一聯(lián)兩端采用鋼板拼接的拓寬長聯(lián)橋梁結(jié)構(gòu)驗算方法

■李占鋒

(河北省高速公路石安改擴(kuò)建籌建處，邯鄲 050000)

1 前言

五跨內(nèi)連續(xù)的混凝土連續(xù)梁橋內(nèi)力分布情況不會發(fā)生較大變化，僅需考慮溫度效應(yīng)對支座伸縮量的影響，故跨數(shù)達(dá)到或超過五跨時稱為多跨長聯(lián)混凝土連續(xù)梁橋(簡稱長聯(lián)橋梁)[1]。伴隨著施工經(jīng)驗的成熟和施工裝備的完善，長聯(lián)橋梁的跨數(shù)已超過十跨，單聯(lián)長度也已超過400m[2]。

長聯(lián)橋梁可以采用常用的三種橋梁拼寬方法，但是長聯(lián)橋梁新、舊混凝土收縮和徐變差的影響更為突出。方志[3]的研究成果表明新、舊橋混凝土收縮和徐變差會導(dǎo)致拓寬后的橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的橫橋向變形。高巖[4]、嚴(yán)國兵[5]的研究結(jié)果表明采用翼緣剛性拼接的一次性整體拼接方式對新、舊橋結(jié)構(gòu)受力有影響，并從混凝土收縮和徐變、車輛荷載和新、舊橋基礎(chǔ)沉降差三方面提出若干條改善結(jié)構(gòu)受力性能的建議。劉桂紅[6]的研究表明采用剛性拼接的方式可減少新舊橋混凝土收縮和徐變差，端部宜采用剛性橫梁拼接以平衡新、舊橋撓度角差，同時建議新橋建成3年后方可拼接。葉永城[7]研究了混凝土收縮和徐變、新舊橋基礎(chǔ)沉降差和結(jié)構(gòu)體系剛度等對拓寬長聯(lián)橋梁受力性能的影響，而混凝土收縮和徐變需在3年左右才能趨于穩(wěn)定。劉均利[8]以長聯(lián)T梁橋拓寬為例，采用四種收縮和徐變模式計算了支座橫向反力和主梁橫向位移，認(rèn)為采用不同模式進(jìn)行計算得到的梁橋拓寬結(jié)論可能產(chǎn)生根本性改變。

因此，當(dāng)新舊橋均為長聯(lián)橋梁，一般采用臨時結(jié)構(gòu)拼接，待新橋混凝土收縮和徐變完成后鑿除臨時拼接結(jié)構(gòu)，鋪設(shè)永久拼接結(jié)構(gòu)。但永久拼接結(jié)構(gòu)需2～3年后施工，無法保證在橋梁施工期內(nèi)完成橋梁拓寬。同時，二次拼接施工將導(dǎo)致建設(shè)成本高昂，且施工將對高速公路交通組織和通行造成影響。

另外，也有采用短跨與長聯(lián)橋梁拼接的相關(guān)研究[9-11]：①新橋為長聯(lián)橋梁，舊橋先分解為若干聯(lián)再與新橋拼接；②舊橋不解聯(lián)，新橋采用短跨與舊橋拼接。但是，第一種方法需鑿除橋面鋪裝，頂升支座拆除負(fù)彎矩連接鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼束，會出現(xiàn)車輛荷載效應(yīng)增大、下部結(jié)構(gòu)加固、切割預(yù)應(yīng)力鋼束的施工安全等問題；第二種方法并沒從根本上解決混凝土收縮和徐變的影響，聯(lián)端橫向位移量過大時會導(dǎo)致新梁抵住墩臺擋塊，嚴(yán)重時會剪斷擋塊，影響橋梁安全，同時新舊橋結(jié)構(gòu)整體剛度不匹配，橋面連續(xù)構(gòu)造易發(fā)生開裂。因此，上述方法均存在不足，需要找到更加有效的長聯(lián)橋梁拼寬方法。

為此，陳康明[12]等開展了混凝土收縮和徐變對拓寬后長聯(lián)橋梁影響的分析，認(rèn)為拓寬后長聯(lián)橋梁縱、橫橋向變形主要是由混凝土收縮是引起的。當(dāng)長聯(lián)橋梁新、舊橋主梁沿縱橋向全部拼接時，混凝土收縮和徐變產(chǎn)生的新橋主梁縱橋向變形受到舊橋主梁的約束，導(dǎo)致新、舊橋主梁在橫橋向均發(fā)生彎曲變形，最大值出現(xiàn)在橋臺或一聯(lián)的過渡墩位置，同時導(dǎo)致舊橋支座橫橋向位移過大，造成剪切破壞?；谏鲜鲅芯砍晒惪得鱗13]等提出了一種一聯(lián)兩端采用薄鋼板拼接(離散拼接段)，中間采用翼緣濕接縫和橫梁拼接(完全拼接段)的長聯(lián)橋梁拓寬方法，見圖1。

