公路斜橋拓寬施工階段力學(xué)分析

李鴻鑫，葛玉梅，劉羽宇

(西南交通大學(xué)，四川成都610031)

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)已修建的許多公路橋梁交通流量持續(xù)上升，公路服務(wù)水平逐漸下降，已不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，改建擴(kuò)容的必要性較為緊迫。公路橋梁在改建過(guò)程中往往要受到周邊已有建筑物的影響，為減少已有建筑物對(duì)加寬橋梁的影響，有時(shí)需采用斜交橋墩的設(shè)計(jì)方案，避免按正交橋墩設(shè)計(jì)影響其它建筑物。在預(yù)制拓寬橋主梁時(shí)，關(guān)于預(yù)制梁的存梁養(yǎng)護(hù)時(shí)間已有相關(guān)的設(shè)計(jì)研究［1］［2］，并得出具有參考意義的結(jié)論。但目前對(duì)于拓寬斜橋在拼接前后新橋位移內(nèi)力變化的研究甚少，大多是對(duì)于拓寬直線橋拼接前后橋梁內(nèi)力變化的研究［3］。

該橋?yàn)槿L(zhǎng)760.5 m的先簡(jiǎn)支后連續(xù)公路橋。本文取大橋第三聯(lián)為分析對(duì)象，因拓寬橋梁受到周邊已有道路限制，橋梁第三聯(lián)部分橋墩采用斜交方式布置，斜交部分T梁長(zhǎng)度也隨之發(fā)生變化。本文對(duì)拓寬橋預(yù)制梁的存梁時(shí)間，拓寬的新橋在與老橋拼接成整體前后的位移內(nèi)力變化進(jìn)行計(jì)算分析，得出有實(shí)際意義的存梁時(shí)間，并判斷新橋在拼接前后的位移、內(nèi)力變化是否滿足設(shè)計(jì)要求，計(jì)算結(jié)果可供類似橋梁設(shè)計(jì)時(shí)參考。

圖1 橋型布置

1 橋梁概況

橋梁上部結(jié)構(gòu)采用裝配式先簡(jiǎn)支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁結(jié)構(gòu)，由8×30 m的10片T梁構(gòu)成，下部采用圓柱式橋墩。加寬后橋?qū)挒?0.5 m=0.75 m(防撞欄)+19.25 m(行車道)+0.5 m(防撞欄)。拓寬橋結(jié)構(gòu)形式及橋跨布置與原橋基本一致，依然采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)T梁結(jié)構(gòu)，拓寬橋下部結(jié)構(gòu)與老橋不相連。主梁高度2.00 m，梁間距分別為2.1 m和2.2 m。主梁跨中肋厚0.2 m，馬蹄寬為梁兩端部均勻加厚段0.6 m、中部均勻段0.46 m。預(yù)制主梁預(yù)應(yīng)力鋼束采用φs15.2－6、φs15.2－7、φs15.2－8鋼絞線。主梁、翼緣板、橫隔板、濕接縫、現(xiàn)澆連續(xù)段均采用C50混凝土，原橋和加寬橋拼接部分濕接縫及現(xiàn)澆橫隔板采用C50的補(bǔ)償收縮混凝土。橋墩采用GJZ350×550×87板式橡膠支座;加寬橋采用相同類型支座。大橋第三聯(lián)橋下有一市政道路下穿，為了避免拓寬橋侵入市政道路，相應(yīng)的橋墩采取正交轉(zhuǎn)斜交的布置方式，斜交部分橋墩分別與T梁成19°、38°、38°、19°交角，見(jiàn)圖1。

