拼寬T梁橋結(jié)構(gòu)受力性能研究

楊林愷，曹智驊

（江西省公路科研設(shè)計(jì)院有限公司，江西 南昌 330002）

0 引言

隨著城市路網(wǎng)的逐步完善，路網(wǎng)增加量已趨于飽和，城市交通的發(fā)展階段已邁入存量階段。目前看來服役橋梁基本可以滿足現(xiàn)代的通行需求，但隨著城市化帶來的交通壓力增長日漸顯著，在滿足經(jīng)濟(jì)性原則的基礎(chǔ)上充分利用既有橋梁結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)進(jìn)行加寬加固，減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失是十分關(guān)鍵的。加寬時(shí)新建橋梁上部結(jié)構(gòu)與既有橋梁上部結(jié)構(gòu)的連接是拼寬橋梁的研究熱點(diǎn)之一，目前國內(nèi)外對(duì)拼寬既有橋梁的研究成果概述如下：許有勝[1]等人依托實(shí)際工程通過建立有限元拼寬模型，得出認(rèn)為上部拼寬采用剛性連接的情況下，為保證不產(chǎn)生過大的應(yīng)力，基礎(chǔ)沉降差應(yīng)控制在5 mm以內(nèi)。袁磊[2]等人采用有限元分析方法對(duì)上部結(jié)構(gòu)采用剛性連接的連續(xù)剛構(gòu)橋拓寬工程進(jìn)行分析，得出結(jié)論拓寬工程采用剛性連接時(shí)對(duì)提高舊橋結(jié)構(gòu)的承載能力與正常使用能力有益，推薦采用剛性連接作為拓寬橋梁的主要連接方式。溫慶杰[3]等人采用錯(cuò)位法對(duì)拼寬空心板橋梁收縮徐變效應(yīng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明收縮徐變對(duì)舊橋影響以縱向受壓為主，而對(duì)新橋則會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，此受力狀態(tài)對(duì)舊橋受力狀態(tài)有利，新橋不利。Harik,I.E[4]等人結(jié)合布倫特-斯賓塞橋的實(shí)測(cè)動(dòng)力數(shù)據(jù)，分析了拼寬后橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)對(duì)有限元模型進(jìn)行修正，為后續(xù)拼寬結(jié)構(gòu)研究打下鋪墊。Bendat J S[5]等人基于功率譜密度的峰值法對(duì)拼寬橋梁采集到的動(dòng)力數(shù)據(jù)進(jìn)行甄別，剔除了由于環(huán)境振動(dòng)采集到的“白噪聲”，從動(dòng)力學(xué)的角度建立拼寬橋梁有限元模型并進(jìn)行了動(dòng)力分析。由此可見，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)拼寬橋梁研究范圍較廣，但對(duì)于拼寬橋梁上部結(jié)構(gòu)的受力特性分布還有一定的空白。

1 拼寬橋梁設(shè)計(jì)原則

舊橋的拼寬應(yīng)盡量考慮設(shè)計(jì)到施工的每個(gè)環(huán)節(jié)，盡可能地節(jié)約資金成本來降低工程造價(jià)。依據(jù)拼寬橋梁上下部結(jié)構(gòu)的連接形式可分為上下部結(jié)構(gòu)均不連接，上下部結(jié)構(gòu)均連接，上部結(jié)構(gòu)連接下部結(jié)構(gòu)不連接三種形式，其中由于新舊橋沉降差異問題上下部結(jié)構(gòu)均連接設(shè)計(jì)原則通常不采用，而對(duì)于上下部結(jié)構(gòu)均不連接方式的缺點(diǎn)在于新舊橋梁上部結(jié)構(gòu)銜接處有明顯的變形不協(xié)調(diào)，易造成連接處的橋面鋪裝破損，故也較少采用。實(shí)際工程常采用上部結(jié)構(gòu)連接下部結(jié)構(gòu)不連接形式。

1.1 新舊橋梁柔性連接

新舊橋梁柔性連接是指新舊橋翼緣板僅有部分鋼筋綁扎，且采用鋼纖維混凝土澆筑銜接處，銜接處上部結(jié)構(gòu)采用柔性材料進(jìn)行填充，銜接處下部切口塞入木條。其力學(xué)連接本質(zhì)在于連接處等同鉸接，受施工因素影響較大，且力學(xué)特性的體現(xiàn)與橋面鋪裝層的剛度直接相關(guān)，若采用剛性路面結(jié)構(gòu)可能會(huì)改變連接鉸縫的受力機(jī)理，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。

