高速公路改擴建項目既有空心板橋的拼寬計算分析

孫寧, 高鵬，康健

(中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司, 陜西 西安 650054)

國內(nèi)外橋梁加寬的大量工程實踐表明：新舊橋的連接問題是橋梁拓寬工程成敗的關(guān)鍵所在，對橋梁的拼寬來說，主要有3種連接方式：① 新舊橋梁的上、下部構(gòu)造均連接；② 新舊橋梁的上、下部構(gòu)造均不連接；③新舊橋梁的上部構(gòu)造相互連接、下部構(gòu)造不連接。濟南至青島高速公路(以下簡稱“濟青高速”)改擴建工程中橋梁采用了上部構(gòu)造相互連接、下部構(gòu)造不連接的方式進行拼寬連接。

新舊橋上部結(jié)構(gòu)連接后，其應(yīng)力和變形均存在相互影響。根據(jù)目前的研究和中國國內(nèi)改擴建橋梁病害的調(diào)查結(jié)果，在影響新舊橋主梁及其連接處性能的各種因素中，新舊橋的基礎(chǔ)沉降差和新舊橋混凝土收縮徐變差是兩個最主要因素。該文依托濟青高速改擴建項目，采用有限元法對影響空心板橋拼寬結(jié)構(gòu)受力的主要因素進行詳細的分析。

1 工程概況

濟青高速改擴建項目是2014版JTG B01-2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和JTG/TL 11-2014《高速公路改擴建設(shè)計細則》頒布后實施的第一條改擴建項目。濟青高速現(xiàn)狀為雙向四車道高速公路，設(shè)計車速120 km/h，路基寬度26 m。該項目橋梁上部構(gòu)造類型主要為16 m及以下空心板橋，其中5、6、8 m為鋼筋混凝土實心(空心)板，10、13、16 m為預(yù)應(yīng)力混凝土空心板。該文將以13 m空心板為例，其他跨徑分析與該文方法類似。拼寬橋梁的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面示意和拼接部位細部構(gòu)造示意如圖1、2所示。

圖1 預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋拼寬橫斷面示意圖(單位：cm)

2 拼寬橋梁的結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)上述空心板橋的拼接方案，采用Midas空間有限元梁格法對13 m跨徑空心板橋梁拼寬后的受力性能進行計算分析。拼寬計算分析包括以下幾方面：新舊橋沉降差影響分析、新舊橋徐變差影響分析、拼接部位安全性分析、拼接后新舊橋梁驗算，具體分析模型如圖3所示。

圖2 預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋拼接部位細部構(gòu)造示意(單位：cm)

圖3 預(yù)應(yīng)力混凝土空心板總體計算分析模型

2.1 新舊橋沉降差影響分析

按照新老結(jié)構(gòu)差異沉降值2、4、6、10、15 mm對新、舊橋各主梁控制截面及拼寬部位的內(nèi)力變化進行計算分析。13 m跨徑橋梁不同差異沉降工況下主梁彎矩影響情況如圖4、5所示，主梁支點剪力影響情況如圖6所示，現(xiàn)澆濕接縫位置產(chǎn)生的剪力及彎矩如圖7、8所示。

圖4 不同差異沉降對主梁支點附近彎矩的影響

圖5 不同差異沉降對主梁跨中彎矩的影響

圖6 不同差異沉降對主梁支點剪力的影響

圖7 不同差異沉降對現(xiàn)澆濕接縫產(chǎn)生剪力的影響

圖8 不同差異沉降對現(xiàn)澆濕接縫產(chǎn)生彎矩的影響

由圖4、5可得：① 隨著新舊橋差異沉降量的增大，主梁的附加內(nèi)力和拼接部位的內(nèi)力成線性增大；② 差異沉降對與新舊橋拼接濕接縫相鄰主梁及次主梁內(nèi)力值影響較大，對其余主梁內(nèi)力影響較小，其主要原因是空心板梁之間的連接近似為鉸接連接，內(nèi)力傳遞距離有限，主梁橫向整體性較弱；③ 差異沉降產(chǎn)生的主梁支點豎向彎矩橫向分布較窄，有明顯的突變性，主梁跨中豎向彎矩橫向分布較寬，濕接縫兩側(cè)主梁至邊主梁變化較為緩慢；④ 差異沉降增加了舊橋主梁跨中彎矩，對新拼寬部分主梁跨中彎矩有所減小。因此，沉降差對舊橋主梁是不利的，對新橋主梁是有利的。

由圖6可得：差異沉降對主梁支點剪力影響較大，表明主梁支座受沉降差影響較大，同時沉降差將進一步增大舊橋支座反力，減小新橋支座反力。

由圖7、8可知：差異沉降對梁端拼接部位濕接縫的內(nèi)力影響較大，對跨中拼接部位濕接縫的內(nèi)力影響較小。

2.2 新舊橋收縮徐變差影響分析

新、舊橋梁之間拼接的時間不同，收縮徐變差產(chǎn)生影響的程度不同，在新舊橋收縮徐變差(新舊結(jié)構(gòu)拼接時間取30、60、90、180、360 d共5種計算工況)作用下，計算分析新、舊橋各主梁控制截面及拼寬部位的內(nèi)力變化趨勢，得出較合理的拼接時間，從而減少新橋混凝土的收縮徐變對舊橋產(chǎn)生的不利影響。

