MPa，相差約0.52MPa；豎向最大拉應(yīng)力分別為0.09MPa和1.02MPa，相差約0.93MPa。剛接與鉸接2種連接形式的連接縫縱向最大壓應(yīng)力也相差不大；橫向最大壓應(yīng)力分別為2.09MPa和1.52MPa，相差約0.57MPa；豎向最大壓應(yīng)力分別為0.09MPa和1.07MPa，相差約0.98MPa。由此可知，采用剛接形式連接縫的最大拉、壓應(yīng)力均大于鉸接形式，而鉸接形式的最大豎向應(yīng)力遠(yuǎn)大于剛接形式。

由圖5 b可知，在不均勻沉降作用下，2種連接形式對連接縫上、下緣拉應(yīng)力影響較為明顯，對上、下緣壓應(yīng)力的影響相對較小。剛接形式的上、下緣最大拉應(yīng)力分別為1.89MPa和1.08MPa;鉸接形式的上、下緣最大拉應(yīng)力分別為1.32MPa和1.33MPa。剛接形式連接縫下緣最大拉應(yīng)力小于鉸接形式，在一定程度上可以減小主梁結(jié)構(gòu)受拉；而鉸接形式上緣最大拉應(yīng)力遠(yuǎn)小于剛接形式，更有利于橋梁結(jié)構(gòu)受力。

3.3 車輛荷載

運用有限元軟件計算車輛荷載的最不利加載形式，如圖6所示。將最不利車輛荷載以靜荷載方式施加到分析模型上，然后對不同連接形式的連接縫關(guān)鍵截面橫向、縱向和豎向應(yīng)力極值以及上、下緣應(yīng)力進(jìn)行對比分析，結(jié)果見圖7。

圖6 車輛荷載最不利加載形式

由圖7 a可知，在最不利車輛荷載作用下，連接縫縱向最大拉、壓應(yīng)力均相對較大，其次是橫向最大拉、壓應(yīng)力，而豎向最大拉、壓應(yīng)力相對較小，說明最不利荷載作用對連接縫的縱向和橫向應(yīng)力影響相對明顯。2種連接形式對連接縫縱向最大拉壓應(yīng)力影響均不大；剛接形式的連接縫橫向最大拉、壓應(yīng)力均比鉸接形式的大，分別增大了0.48MPa和0.47MPa；而鉸接形式的連接縫豎向最大拉、壓應(yīng)力均比剛接形式增大，分別增大了0.17MPa和0.33MPa。由此可知，剛接形式對連接縫橫向應(yīng)力的影響較大，鉸接形式雖然對豎向應(yīng)力有一定影響，但相對于剛接形式更好地控制了橫向應(yīng)力，更有利橋梁整體受力分布。

圖7 連接縫應(yīng)力變化曲線

由圖7 b可知，在最不利車輛荷載作用下，連接縫上、下緣應(yīng)力變化主要集中在施加荷載截面上，不同連接形式對上、下緣應(yīng)力的影響存在一定差異性，說明應(yīng)力分布與荷載位置有較大關(guān)系。剛接形式連接縫上緣均受到壓應(yīng)力作用，下緣均受到拉應(yīng)力作用；而鉸接形式上、下緣的拉、壓應(yīng)力均比剛接形式小，其應(yīng)力分布狀態(tài)更為合理。

4 實測結(jié)果對比分析

按照《工程測量規(guī)范》規(guī)范要求，對采用鉸接形式的拓寬橋梁連接縫進(jìn)行實時應(yīng)力監(jiān)測，并將實測結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對比，見圖8。

圖8 模擬與實測應(yīng)力變化曲線

由圖8可知，模擬計算得到的鉸接形式和剛接形式橋梁連接縫應(yīng)力變化趨勢，與實時監(jiān)測得到的連接縫應(yīng)力變化趨勢基本一致，其中實測結(jié)果稍大于模擬計算結(jié)果，但誤差較小。因此，橋梁剛接和鉸接形式的模擬分析結(jié)果可靠性和準(zhǔn)確性均相對較高，且與實測結(jié)果相符。

5 結(jié)語

本文以某橋梁拓寬工程為研究對象，運用有限元軟件模擬分析了在不同荷載作用下剛接和鉸接2種連接形式的橋梁連接縫應(yīng)力變化規(guī)律，并結(jié)合橋梁實測應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行了對比分析，驗證了有限元模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性及可靠性。通過對比發(fā)現(xiàn)混凝土自身的收縮、徐變特性對連接縫應(yīng)力的影響相對較大，而不均勻沉降和車載作用的影響相對較小；在不同荷載作用下，采用鉸接形式的連接縫應(yīng)力分布和受力情況均優(yōu)于剛接形式。由此可知，在僅考慮荷載效應(yīng)時，拓寬橋梁連接縫采用鉸接形式優(yōu)于剛接形式，但在實際工程中還需綜合考慮施工難度和運行成本進(jìn)行合理選擇。