高速公路改擴建工程中拼寬橋梁的設計與施工關鍵技術分析

(1.中國公路工程咨詢集團有限公司,北京 100089； 2.大連理工大學,遼寧 大連 116024)

0 引言

近些年，中國經濟快速增長，與日俱增的交通量也給當前我國公路運輸體系帶來了較大挑戰。目前，很多在役公路橋梁受設計理念滯后、設計標準低及建筑材料老化等因素的影響，不僅其行車舒適性和安全性無法得到保證，而且橋梁的通行能力不足更是嚴重制約了我國社會經濟發展[1]。

公路項目改擴建施工中，工程重難點是橋梁拓寬，一般是通過加寬橋面或者新建橋梁的方式來實現加寬原橋面的目的。橋梁拓寬技術既可保證在施工中舊橋的正常使用，又可節省工程預算。但新橋基礎在運營過程中由于持續沉降產生的不均勻沉降差，會給新建拓寬橋的上部結構產生較大影響，尤其是對拓寬連接結構的影響更為明顯。

本文圍繞山區公路橋梁拓寬技術中的重點、難點，研究地基不均勻沉降引起的橋梁結構力等響應。通過調研，分析梳理影響橋梁上部結構沉降應力的各項影響因子，以模型實驗的方式研究地基不均勻沉降作用下橋梁拼接結構的力學響應，分析得到了各項參數對拓寬橋梁承受沉降荷載力學響應的影響，相關結論可為今后橋梁拓寬設計提供參考。

1 拓寬橋梁橫向拼接

1.1 橫向連接方式

a.上下部結構均不連接。

如果拓寬橋梁的上下部結構均不與原橋相連，那么新舊橋結構之間就互不影響，從而避免了因地基不均勻沉降產生的對上部結構的影響，拼接部位的施工難度也大大降低[2]。

b.上下部結構均連接。

如果橋梁上下部結構均連接，由于基礎沉降對橋梁結構內力的影響均較大，橋梁拓寬工程對地基技術參數要求較高。同時，采用該連接方式時，對下部結構的拼接需要使用植筋技術，工藝較為復雜且施工難度高。

c.上部結構互連、下部結構不連。

此方式原橋上部結構在基礎不均勻沉降作用下依然可以保持其結構的整體性。同時，也正是因為該橋梁的下部基礎并未連接，在施工工藝上相對簡單，并且可利用拼接部分的變形來協調較小沉降值產生的結構能力。

1.2 上部結構拓寬

a.空心板梁橋。

該類橋梁主要包括預應力鋼筋混凝土和鋼筋混凝土空心板梁橋兩類，常用跨徑包含10、16、20 m 3種，橋梁截面通常類似于原橋。拓寬時，應先對橋梁的邊梁翼板進行切除，然后再利用植筋技術進行新舊橋結構的拼接，按照鉸接形式進行結構計算。如端部設置有橫隔梁，結構計算型式就應該為剛接。

b.T梁橋。

T梁橋因為其結構特點，在運營期間易受到周圍環境的腐蝕，尤其是邊梁。因此，T梁橋拓寬時，可以考慮把邊梁翼板切除后，與新橋T梁的肋板進行拼接，詳見圖1所示。

與拓寬前對比，原橋的邊梁受力狀態產生了較大變化。當拓寬T梁橋時，除了在拼接部位兩端加設橫隔梁，還可在中間特定位置增加橫隔梁。比如，為了加強拓寬橋與原橋之間的橫向聯系，一般在拓寬部分1/4跨徑及跨中位置設置橫隔梁[3]。

圖1 上部結構拼接示意圖(單位：mm)Figure 1 Schematic diagram of superstructure splicing(Unit:mm)

c.不同梁截面連接。

橋廊拓寬時，如果選用剛度較大的拓寬橋截面就可以大大增加新橋的整體剛度，以此來降低原橋所承擔的荷載。如圖2所示，在T梁(原橋)+空心板梁(拓寬橋)截面組合中，所用空心板梁截面的橫向剛度較大，通過用鋼板將橫隔梁進行錨固連接以后，新橋結構的整體橫向剛度將大大提高，橋梁的承載能力也隨之提升。

