拼寬橋梁濕接縫受力分析

束文陽(yáng)，李 濤

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088；2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

隨著社會(huì)的發(fā)展，公路工程現(xiàn)狀標(biāo)準(zhǔn)已難以滿足日益增長(zhǎng)的交通量需求，公路項(xiàng)目已陸續(xù)進(jìn)入改擴(kuò)建階段。以安徽省為例，目前國(guó)土空間規(guī)劃中滁新高速淮南至阜陽(yáng)段、濟(jì)廣高速阜陽(yáng)至周集段、京臺(tái)高速合徐南段、寧洛高速界首至蚌埠段、滬陜高速大顧店至葉集段均有“四改八”改擴(kuò)建規(guī)劃?，F(xiàn)在高等級(jí)公路大多狀況良好，此外，受土地及環(huán)保等多種因素制約，公路改擴(kuò)建大多采取拼寬既有通行斷面的方式。

對(duì)于橋梁工程，新建拼寬橋梁與既有橋梁懸臂采用現(xiàn)澆濕接縫固結(jié)，下部結(jié)構(gòu)分離，即所謂的“上連下不連”方式是橋梁改擴(kuò)建的常用做法[1]。但既有橋梁已有較長(zhǎng)的運(yùn)營(yíng)期，其與新建橋梁之間的齡期及沉降差異使得濕接縫成為橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵點(diǎn)[2]。因此，對(duì)于拼寬橋梁濕接縫受力狀態(tài)的計(jì)算分析及響應(yīng)評(píng)價(jià)顯得尤為關(guān)鍵。

1 拼寬方案

以寧洛國(guó)家高速公路明光至蚌埠段改擴(kuò)建工程中20 m后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板橋“四改八”斷面為例：既有雙向四車道單幅橋?qū)?3.50 m，橫向布置11片空心板，梁高90 mm。單側(cè)拼寬5片空心板，梁高95 mm，寬6.75 m。拼寬后雙向八車道單幅橋?qū)?0.25 m。

濕接縫形成方式為鑿除老橋拼寬側(cè)懸臂混凝土，剝離老橋懸臂鋼筋與拼寬側(cè)新建梁板預(yù)留鋼筋焊接，現(xiàn)澆混凝土濕接縫。濕接縫寬395 mm，跨中高度同懸臂根部，梁端局部加高至與既有橋梁梁高相同。

2 模型建立

采用midas/Civil軟件按梁格法進(jìn)行建模，縱向梁格的剛度取各片空心板的剛度，橫向梁格截面取空心板頂板截面，通過(guò)釋放梁端約束來(lái)模擬空心板鉸接。為較好模擬濕接縫和兩側(cè)新舊空心板的邊界條件，在計(jì)算模型中釋放新、舊空心板濕接縫橫梁端節(jié)點(diǎn)的角位移，使其能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，傳遞剪力但不傳遞彎矩，這樣的處理方式與實(shí)際情況較吻合[3]。計(jì)算模型見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 空心板拼寬整體模型

圖2 拼寬斷面示意圖

3 受力分析

3.1 收縮徐變對(duì)濕接縫的受力影響

為考慮時(shí)間效應(yīng)對(duì)濕接縫的受力影響，在有限元程序中定義混凝土收縮系數(shù)、徐變系數(shù)及抗壓強(qiáng)度函數(shù)來(lái)模擬混凝土強(qiáng)度和變形隨時(shí)間的變化。

表1 施工階段劃分

既有橋梁已運(yùn)營(yíng)較長(zhǎng)時(shí)間，收縮徐變發(fā)展已趨于穩(wěn)定，而拼寬橋梁混凝土早期收縮徐變變化較大，特別在拼寬前的存梁期。故分別考慮存梁期30、60、90、180 d情況下拼寬后濕接縫的受力情況[4]。

濕接縫單元縱向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 濕接縫縱向應(yīng)力值

從表2可知，混凝土已受拉開(kāi)裂，但計(jì)算結(jié)果規(guī)律表明存梁期越長(zhǎng)拉應(yīng)力越小，即由收縮徐變產(chǎn)生的影響越小，這與認(rèn)知也是一致的。此外，進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，支點(diǎn)附近的應(yīng)力受收縮徐變影響最大。所以在條件容許的條件下宜早制梁晚架梁，并加強(qiáng)梁端和支點(diǎn)附近濕接縫的配筋。

3.2 不均勻沉降對(duì)濕接縫的受力影響[5]

既有橋梁運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)，沉降已趨于穩(wěn)定，而拼寬橋則有可能發(fā)生沉降，因此新老結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生沉降差異，這種不均勻沉降對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移的影響會(huì)直接體現(xiàn)濕接縫位置處。

為分析不均勻沉降對(duì)濕接縫的受力影響，模型中分別考慮拼寬橋梁整體沉降3 mm、4 mm和5 mm三種工況。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 濕接縫應(yīng)力值

由表3可知，由不均勻沉降引起的濕接縫的應(yīng)力橫向較大縱向較小，跨中位置縱橫向應(yīng)力差異不明顯，但在支點(diǎn)處差異較大，且最大拉應(yīng)力位置均為支點(diǎn)上緣。此外，隨著不均勻沉降值的增加，濕接縫的應(yīng)力值近似呈線性增加。

3.3 縱向裂縫寬度驗(yàn)算

按既有橋梁與拼寬橋梁沉降差異5 mm考慮，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》(JTG 3362—2018)[6]對(duì)濕接縫單元正常使用極限狀態(tài)時(shí)的裂縫寬度進(jìn)行驗(yàn)算

C1、C2、C3分別取1.0、1.5及1.0；

計(jì)算得：Wcr=0.095 mm<0.2 mm

所以，當(dāng)不均勻沉降5 mm時(shí)，濕接縫裂縫滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 論

(1)新建橋梁混凝土收縮徐變易引起濕接縫開(kāi)裂，這種影響隨存梁期加長(zhǎng)可以減小。因此，在施工條件允許的情況下宜提前制梁，設(shè)計(jì)時(shí)建議適當(dāng)考慮加長(zhǎng)存梁期。

(2)不均勻沉降對(duì)濕接縫應(yīng)力影響呈線性增加趨勢(shì)，主要體現(xiàn)為橫向拉應(yīng)力。

(3)靠近支點(diǎn)處濕接縫受力敏感，建議加強(qiáng)梁端及支點(diǎn)附近配筋。

(4)雖然收縮徐變及較小的不均勻沉降易導(dǎo)致濕接縫縱向裂縫，但裂縫寬度仍在規(guī)范允許范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)更應(yīng)重視橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。