陳堯三

（華匯工程設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司）

1 引言

為了有效利用尚能正常運(yùn)營(yíng)的老橋且有效提升橋梁的通行能力[1-2]，橋梁拼寬技術(shù)在橋梁改造中已是得到廣泛應(yīng)用[3]。目前，橋梁拼寬的研究主要集中在設(shè)計(jì)和承載力計(jì)算方面[4-6]，對(duì)其橫向連接的研究還較少。混凝土空心板橋最主要的橫向連接方式是鉸縫連接，但鉸縫是空心板梁橋的薄弱環(huán)節(jié)，一旦出現(xiàn)開(kāi)裂，其性能會(huì)急劇下降，直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的橫向傳力特性，削弱結(jié)構(gòu)整體受力性能。為提高拼寬橋梁的橫向連接性能，本文以實(shí)際工程為背景，提出采用剛性連接替代鉸縫，并對(duì)剛接空心板進(jìn)行了設(shè)計(jì)。針對(duì)拼寬后的橋梁進(jìn)行了荷載試驗(yàn)，以對(duì)其整體受力性能進(jìn)行評(píng)估。所得結(jié)果對(duì)拼寬橋梁的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。

2 工程概況

后童橋位于浙江紹興楊漁線(xiàn)老路拼寬段，老橋上部結(jié)構(gòu)采用2m×20m 簡(jiǎn)支先張法空心板，下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)采用肋板臺(tái)。拼寬橋梁上部結(jié)構(gòu)采用4 片2m×20m 簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力混凝土空心板。橋面連續(xù)，下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)一字臺(tái)。橋墩均采用樁柱式，墩臺(tái)均采用樁基礎(chǔ)。老橋設(shè)計(jì)荷載為汽-20。為提高拼寬部分與老橋的橫向聯(lián)系，避免鉸縫連接造成的后期病害，拼寬部分空心板采用剛性連接方式。圖1 為橋梁拼寬改造的結(jié)構(gòu)示意圖。

3 剛接空心板設(shè)計(jì)計(jì)算

為提高混凝土空心板的受力性能，提出拼寬部分采用后張法預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，取消了傳統(tǒng)鉸縫構(gòu)造，采用剛性連接，其截面形式如圖2所示。

圖2 剛接空心板截面形式

空心板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C50，預(yù)應(yīng)力鋼絞線(xiàn)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1860MPa。采用橋梁博士V3.6.0.橋梁分析專(zhuān)用有限元程序，并以《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）和《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362-2018）為標(biāo)準(zhǔn)，按照A類(lèi)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。單梁計(jì)算有限元模型如圖3所示。

圖3 單梁有限元模型

圖4給出了荷載基本組合下空心板正最大彎矩和抗彎承載力。最大彎矩出現(xiàn)在跨中位置為2428.13kN·m，空心板最大抗彎承載力為3716.64kN·m。空心板各截面彎矩值均小于其抗彎承載力，正截面抗彎承載力滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖4 空心板最大彎矩及其抗力圖（kN·m）

表1 和表2 進(jìn)一步給出了荷載短期效應(yīng)組合和長(zhǎng)效應(yīng)組合下混凝土應(yīng)力值。由表可知，在正常使用極限狀態(tài)下，空心板上下緣的應(yīng)力在允許范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)抗裂性滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表1 短期效應(yīng)組合抗裂驗(yàn)算表

表2 長(zhǎng)期效應(yīng)組合抗裂驗(yàn)算表

持久狀況的結(jié)構(gòu)計(jì)算采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)組合，空心板混凝土應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如表3 所示。由表可知，空心板上下緣混凝土應(yīng)力均小于允許值。最大預(yù)應(yīng)力筋拉應(yīng)力1180MPa，表明結(jié)構(gòu)應(yīng)力滿(mǎn)足規(guī)范要求。

表3 持久狀況混凝土應(yīng)力驗(yàn)算表

4 靜載試驗(yàn)

4.1 計(jì)算分析

由于后童橋?yàn)楹?jiǎn)支梁橋，采用Midas Civil 中對(duì)其中1跨進(jìn)行靜力分析。為有效反映橋梁橫向受力特點(diǎn)，采用梁格法建立有限元模型，兩端邊界條件為簡(jiǎn)支，如圖5所示。

圖5 橋梁有限元模型

圖6為設(shè)計(jì)移動(dòng)荷載作用下的彎矩包絡(luò)圖。由圖可知，在移動(dòng)荷載作用下，混凝土空心板最大彎矩為332.5kN·m，出現(xiàn)在簡(jiǎn)支梁跨中。

圖6 移動(dòng)荷載工況橋梁彎矩包絡(luò)圖

依據(jù)橋跨結(jié)構(gòu)的活載內(nèi)力包絡(luò)圖并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件，確定第2跨跨中截面為測(cè)試截面。