圖2 T梁和空心板拼接橫斷面Figure 2 T-beam and hollow slab splicing cross section

2 不均勻沉降下拓寬橋梁拼接結構力學響應

2.1 影響基礎沉降對上部結構作用的因素

a.沉降模式。

經長期服役后，原橋基礎沉降基本穩定。但對新拓寬橋梁而言，基礎沉降較大，新舊橋梁之間產生的較大沉降差往往給新橋結構造成較大影響。本文假定原橋基礎沉降為0，考慮受原橋約束影響，新橋基礎中，越靠近原橋產生基礎沉降越小，反之則越大?；A的沉降模式設置為線性，按照位置的不同進行線性分布[4-5]。

b.影響因素。

拓寬橋基礎在上述線性沉降模式下，拼接部位上緣結構拉應力隨沉降差的增大逐漸增加。為避免拼接部位上緣產生結構裂縫，應當滿足σ≤[σ]，即[6]：

Eε≤[σ]

(1)

按照力學基本原理：

dθ=Δ/B

(2)

ε=x/ρ

(3)

b=ρdθ

(4)

又：

(5)

(6)

所以：

(7)

而：

(8)

進而可推算得到：

(9)

式中：σ表示代表當不均勻沉降為Δ時的拼接結構上緣的橫橋向拉應力大??；[σ]表示拼接部位混凝土抗拉強度標準值；ε表示當不均勻沉降為Δ時的拼接結構上緣拉應變大??；E表示拼接部分混凝土的橫橋向彈性模量大??；Δ表示橋梁基礎的不均勻沉降值大??；θ表示當不均勻沉降為Δ拼接部分的轉角值；x表示拼接部分截面中性軸至上緣的距離；B表示拓寬部位的寬度大??；b表示橋梁拼接結構的寬度；h表示拼接部分高度；h0表示拼接結構截面有效高度；αES表示混凝土結構的截面換算系數；ρ表示拼接結構的截面配筋率。

2.2 計算數值模型

a.橋梁類型。

選用跨徑同樣為20 m的簡支空心板橋和簡支T梁橋兩種較為常見的橋型進行結構力學分析。使用FEA軟件對結構進行細部分析，結構單元選用8節點單元。鋼筋模擬則通過將剛度添加到母單元中來實現。模型中均為線彈性材料，不考慮材料非線性[7]。

b.計算荷載。

① 恒載。

新舊橋梁主要受力構件自重為恒載，防撞欄、橋面鋪裝自重為二期恒載。

② 位移荷載。

為避免拼接結構開裂，應始終保持梁體變形處于彈性范圍。實驗中設定的沉降值應小于拓寬橋的允許沉降值，將拓寬橋的沉降值設定為5 mm。

③ 溫度荷載。

按照規范中規定的溫度梯度來控制局部溫差。文中結構體系為簡支梁，結構自身的溫度變化不產生內力，因此不考慮體系溫差的影響。

c.幾何尺寸。

① 簡支空心板+簡支空心板

基本模型的相關參數見表1。原橋為跨徑20 m的簡支空心板橋，橋寬9 m，由8片空心板梁組成，選用上部連接但下部不連接的方式進行拓寬。

拓寬時，拓寬橋采用和原橋相同的空心板，通過切除邊梁翼板后植入鋼筋的方式進行拓寬施工，在端部加設50 cm寬的橫隔梁[8]。新橋模型網格如圖3所示。

表1 簡支空心板橋拓寬模型基本參數Table1 Basicparametersofwideningmodelofsimplysuppor-tedhollowslabbridge截面配筋ρ0不均勻沉降值Δ0拓寬寬度B0拼接部分寬度b0d14@25cm5mm4m0.2m0.246%定值

圖3 空心板橋拓寬模型網格Figurev 3 Widening model mesh of hollow slab bridge

②簡支T梁+簡支T梁。

原橋主梁為簡支T梁，跨徑20 m，橋面寬8.6 m，包含6片T梁，拓寬方式選用上部相連但下部不相連的方式。拓寬時使用相同T梁，切除原橋邊梁翼板后植入鋼筋，在端部和中部分別增加30 cm寬的橫隔梁，間距設置為4.8 m，拓寬橋梁的模型參數見表2，模型網格如圖4所示[9]。

表2 簡支T梁橋拓寬模型參數Table2 Wideningmodelparametersofsimplysupportedt-beambridge截面配筋ρ0不均勻沉降值Δ0拓寬寬度B0拼接部分寬度b0d14@25cm5mm4.1m0.2m0.251%定值