圖1 拼寬鉸接柔性連接示意圖

1.2 新舊橋梁剛性連接

新舊橋梁連接處采用剛性連接，工程上常用處理方式是將翼緣板鑿除一定長度，通過現(xiàn)澆方式在新舊上部結(jié)構(gòu)連接處設(shè)置多道橫隔板來保證受力一致。通過加設(shè)橫隔板可以顯著提高新舊橋梁橫向連接剛度，有時(shí)會(huì)根據(jù)結(jié)構(gòu)受力要求去判斷是否設(shè)置橫向預(yù)應(yīng)力鋼束。

圖2 拼寬橋梁剛性連接示意圖

2 拼寬橋梁橫向受力影響因素

現(xiàn)階段對(duì)拼寬T梁橋既有工程來說通常采用上部結(jié)構(gòu)連接，下部結(jié)構(gòu)不連接的拼寬設(shè)計(jì)原則，且從施工便利性和后期養(yǎng)護(hù)成本出發(fā)，剛性連接較柔性連接有顯著的優(yōu)勢(shì)，接縫處常采用剛性連接作為拼寬T梁橋的連接方式。

2.1 沉降差橫向受力影響

由于新舊橋梁的竣工時(shí)間存在差異，基礎(chǔ)的沉降差會(huì)導(dǎo)致接縫處應(yīng)力水平增加，過大的沉降差甚至?xí)?dǎo)致橋梁橫向連接直接失效，從而導(dǎo)致加固方案失敗，影響后續(xù)行車安全，固為確保銜接部位的正常工作，研究基礎(chǔ)沉降差是必不可少的一件工作[6]。新橋基礎(chǔ)沉降會(huì)導(dǎo)致新橋和舊橋銜接處的混凝土產(chǎn)生過大的橫向拉應(yīng)力，這種拉應(yīng)力超過混凝土材料自身的拉應(yīng)力限值就會(huì)產(chǎn)生順橋向裂縫。上部結(jié)構(gòu)的剛性連接，會(huì)在拼寬處產(chǎn)生較大的橫向彎矩，也會(huì)在連接處產(chǎn)生較大的剪力。在進(jìn)行有限元分析時(shí)默認(rèn)舊橋基礎(chǔ)固結(jié)沉降已經(jīng)完成，不再發(fā)生后續(xù)沉降，相對(duì)沉降差按新建橋梁的絕對(duì)沉降值來考慮。橋梁剛性顯著高于土體，為簡(jiǎn)化分析，拼寬工程的新建橋梁沉降按線形沉降來進(jìn)行考慮。

圖3 拼寬橋梁線形沉降示意圖

2.2 收縮徐變對(duì)拼寬橋梁橫向受力影響

收縮徐變對(duì)拼寬橋梁橫向受力的影響主要指在新橋發(fā)生收縮徐變時(shí)對(duì)新舊橋梁銜接處應(yīng)力水平的影響。通常認(rèn)為進(jìn)行拼寬設(shè)計(jì)的舊橋上部結(jié)構(gòu)收縮徐變已充分完成，而新建拼寬橋的混凝土收縮徐變才剛剛開始，受到既有橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部邊界條件的約束作用，新舊橋存在收縮徐變時(shí)間應(yīng)力差，新橋部分主梁的收縮將會(huì)引起舊橋的彎曲變形，同時(shí)新的主梁收縮應(yīng)力也對(duì)舊橋產(chǎn)生影響，會(huì)引起整體橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力重分布，如果產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度極限值會(huì)使主梁橫向發(fā)生開裂現(xiàn)象，降低橋梁結(jié)構(gòu)的安全可靠性，故分析新舊橋梁收縮徐變對(duì)拼寬橫向連接處的影響同樣是必要的[7]。

3 模型驗(yàn)證

基于某路網(wǎng)橋梁作為工程背景，上部結(jié)構(gòu)采用25 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁，僅橋面連續(xù)，原橋梁結(jié)構(gòu)橫向由4片T梁組成，現(xiàn)今根據(jù)交通發(fā)展需求，要求單側(cè)加寬一片T梁。橋梁加寬原則采用上部連接下部分離的形式，為保證景觀協(xié)調(diào)采用相同截面類型、相同跨徑來進(jìn)行加寬。采用ANSYS有限元分析軟件建立上部結(jié)構(gòu)拼寬模型，按照實(shí)體節(jié)點(diǎn)耦合模擬現(xiàn)澆橫隔板，新建橋梁混凝土等級(jí)采用比原橋梁結(jié)構(gòu)高一級(jí)的C50混凝土。