2 有限元計(jì)算模型及計(jì)算工況

采用Midas/Civil建模計(jì)算，在整體坐標(biāo)系下X為沿橋縱向，Y為沿橋橫向，Z為豎向，橋墩編號(hào)從左至右依次排序，全橋模型如圖2。橋梁上部結(jié)構(gòu)T梁間由現(xiàn)澆縱向濕接縫連接，考慮建模方便，采用梁?jiǎn)卧桶鍐卧嘟Y(jié)合建立結(jié)構(gòu)空間模型。建立計(jì)算模型時(shí)，在不影響計(jì)算精度的前提下對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)橋梁進(jìn)行縱橫向空間分析時(shí)，不考慮縱橫向坡度。計(jì)算存梁時(shí)期T梁位移和內(nèi)力時(shí)，取T梁跨中最不利截面進(jìn)行分析。由于徐變、收縮在施工過(guò)程中會(huì)引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的變形和內(nèi)力重分布［4］，因此在計(jì)算荷載工況中根據(jù)JTG D62－2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范考慮了收縮徐變荷載。本文計(jì)算分析了橋梁不同施工階段的受力情況:為了保證橋梁成橋線形及受力狀態(tài)符合設(shè)計(jì)要求，確定各施工階段的線形是施工中最重要的任務(wù)之一，而決定上部結(jié)構(gòu)T梁每一待澆節(jié)段的預(yù)拱度尤其重要［2］。因此，必須通過(guò)合理的計(jì)算方法和理論分析使每片梁在拼接后預(yù)拱度的發(fā)展在合理的范圍。T梁預(yù)制后以簡(jiǎn)支狀態(tài)存放，此階段T梁受力狀況和邊界條件為:計(jì)算荷載是梁自重+預(yù)加力+混凝土收縮及徐變;邊界條件是左端約束豎向DZ(位移)、RX(轉(zhuǎn)角)和右端約束DZ、DX、RX。本文計(jì)算分析了該橋存梁階段正交段標(biāo)準(zhǔn)梁(下稱標(biāo)準(zhǔn)梁)，斜交段最長(zhǎng)的梁(下稱加長(zhǎng)梁)，以及斜交段最短梁(下稱最短梁)在不同存梁時(shí)期典型截面的最大位移和應(yīng)力值。

存梁6個(gè)月之后，架設(shè)T梁，澆筑T梁間縱向濕接縫和梁端現(xiàn)澆連續(xù)段，張拉負(fù)彎矩筋，橋梁完成由簡(jiǎn)支狀態(tài)向連續(xù)狀態(tài)的過(guò)度。為減小T梁預(yù)拱度的繼續(xù)發(fā)展以及張拉負(fù)彎矩筋后在橋墩處引起的負(fù)彎矩，對(duì)加寬橋進(jìn)行均載預(yù)壓，預(yù)壓值為3.3 kN/m2，預(yù)壓放置半年，并在新舊橋拼接完畢后卸除預(yù)壓荷載。此階段連續(xù)梁的受力狀況和邊界條件為:計(jì)算荷載是梁自重+預(yù)加力+混凝土收縮及徐變+等載預(yù)壓;邊界條件是1號(hào)墩邊梁和9號(hào)墩邊梁的約束為DY、DZ、RX，5號(hào)固定墩邊梁的約束為DX、DY、DZ、RX，其余支座的約束為DZ、RX。此時(shí)新老橋尚未拼接成整體，此階段重點(diǎn)考慮橋墩正交轉(zhuǎn)斜交對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響。

通過(guò)植筋、澆筑橫隔梁、張拉新老橋間預(yù)應(yīng)力連接筋將新舊主梁連接在一起，采用這種方法也可以較好地避免橋面由于新老梁的收縮徐變差異而產(chǎn)生變形差，保持橋面的平整和行車的舒適。此時(shí)新建橋梁的混凝土收縮徐變繼續(xù)發(fā)展，新橋結(jié)構(gòu)變形受到老橋的約束，會(huì)在新橋部分中產(chǎn)生約束力，同時(shí)老橋會(huì)受到大小相同的反力。此階段連續(xù)梁的受力狀況和邊界條件為:計(jì)算荷載是新橋重力+老橋結(jié)構(gòu)重力+預(yù)加力+混凝土收縮及徐變;邊界條件是老橋5號(hào)墩上的支座約束為DX、DY、DZ、RX，其余支座的約束為DZ、RX。新橋邊界條件與連續(xù)階段相同。同時(shí)因?yàn)橛捎诶蠘蛞呀ǔ?0年左右，收縮徐變基本完成，結(jié)構(gòu)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，所以本文重點(diǎn)分析拼接前后由于收縮徐變的繼續(xù)發(fā)展和老橋?qū)π聵虻募s束及在新橋部分引起的內(nèi)力變化。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 不同存梁階段位移內(nèi)力分析