為確保拓寬長聯(lián)橋梁的安全性與耐久性，本文旨在介紹一聯(lián)兩端采用鋼板拼接拓寬長聯(lián)橋的全拼段濕接縫、離散拼接段橋面鋪裝、拼接鋼板和新橋主梁等構(gòu)件的驗算方法；通過運(yùn)營后長聯(lián)橋的外觀檢測驗證長聯(lián)橋梁一聯(lián)兩端采用鋼板拼接的有效性；提出三座長聯(lián)橋梁合理的二次拼接時間。

圖1 一聯(lián)兩端采用鋼板拼接示意

2 工程背景

京港澳高速公路石安改擴(kuò)建段中的三座長聯(lián)多跨裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋：漳河特大橋(12×30+13×30+12×30m)、支漳河特大橋(右幅：34×30m，左幅：22×30+1×19+11×30m)和洺河大橋(18×30m)。 三座長聯(lián)橋梁均以“新舊橋上部結(jié)構(gòu)連接、下部結(jié)構(gòu)不連接”為原則進(jìn)行拓寬，即采用現(xiàn)澆混凝土濕接縫與橫隔板將新橋和舊橋的主梁沿縱橋向全部拼接。新橋與舊橋主梁的結(jié)構(gòu)形式相同，分別由3片和4片單箱單室等高度箱梁組成。為縮短開始拼接的時間，三座長聯(lián)橋均采用了如圖1所示的拼接法，且三座長聯(lián)橋兩端設(shè)置三跨為離散拼接段。

3 有限元分析

3.1 模型建立

采用空間有限元計算軟件MIDAS/Civil建立空間梁格桿系模型，采用梁格法建模時，將主梁作為縱橋向單元，橫橋向根據(jù)實際橫向剛度采用只有剛度不計重量虛擬橫梁與主梁進(jìn)行連接。采用板單元模擬橋面鋪裝，橋面鋪裝與主梁的連接方式為剛性連接。新舊橋的支座采用彈簧單元進(jìn)行模擬，主梁與支座的連接方式為彈性連接中的剛性連接。選取漳河特大橋12孔一聯(lián)主橋 (12×30m)、支漳河特大橋 17孔一聯(lián)主橋(17×30m)、洺河大橋18孔一聯(lián)主橋(18×30m)為分析對象，一聯(lián)兩端各保留三跨采用鋼板進(jìn)行連接的有限元計算模型如圖2所示。

圖2 有限元計算模型

3.2 有限元結(jié)果分析

經(jīng)有限元分析，可以得到三座長聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋一聯(lián)兩端各保留三跨采用鋼板進(jìn)行連接的橋梁結(jié)構(gòu)，在最不利荷載組合作用下，連續(xù)拼接段范圍內(nèi)的現(xiàn)澆混凝土濕接縫和離散拼接段范圍內(nèi)的鋼板與現(xiàn)澆橋面鋪裝層的荷載效應(yīng)，以12孔一聯(lián)的漳河特大橋為例，見表 1。

表1 漳河特大橋連續(xù)拼接段和離散拼接段荷載效應(yīng)

4 結(jié)構(gòu)驗算

拓寬長聯(lián)橋各構(gòu)件組成及縱橫橋向規(guī)定等見圖3。

圖3 拓寬長聯(lián)橋構(gòu)件組成示意圖

4.1 全拼段翼緣板濕接縫

由于一聯(lián)兩端采用鋼板拼接拓寬長聯(lián)橋時，現(xiàn)澆濕翼緣板濕接縫長度變短，承受新舊橋不同步縱橋向變形產(chǎn)生的內(nèi)力將變大，因此，翼緣板濕接縫除了需要根據(jù)文獻(xiàn)[14]中公式(5.2.2)和公式(5.2.9)進(jìn)行豎向抗彎和抗剪承載力驗算外，還需根據(jù)公式(5.2.2)和公式(5.2.9)進(jìn)行縱橋向抗彎和抗剪承載力驗算。以漳河特大橋12孔一聯(lián)主橋為例，全拼段翼緣板濕接縫的驗算結(jié)果如表2所示，縱橋向及豎向抗彎和抗剪承載力均滿足要求。

4.2 離散拼接段橋面鋪裝

由于離散拼接段橋面鋪裝下方僅有鋼板支承，在車輛豎向荷載和新舊橋縱向不同步變位作用下需要根據(jù)文獻(xiàn)[14]中公式(5.2.2)和公式(5.2.9)進(jìn)行縱橋向和豎向的抗彎和抗剪承載力驗算。以漳河特大橋12孔一聯(lián)主橋為例，離散拼段橋面鋪裝的驗算結(jié)果如表2所示，縱橋向及豎向抗彎和抗剪承載力均滿足要求。

