錯孔布置混凝土連續(xù)梁拓寬技術(shù)研究

魏海偉，宗 海

（1.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088；2.南京長江第四大橋有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210033）

錯孔布置混凝土連續(xù)梁拓寬技術(shù)研究

魏海偉1，宗 海2

（1.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088；2.南京長江第四大橋有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210033）

以某分離式立交橋?yàn)槔?，對以錯孔布置方式進(jìn)行橫向拓寬的連續(xù)箱梁橋橫向拓寬方案的可行性進(jìn)行了研究。依據(jù)梁格法原理，應(yīng)用有限元軟件Midas Civil 2010建立梁格法模型，著重計(jì)算分析舊橋在拓寬前后的內(nèi)力變化，并以此為依據(jù)來進(jìn)行該橋的橫向拓寬可行性分析，可供類似橋梁的橫向拓寬方案研究參考。

錯孔布置；連續(xù)箱梁橋；梁格法；可行性；受力性能

隨著交通量的不斷增加，我國較早建設(shè)的高速公路，出現(xiàn)了嚴(yán)重的交通擁堵現(xiàn)象，影響了道路的通行能力與服務(wù)水平，為此不得不考慮建設(shè)第二通道或者擴(kuò)建以緩解日趨緊張的交通壓力。高速公路擴(kuò)建工程中很重要的問題是如何對已有橋梁進(jìn)行拓寬。國內(nèi)在高速公路橋梁拓寬技術(shù)方面進(jìn)行了很多研究，尤其是在中小跨徑的T梁、I梁和空心板梁的拓寬技術(shù)研究上取得了一定成績，拓寬工藝也逐漸成熟［1］。

但國內(nèi)高速公路橋梁已拓寬實(shí)例中涉及錯孔布置混凝土連續(xù)梁拓寬結(jié)構(gòu)不多，這種橋型的橫向拓寬將使舊橋的受力狀態(tài)趨于復(fù)雜，尤其是舊橋由原先的連續(xù)箱梁橋變?yōu)檫吔鐥l件復(fù)雜的連續(xù)箱梁橋,其力學(xué)性能與原有橋梁會有很大的不同，迫切需要對這種錯孔布置的橋梁橫向拼接問題作一完整的力

1 工程概況

學(xué)性能研究,從而對其橫向拼接的可行性作出更為合理的評價(jià)。本文分析研究了某分離式立交橋的錯孔布置橫向拓寬可行性問題，通過分析舊橋在拓寬前后內(nèi)力的變化規(guī)律來判斷拓寬工程是否可行。

某分離式立交橋位于沂淮高速公路，主線樁號為K6+7 720.06～K14+000。主橋?yàn)?孔等截面連續(xù)箱梁橋，橋?qū)?7.0 m，凈空為5.0 m，如圖1所示。

橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽—超20，掛—120；地震基本烈度為8°。橋面鋪裝如下：先澆5 cm混凝土，涂FYT-I型防水劑，再鋪9 cm瀝青混凝土。箱梁采用滿堂支架現(xiàn)澆法施工，左右半橋跨徑不相同。橋梁橫坡由箱梁整體轉(zhuǎn)動2%完成，箱梁采用50號混凝土。如圖2所示。

圖1　 全橋平面布置圖（單位：cm）

圖2　 箱梁截面（左幅）（單位：cm）

圖3　 舊橋拼寬后平面圖（左幅）（單位：cm）

2 橋梁拓寬方案

本橋左右兩幅為分離式，設(shè)計(jì)方案采用在每一幅橋的外側(cè)進(jìn)行拓寬。舊橋單幅寬度為13.5 m，拓寬部分新橋?qū)挾葹?.0 m。原橋是單箱雙室連續(xù)箱梁橋，新拓寬橋梁擬采用單箱單室連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，兩者跨徑數(shù)量一致。由于舊橋與被交道路有一定的斜交角度，因此橫向拓寬時新舊橋之間的中支點(diǎn)不可能在同一橫斷面上，即新舊橋的中支點(diǎn)縱向是錯開布置的，同時跨徑布置相互錯開，形成了錯孔布置方式的橫向拓寬形式。舊橋左幅跨徑為（31.60+40+25.06）m，新橋跨徑為（36.25 + 40 + 20.41）m，形成錯孔布置的拓寬結(jié)構(gòu)，如圖3所示。新舊橋之間采用鉸接連接。