圖4 有限元結(jié)構(gòu)模型

在有限元模型中假設(shè)單片主梁的抗彎慣性矩為I，在4號(hào)主梁跨中截面處施加豎向單位集中荷載F，提取跨中截面的位移曲線得到跨中截面節(jié)點(diǎn)位移分布，將其簡(jiǎn)單處理即可得到拓寬前后的荷載橫向分布曲線如圖5所示。

圖5 拓寬前后4號(hào)主梁的荷載橫向分布曲線

根據(jù)4號(hào)主梁的橫向分布曲線可以看出，采用剛性連接形式進(jìn)行拼寬的橋梁結(jié)構(gòu)，加固后的橫向分布系數(shù)較拼寬之前舊橋結(jié)構(gòu)橫向分布系數(shù)有所降低，說明了新建拼寬結(jié)構(gòu)承擔(dān)一部分舊橋結(jié)構(gòu)的受力工作，同時(shí)橋梁截面的整體抗彎剛度與抗扭剛度的增大提高了舊橋結(jié)構(gòu)的承載能力，橫向分布系數(shù)在新舊結(jié)構(gòu)銜接連接位置發(fā)生突變。對(duì)5號(hào)主梁支座邊界面處施加強(qiáng)制豎向位移2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm來模擬基礎(chǔ)發(fā)生的不均勻沉降，順橋向結(jié)果與橫橋向計(jì)算結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 拼寬接縫處4號(hào)主梁剪力值縱橋向分布

圖7 支點(diǎn)位置接縫處剪力橫向分布

可以看出沉降差對(duì)主梁近支點(diǎn)截面剪力影響較大，支點(diǎn)的剪力可以直接反映出支座的反力變化趨勢(shì)，從結(jié)果來看差集和橫向分布曲線近似認(rèn)為是非線性關(guān)系，通過新舊橋接縫采用的C50混凝土抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，反算得到5號(hào)主梁沉降超過7 mm會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性產(chǎn)生影響，即加寬工程的相對(duì)沉降差不應(yīng)超過7 mm。在軟件中通過施加溫度差荷載來間接模擬混凝土結(jié)構(gòu)的收縮徐變時(shí)間差的影響，由圖8可以看出在拼寬初期剪力水平較高，隨著時(shí)間增長拼寬處剪力水平不斷降低，可近似認(rèn)為新建拼寬主梁6個(gè)月后收縮徐變開始趨于穩(wěn)定，后續(xù)剪力水平的變化幅度不大。

圖8 收縮徐變影響隨時(shí)間變化趨勢(shì)

4 結(jié)論

本文首先介紹了拼寬橋梁的設(shè)計(jì)原則以及影響拼寬橋梁受力特性的外部荷載因素，采用有限元模型對(duì)拼寬T梁橋在沉降差以及收縮徐變差影響下的受力進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明橋梁進(jìn)行拼寬處理后，主梁的橫向分布系數(shù)有所降低，越靠近拼寬接縫處主梁橫向分布系數(shù)下降幅度越大，即靠近拼寬處的主梁承載能力提升明顯。隨著相對(duì)沉降差的增加，各主梁的附加應(yīng)力均增大，且由于剛度原因支點(diǎn)位置處的內(nèi)力變化幅度顯著大于跨中位置處。分析收縮徐變對(duì)拼寬橋梁內(nèi)力隨時(shí)間的影響趨勢(shì)可以看出，內(nèi)力變化在最初的半年內(nèi)變化較大，半年之后下降幅度明顯減少，一年之后趨于穩(wěn)定，可以認(rèn)為收縮徐變?cè)谝荒曛髮?duì)拼寬T梁橋的橫向受力影響可忽略不計(jì)。根據(jù)模型分析結(jié)果建議在后續(xù)拼寬橋梁工程實(shí)踐中，建議支點(diǎn)處采取增加橫隔板的方式提高拼寬橋梁橫向連接剛度，且新橋施工后對(duì)新橋基礎(chǔ)采取預(yù)壓的方式，使其盡早完成沉降固結(jié)，并加強(qiáng)基礎(chǔ)的沉降監(jiān)測(cè)工作，減少沉降差對(duì)拼寬主梁受力的影響。連接接縫位置混凝土可采用抗拉能力較強(qiáng)的鋼纖維混凝土，以此增加抗拉強(qiáng)度，為橋梁后續(xù)的服役安全提供保障。