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)空間模型

經(jīng)計(jì)算分析得出了不同存梁時(shí)間(3月、6月、9月、12月以及2年、3年)最大位移量及最大應(yīng)力的數(shù)值，計(jì)算結(jié)果如表1。表中位移向上為正，向下為負(fù)，拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為負(fù)。DX為橋梁縱向位移，DY為橋梁橫向位移，DZ為橋梁豎向位移，DXYZ為橋梁在X、Y、Z方向矢量位移的組合值。橋梁T梁在Y方向的位移為零，表1中未列出。由表1數(shù)據(jù)分析可知180 d時(shí)梁的跨中撓度已達(dá)到3年跨中撓度的比例分別為91.2%(標(biāo)準(zhǔn)梁)、86.3%(加長(zhǎng)梁)、90.0%(最短梁)，跨中應(yīng)力比值分別為91.8%(標(biāo)準(zhǔn)梁)、89.7%(加長(zhǎng)梁)、91.5%(最短梁)，而3年后混凝土的收縮徐變已基本完成，這一點(diǎn)在文獻(xiàn)［6］中也得到了證實(shí)。從表1可知梁在前6個(gè)月位移和應(yīng)力增長(zhǎng)最快，6個(gè)月和9個(gè)月時(shí)的位移和應(yīng)力值較接近，以后存梁階段梁的位移和應(yīng)力變化速率更加趨緩。因此，選擇將梁簡(jiǎn)支狀態(tài)存放6個(gè)月再架設(shè)，可有效避免在混凝土收縮徐變量發(fā)生最大的時(shí)間里對(duì)梁產(chǎn)生過(guò)大的變形和內(nèi)力重分布，也可有效將梁架設(shè)后的預(yù)拱度發(fā)展控制在設(shè)計(jì)規(guī)定的值內(nèi)。所以在實(shí)際施工過(guò)程中以應(yīng)提前預(yù)制混凝土梁，以確保施工質(zhì)量。

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3.2 體系轉(zhuǎn)換階段位移內(nèi)力分析

新老橋拼接前后新橋部分的位移和內(nèi)力情況見(jiàn)表2、表3、表4。分析表2可得，新橋在新老橋拼接后除Y方向由于拼接后橫向位移只能向新橋一側(cè)發(fā)展位移增加了50%左右外，其余方向以及組合位移的位移變化增加值都在15%以內(nèi)。由表3數(shù)據(jù)分析可見(jiàn)，拼接前后新橋的應(yīng)力、彎矩、扭矩?zé)o論是在數(shù)值和位置發(fā)生的變化都很小，大小變化平均在5%左右。分析表4可知，在拼接前新橋支座縱、橫向受到的力很小，由于拼接成整體后變形受到老橋的約束，新橋固定支座縱、橫向受力分別增加340 kN和670 kN，1號(hào)和9號(hào)墩受力增加了500 kN左右，但都滿足支座的設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)以上對(duì)表2、表3、表4新橋部分位移和內(nèi)力情況的對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)由于收縮徐變的繼續(xù)發(fā)展，老橋?qū)π聵蜃冃蔚募s束作用，新橋部分在拼接成整體前后最大位移、應(yīng)力、彎矩、扭矩在數(shù)值和發(fā)生的位置上都產(chǎn)生了一定的變化。由于在拼接前T梁已經(jīng)存放了6月之久，T梁的收縮徐變已完成了絕大部分，所以在拼接前后新橋部分的位移和內(nèi)力值雖發(fā)生了變化，但都在可控范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)安全造成影響。

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4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)拓寬斜橋存梁階段和新橋拼接成整體前后階段考慮收縮徐變對(duì)橋梁的影響分析得出如下結(jié)論。

(1)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)收縮徐變作用逐漸減弱，結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力的變化也逐漸趨于停止，2年后位移和內(nèi)力數(shù)值變化率均小于5%。

(2)在180 d時(shí)收縮徐變已完成了全部收縮徐變的90%左右，因此我們建議實(shí)際施工中主梁吊裝過(guò)程不要太倉(cāng)促，讓主梁保持在簡(jiǎn)支狀態(tài)的時(shí)間不宜少于180 d，這樣混凝土有足夠的時(shí)間完成大部分的收縮徐變，從而使后續(xù)的成橋階段受到很小的收縮徐變的影響，不至于出現(xiàn)拼接橋梁在拼接部分常出現(xiàn)的混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象［6］。在本文橋梁拼接前后的位移內(nèi)力對(duì)比分析中此方法也得到了很好的印證。

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［6］沈玉強(qiáng)，咸淼．混凝土收縮徐變對(duì)連續(xù)橋梁體系轉(zhuǎn)換的影響［J］．山西建筑，2009，35(15):313－314

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