圖3　 舊橋拼寬后平面圖（左幅）（單位：cm）

現(xiàn)選取左半幅進(jìn)行有限元模型設(shè)計(jì)來研究拓寬后主梁的受力狀態(tài)分析，擬采用兩個工況進(jìn)行計(jì)算分析：

（1）工況1：建立舊橋受力模型，按照設(shè)計(jì)要求計(jì)算其關(guān)鍵截面的內(nèi)力值。

（2）工況2：采用梁格法建立新、舊橋拼寬后的整體受力模型。為了分析新舊橋橫向拼接完成以后，由于結(jié)構(gòu)形式、邊界條件以及各種作用的變化給舊橋截面受力帶來的內(nèi)力影響，著重考慮新橋混凝土收縮徐變、新橋基礎(chǔ)沉降、活載作用等對舊橋結(jié)構(gòu)的影響，分析拼接后舊橋的內(nèi)力變化值［2］。

基于上述力學(xué)分析結(jié)果，綜合判斷舊橋在橫向拼接前后內(nèi)力變化是否能夠滿足規(guī)范要求。如果滿足要求，表明新舊橋以錯孔布置方式進(jìn)行橫向拼接是可行的。

3 計(jì)算分析

3.1 拓寬前主梁受力狀態(tài)分析

拓寬前舊橋模型采用Midas Civil 2010進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)用梁格法進(jìn)行分析。共建立了381個節(jié)點(diǎn)、652個單元，有限元模型如圖4所示。

圖4　 舊橋有限元模型圖

3.2 拓寬前舊橋承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

對于拓寬前老橋按老規(guī)范進(jìn)行承載力驗(yàn)算：

（1）活載

設(shè)計(jì)采用2車道，實(shí)際采用3車道進(jìn)行驗(yàn)算。

（2）附加荷載

非線性溫度，拓寬前舊橋按85規(guī)范規(guī)定，取橋面板整體升降溫5 ℃考慮；整體升溫，計(jì)算體系取升溫、降溫各20 ℃；支座沉降，舊橋按相鄰橋墩0.5 cm的不均勻沉降考慮。

舊橋的驗(yàn)算以主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件進(jìn)行分析。為便于分析，取舊橋關(guān)鍵截面進(jìn)行考察，如圖5所示。

圖5　 驗(yàn)算截面圖示

對于舊橋主梁驗(yàn)算，根據(jù)《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》（JTJ 023—85）［3］規(guī)定，作用效應(yīng)組合可分為3種情況：

①組合Ⅰ：汽車—超20級與永久作用效應(yīng)進(jìn)行組合；

②組合Ⅱ：汽車—超20級與永久作用效應(yīng)以及其他可變作用效應(yīng)進(jìn)行組合。

③組合Ⅲ：平板掛車或履帶車，與結(jié)構(gòu)重量、預(yù)加應(yīng)力、土的重力及土側(cè)壓力的一種或幾種相組合”。

經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，對于舊橋主梁驗(yàn)算，組合Ⅲ的效應(yīng)及組合Ⅰ及組合Ⅱ兩者中的設(shè)計(jì)值（兩種組合下的最值）相比較小，故取組合Ⅰ及組合Ⅱ進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

根據(jù)《公路舊橋承載能力鑒定方法》，舊橋承載力須乘以0.9的舊橋檢算系數(shù)。舊橋彎矩和剪力值如表1、表2所示。

3.3 拓寬后主梁受力狀態(tài)分析

分析模型采用Midas Civil 2010進(jìn)行計(jì)算，采用梁格法建立新、舊橋拼寬后的整體受力模型。為了分析新舊橋橫向拼接完成以后，由于結(jié)構(gòu)形式、邊界條件以及各種作用的變化給舊橋的截面受力帶來的內(nèi)力影響，著重考慮新橋混凝土收縮徐變、基礎(chǔ)沉降、活載作用等對舊橋結(jié)構(gòu)的影響，分析拼接后舊橋的內(nèi)力變化值。拓寬后拼接縫采用橫梁單元模擬，全橋整體模型共計(jì)單元1 283個，節(jié)點(diǎn)738個，有限元模型如圖6所示。