圖4 T梁橋拓寬模型網格Figure 4 Widening model mesh of t-beam bridge

2.3 拓寬橋梁拼接部分在沉降荷載下的受力

a.截面配筋。

如圖5所示，不同配筋率下的拓寬橋梁結構應力結果呈現相似的規律?？梢钥闯?，截面配筋率對兩種橋型拼接結構的上緣拉應力都產生了影響且規律具有一致性。當截面配筋率增加時，拼接結構上緣拉應力會隨之降低。但不同的是，對空心板橋而言，配筋率對結構拉應力的影響和截面所處的位置有關，支座位置應力值的取值可達到跨中位置的4倍，并隨著截面由支座到跨中移動，應力值逐漸減小。但在T梁橋拓寬中，這種拉應力取值與截面位置關系不大，支座位置的應力值僅為跨中位置的1.3倍。

(a)空心板橋應力值

(b)T梁橋應力值圖5 不同橋梁拓寬拼接部分在不同配筋情況下的應力值

Figure 5 Stress values of different bridges in different reinforced joints

一方面，拼接結構截面的中性軸會隨著截面配筋率的增加而逐漸上移。簡支梁橋拓寬實驗中，支座對梁體豎向位移約束程度由支座向跨中位置逐漸減弱，這將有利于拓寬橋主梁通過變形協調來降低不均勻沉降對其上部結構的影響[10-11]。另一方面，設置的橫隔梁增加了拓寬橋的橫向剛度，也因此產生了更大的上緣拉應力。因此，在空心板橋的拓寬實驗中，支座和跨中兩個位置的應力值相差較大。同時，從T梁橋拓寬的實驗結果可看出，由于橫隔梁的影響，造成的拼接結構上緣拉應力并未隨位置不同而產生較大變化。

b.拓寬寬度。

不同拓寬寬度作用下的橋梁拼接結構上緣拉應力取值如圖6所示?？梢钥闯?，在T梁橋和空心板橋拓寬實驗中，拓寬寬度對拼接結構應力的影響具有較大相似性。也即是說，當拓寬寬度增大時，拼接結構的上緣拉應力將減小。

(a)空心板橋應力值

(b)T梁橋應力值圖6 不同橋梁拓寬拼接部分在不同拓寬寬度下的應力值

Figure 6 Stress values of different bridge width joints at different widths

與此同時，在同樣沉降作用下，隨著拓寬寬度遞增，相應的轉角位移也逐漸減小，上緣拉應力也會相應減小。

c.拼接部分寬度。

拼接寬度給新橋結構造成拉應力取值見圖7?？煽闯?，當拼接寬度增加時，拼接部位結構上緣拉應力取值將減小。但是，拼接寬度的變化對T梁橋和空心板橋拼接部位上緣拉應力的影響有明顯不同。這種不同會隨著截面位置不同而發生變化。具體而言，拼接寬度對兩種截面橋梁拼接部位上緣拉應力的影響由支座向跨中位置逐漸減小。在空心板橋拓寬中，支座部位的應力變化值為跨中部位的4.7倍。而T梁橋實驗中僅僅為1.7倍。顯然，拼接寬度對不同類型拓寬橋梁拼接部位上緣拉應力的影響較為明顯。

(a)空心板橋應力值

(b)T梁橋應力值圖7 不同橋梁拼接結構在不同拼接部分寬度下的應力值

Figure 7 Stress value of different bridge stitching structures under different width of stitching parts

由于橋梁曲率1/ρ直接受到拼接部分寬度的影響，所以加大拼接部分寬度會直接導致橋梁曲率增加，相應地會產生更小的拉應力值。此外，因為梁結構會產生一定撓度，這會直接減弱拼接部分寬度對新橋結構橫橋向拉應力的大小。因此，拼接部分寬度對T梁橋和空心板橋不同位置拉應力值的影響會產生較明顯的不同[12-13]。

3 結論

通過有限元分析，重點研究了山區公路橋梁拓寬過程中截面配筋、拓寬寬度和拼接部分寬度等3個因素對拓寬部位結構受力造成的影響，相關結果如下：

a.拼接部分寬度和截面配筋率增加時，拼接結構產生的上緣拉應力會降低?？招陌鍢蚴┕r，這兩個因素對拉應力的影響程度隨位置的不同而不同，影響程度由跨中向兩端呈逐漸增大態勢。

b.結合相關文獻，選定的橋梁基礎沉降值為5 mm。在5 mm沉降作用下，拼接結構上緣產生的橫橋向拉應力值均未超過混凝土材料的抗拉強度標準值。因此，對20 m跨徑的簡支空心板橋和20 m跨徑的T梁橋而言，不均勻沉降值不超過5 mm時，均能保證其正常使用。