4.2 測(cè)點(diǎn)布置

在測(cè)試截面每片梁底布置1個(gè)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)和撓度測(cè)點(diǎn)，分別布置于空心板梁底緣。全橋共布置應(yīng)變和撓度測(cè)點(diǎn)各12個(gè)，如圖7和圖8。為消除試驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境溫度變化的影響，按要求布置溫度補(bǔ)償應(yīng)變片。豎向撓度采用全站儀觀測(cè)。除跨中截面外，在簡(jiǎn)支梁兩端分別布置相同數(shù)量的位移測(cè)點(diǎn)，用于修正試驗(yàn)過(guò)程中支座變形對(duì)撓度測(cè)試結(jié)果的影響。

圖7 應(yīng)變布置示意圖（單位：cm）

圖8 測(cè)試截面撓度測(cè)點(diǎn)布置（單位：cm）

4.3 加載工況

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011），靜力試驗(yàn)荷載的效率系數(shù)ηq取值范圍為0.95≤ηq≤1.05。

式（1）中：SS為靜力試驗(yàn)荷載作用下，跨中最大計(jì)算彎矩，kN·m；S'為設(shè)計(jì)荷載下跨中控制截面最不利彎矩值，kN·m；μ為沖擊系數(shù)值。

為保證測(cè)試截面加載效率達(dá)到規(guī)范要求，根據(jù)Midas Civil計(jì)算分析，采用4輛總重為380kN的加載車(chē)進(jìn)行加載。試驗(yàn)車(chē)輛按跨中截面彎矩最不利位置進(jìn)行布載，橫橋向分為中載和偏載兩個(gè)工況。如圖9所示。

圖9 試驗(yàn)荷載橫橋向偏載布置（單位：cm）

各工況中試驗(yàn)荷載對(duì)測(cè)試截面產(chǎn)生的荷載效應(yīng)和標(biāo)準(zhǔn)荷載效應(yīng)的最大值如表4所示。

表4 荷載試驗(yàn)效應(yīng)與設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)的對(duì)比

5 靜載試驗(yàn)結(jié)果

5.1 應(yīng)變

圖10 是兩種工況下各混凝土空心板梁底應(yīng)變理論值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比。由圖可知，無(wú)論是中載還是偏載工況，空心板梁應(yīng)變分布與荷載作用形式較為吻合，各梁應(yīng)變變化平順，在拼寬處未出現(xiàn)明顯突變，拼寬橋梁橫向聯(lián)系可靠，結(jié)構(gòu)整體受力較好。

圖10 應(yīng)變理論值與試驗(yàn)值比較

在中載荷載工況下，空心板最大實(shí)測(cè)應(yīng)變?yōu)?9με，出現(xiàn)在5#梁。各梁應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.50-0.69。偏載工況最大應(yīng)變出現(xiàn)在邊梁，為67με，各梁應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.61～0.83。在卸載后，橋梁相對(duì)殘余應(yīng)變最大為5.43%。應(yīng)變測(cè)試結(jié)果表明，拼寬的4片矮箱梁與原有空心板的強(qiáng)度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

5.2 撓度

圖11 是兩種工況下各混凝土空心板豎向撓度理論值和實(shí)測(cè)值的對(duì)比，可知在中載工況，老橋6#、7#、8#空心板的撓度較大，分別為7.2mm、6.9mm、6.6mm，但仍小于理論值，中載撓度校驗(yàn)系數(shù)0.53～0.76。偏載工況最大撓度也出現(xiàn)在邊梁，為6.5mm，各梁撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.61～0.83。卸載后，橋梁相對(duì)殘余應(yīng)變最大為5.56%。撓度測(cè)試結(jié)果表明，拼寬橋梁整體處于彈性工作狀態(tài)，其剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖11 應(yīng)變理論值與試驗(yàn)值比較

6 結(jié)語(yǔ)

本文以實(shí)際工程為背景，提出采用剛性連接替代鉸縫，并對(duì)剛接空心板進(jìn)行了設(shè)計(jì)。制定了橋梁荷載試驗(yàn)方案。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)對(duì)拼寬橋梁的整體受力性能進(jìn)行了評(píng)估。可以得到以下結(jié)論。

①提出的剛接空心板的承載能力和抗裂性能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

②試驗(yàn)測(cè)得空心板梁應(yīng)變和撓度與荷載作用形式較為吻合，各梁應(yīng)變和撓度變化平順，在拼寬處未出現(xiàn)明顯的突變，表明橋梁橫向聯(lián)系可靠，結(jié)構(gòu)整體受力較好。

③實(shí)測(cè)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.50～0.83 之間，撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.47～0.78，表明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

④與傳統(tǒng)混凝土鉸縫相比，剛性連接橫向受力性能良好，且可避免鉸縫后期開(kāi)裂等病害，具有較好的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。