表1　 拓寬前舊橋彎矩 kN·m

3.4 拓寬后舊橋承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

（1）活載

活載：設(shè)計(jì)采用4車道，實(shí)際采用5車道進(jìn)行驗(yàn)算。對老橋主梁進(jìn)行驗(yàn)算時考慮圖7所示的布置形式。

（2）附加荷載

非線性溫度，拓寬結(jié)構(gòu)按《公路橋涵通用規(guī)范》JTG D60—2004）［4］橋面板最高溫度T1取14 ℃、T2取5.5 ℃，豎向日照反溫差為正溫差乘以-0.5。拓寬后新舊橋部分的計(jì)算體系都取升溫、降溫各20 ℃。在連接后整體計(jì)算時，假設(shè)舊橋沉降已終止，新橋按照基礎(chǔ)工后沉降量0.5 cm的不均勻沉降進(jìn)行最不利組合。拓寬后新舊橋連接后整體計(jì)算時，假設(shè)舊橋收縮徐變已終止，只考慮新橋的收縮徐變對全橋的影響。

表2　 拓寬前舊橋剪力 kN

圖6　 拓寬后全橋有限元模型圖示

圖7　 活載布置方式（單位：cm）

拓寬后舊橋彎矩和剪力值如表3、表4所示。

3.5 拓寬前后主梁內(nèi)力變化對比和分析

對比拓寬前后彎矩和剪力的變化可知：彎矩變化較大的截面，主要集中在1#支座處、第1跨（4#）、第2跨（9#）處，但拓寬前后這些截面均未超出其承載能力。根據(jù)分析，橋墩處截面彎矩的變化主要是由橋墩基礎(chǔ)沉降引起，第1跨第2跨（9#）處截面的彎矩變化主要是由活載作用引起，收縮徐變等其他作用影響較小。

表3　 拓寬后舊橋彎矩 kN·m

根據(jù)舊橋承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果及內(nèi)力變化情況對比可知舊橋主梁內(nèi)力是符合規(guī)范要求的，即該分離式立交是可以進(jìn)行橫向拓寬的，但是由于部分截面承載力富余度較小，建議結(jié)合舊橋現(xiàn)有使用狀態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，綜合判斷舊橋是否需要加固補(bǔ)強(qiáng)或者無需采取措施即可進(jìn)行橫向拓寬。

4 結(jié)語

由于交通量的持續(xù)增長，目前許多已建的高速公路需要進(jìn)行橫向拓寬，相應(yīng)沿線各座橋梁也需要橫向拓寬，錯孔布置拓寬后由于結(jié)構(gòu)形式、邊界條件以及各種作用的變化，需對舊橋拓寬前后進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算，驗(yàn)算應(yīng)按照“新橋新規(guī)范、老橋老規(guī)范”的原則進(jìn)行。本論文通過對某分離式立交橫向拓寬的可行性分析，以研究錯孔布置橋梁橫向拓寬的可行性分析方法，為類似橋梁的橫向拓寬方案研究提供參考。

表4　 拓寬后舊橋剪力 kN

［1］江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司橋梁設(shè)計(jì)研究所.京滬高速公路（淮安至江都段）擴(kuò)建工程橋梁拓寬關(guān)鍵技術(shù)研究中間報(bào)告［R］.2009.

［2］林峰.錯孔布置變截面連續(xù)梁拓寬結(jié)構(gòu)的研究［D］.南京：東南大學(xué)，2011.

［3］JTJ 023—85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［S］.

［4］JTG D60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.

Study on Broadening Technology for A Concrete Continuous Beam with Staggered Arrangement

Wei Haiwei1, Zong Hai2
（1. CCCC Highway Consultants CO., Ltd, Beijing 100088, China; 2. Nanjing Yangtze River Fourth Bridge Co., Ltd, Nanjing 210033, China）

This paper studied the feasibility of the broadening scheme of a concrete continuous beam structure with staggered arrangement based on a separated interchange bridge.According to principle of grillage method ,this paper established grillage method model by using finite element software Midas Civil 2010. It emphatically calculated and analyzed the internal force redistribution of the main girder before and after broadening, and then the feasibility analysis of bridge broadening were given. It could provide a reference for similar bridges' broadening plan .

staggered arrangement; continuous box-girder bridge; grillage method; feasibility; mechanical performance

U441+5

A

1672-9889（2016）04-0028-04

魏海偉（1986-），男，山東菏澤人，工程師，主要從事橋梁檢測評估、加固設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)計(jì)算等工作。

2015-09-28）