4.3 拼接鋼板

離散拼接段采用的拼接鋼板的尺寸見圖4，由于鋼板承受豎向車輛荷載和新舊橋縱向不同步變形的作用處于雙向受彎的受力狀態(tài)，需根據(jù)文獻(xiàn)[15]中公式(5.3.1-2)進(jìn)行抗彎承載力驗算，根據(jù)公式(5.3.1-3)和公式(5.3.1-4)進(jìn)行抗剪承載力驗算。以漳河特大橋12孔一聯(lián)主橋為例，拼接鋼板的驗算結(jié)果如表2所示，抗彎和抗剪承載力均滿足要求。

圖4 離散拼接段范圍內(nèi)的鋼板的構(gòu)造示意圖

4.4 新橋主梁

由于混凝土徐變造成的新橋主梁豎向變形受到舊橋主梁的約束，新橋箱梁將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。因此，新橋箱梁除了需要根據(jù)文獻(xiàn)[14]中公式(5.2.2)和公式(5.2.9)進(jìn)行豎向抗彎和抗剪承載力驗算外，還需根據(jù)公式(5.5.4)進(jìn)行抗扭承載力驗算。以漳河特大橋12孔一聯(lián)主橋為例，新橋主梁的驗算結(jié)果如表2所示，抗扭、抗彎和抗剪承載力均滿足要求。

表2 連續(xù)拼接段和離散拼接段結(jié)構(gòu)驗算結(jié)果

5 外觀檢測結(jié)果

在通車運(yùn)營約2年后，進(jìn)行了三座長聯(lián)橋的外觀檢測，外觀檢測結(jié)果表明三座長聯(lián)橋主要存在以下三種病害：

(1)支漳河大橋部分支座存在剪切變形，但剪切變形較小，未出現(xiàn)支座剪切變形過大導(dǎo)致支座開裂、破壞現(xiàn)象，屬于正?，F(xiàn)象。說明新、舊橋主梁一聯(lián)兩端采用鋼板拼接的拼接方法有效，可減小新、舊橋支座橫橋向變形，從而縮短長聯(lián)橋梁拼接時間。

(2)新舊橋拼接縫存在堿蝕裂縫，見圖5。但堿蝕裂縫均出現(xiàn)于采用鋼板連接的不拼接段。這主要是由于為使不拼接段新舊橋主梁的縱向變形不受拼接縫限制，不拼接段的拼接縫中間已采用鋅鐵皮隔開，因此，較多堿蝕裂縫出現(xiàn)于不拼接段屬于正常現(xiàn)象，不會影響橋梁結(jié)構(gòu)受力和行車安全。

(3)由于在離散拼接段僅采用鋼板進(jìn)行新舊橋主梁的連接，新舊橋間的橫梁均未連接，在長聯(lián)橋主梁端部存在較大剪切變形。因此，在長聯(lián)橋新舊橋接縫與伸縮縫交界處，會引起橋面鋪裝開裂或伸縮縫損壞，見圖6。待二次拼接時新舊橋主梁采用現(xiàn)澆濕接縫與橫隔板連接后，可避免上述病害再次出現(xiàn)。

圖5 離散拼接段堿蝕裂縫

圖6 新舊橋接縫與伸縮縫交界處裂縫

外觀檢測結(jié)果表明一聯(lián)兩端采用鋼板拼接的拼接法是一種可縮短拼接時間的長聯(lián)橋梁有效拼接方法。

6 二次拼接時間確定

漳河特大橋、支漳河特大橋和洺河特大橋完成一次拼接 3個月、6個月、8個月、9個月、10個月、12個月、24個月后，新舊橋主梁最大橫橋向變形增量和最大縱橋向變形增量分別如圖7所示。從圖7可知，漳河特大橋、支漳河特大橋和洺河特大橋在新舊橋完成一次拼接約8個月以后，混凝土收縮作用下新、舊主梁縱橫向變形基本趨于穩(wěn)定，各橋梁的二次拼接施工可以在一次拼接完成8個月后進(jìn)行。

圖7 一次拼接后新舊橋主梁橫橋向變形

7 結(jié)論

(1)針對采用一聯(lián)兩端采用鋼板拼接方法拓寬的長聯(lián)橋梁，提出了全拼段翼緣板濕接縫、離散拼接段橋面鋪裝、拼接鋼板和新橋主梁的驗算方法。并進(jìn)行三座采用鋼板拼接法拓寬長聯(lián)構(gòu)件的驗算，驗算結(jié)果表明各構(gòu)件均滿足要求。

(2)外觀檢測結(jié)果表明三座長聯(lián)橋的主要病害是：較小的支座剪切變形、離散拼接段拼接縫堿蝕裂縫和新舊橋接縫與伸縮縫交界處橋面鋪裝開裂或伸縮縫損壞。外觀檢測結(jié)果表明一聯(lián)兩端采用鋼板拼接的方法是一種可縮短拼接時間的長聯(lián)橋梁有效拼接方法。

(3)三座長聯(lián)橋在新舊橋完成一次拼接約8個月以后，混凝土收縮作用下新、舊主梁縱橫向變形基本趨于穩(wěn)定，各橋梁的二次拼接施工可以在一次拼接完成8個月后進(jìn)行。