13 m跨徑橋梁不同拼接時間對主梁彎矩的影響如圖9～11所示，對拼接濕接縫的縱橋向剪力影響如圖12所示。

圖9 不同拼接時間對主梁支點附近彎矩的影響

圖10 不同拼接時間對主梁跨中彎矩的影響

圖11 12、13號梁跨中彎矩隨拼接時間的變化曲線

圖12 拼接濕接縫剪力隨拼接時間的變化曲線

由圖9、10可得：① 不同的拼接時間對新舊橋主梁彎矩影響較大；其中，對拼接部位兩側(cè)主梁影響較大，對其余主梁影響相對較小，新拼寬主梁產(chǎn)生的附加彎矩大于舊橋主梁；② 隨著新舊結(jié)構(gòu)拼接時間的增加，主梁彎矩值呈逐漸減小趨勢，且顯示混凝土的收縮徐變在初期對主梁影響較大，180 d后收縮徐變對主梁的影響逐漸減小。

由圖12可知：① 不同拼接時間對拼接部位濕接縫的縱橋向剪力影響較大，且靠近支點附近剪力較大，靠近跨中部位剪力較小，濕接縫縱橋向剪力由梁端向跨中遞減；② 隨著拼接時間的增長，混凝土收縮徐變對濕接縫產(chǎn)生的剪力逐漸減小，且前180 d減小較快，后期減小較慢。

2.3 拼接部位安全性分析

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)拼接加寬的方案及拼接部位構(gòu)造，按上述確定的拼接時間(180 d)，分別在新舊橋基礎(chǔ)不同沉降差(沉降差取2、4、6、10、15 mm共5種工況)作用下，對拼接部位(連接濕接縫、橫隔板)的承載能力及裂縫寬度進行進一步驗算，以確定拼接部位的容許沉降差。13 m跨徑空心板拼接濕接縫拉彎承載力及裂縫寬度計算結(jié)果如表1、2所示。

由表1、2可知：在沉降差取2～10 mm下，13 m空心板的拼接濕接縫抗剪、拉彎承載能力均能滿足要求；在沉降差取2～6 mm下，13 m空心板的拼接濕接縫裂縫寬度均小于規(guī)范裂縫寬度容許值0.2 mm，計算最大裂縫寬度為0.167 mm，在沉降差取8～10 mm下，拼接濕接縫裂縫寬度超過規(guī)范裂縫寬度容許值。

2.4 拼寬后新、舊橋梁驗算

在上述確定的拼接部位構(gòu)造、拼接時間(180 d)、新舊橋沉降差(6 mm)的基礎(chǔ)上，對新拼寬橋梁和舊橋分別進行驗算。

按公路-Ⅰ級(JTG B01-2014荷載)，對新拼寬部分橋梁進行承載能力和正常使用極限狀態(tài)驗算。通過計算得知：13 m空心板新拼接各板正截面抗彎承載力、斜截面抗剪承載力、最大裂縫寬度以及撓度驗算均滿足規(guī)范要求；按照“汽車-超20級，掛車-120”的荷載等級對舊橋承載能力進行驗算。通過計算得知：13 m空心板舊橋各板正截面抗彎承載力、斜截面抗剪承載力均滿足規(guī)范要求。

表1 13 m跨徑空心板拼接濕接縫拉彎承載力驗算

表2 13 m跨徑空心板拼接濕接縫裂縫寬度驗算

3 結(jié)論

對于高速公路改擴建項目中既有空心板橋的拼寬，新舊梁結(jié)構(gòu)的互相影響不容忽視，為使拼寬后的橋梁達到安全性、適用性和耐久性的要求，設(shè)計者必須采用合理的措施。通過對濟青高速改擴建項目中典型跨徑空心板的計算分析，得出以下結(jié)論：

(1)沉降差主要由拼接濕接縫的裂縫寬度控制，在Ⅱ類環(huán)境條件下，按規(guī)范對濕接縫裂縫寬度0.2 mm的控制要求，同時考慮新舊橋變形差對行車舒適性和安全性的影響，建議5、6、8 m跨徑空心板的容許沉降差取為4 mm；建議10、13、16 m跨徑空心板的容許沉降差取為6 mm。

(2)不同的拼接時間對新舊橋主梁及濕接縫的內(nèi)力影響較大，為減小新舊橋收縮徐變差對結(jié)構(gòu)的影響，建議在新橋建成180 d以后，再進行新舊橋梁的連接。同時加強混凝土的早期養(yǎng)護，保證良好的施工養(yǎng)護條件。