某高速公路空心板梁橫向拓寬方案研究

劉敏劍

(廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司,廣東 廣州 510507)

隨著我國經濟社會的發展,大量早期修建的公路已難以滿足日益增長的交通需求。對原有道路的改擴建是解決這一問題的有效方式,而對橋梁的拓寬改造是道路改擴建的難點,一般可通過兩側加寬或者單側分離新建橋梁的方式實現。對于中小跨徑橋梁,由于工程規模小,拓寬方式服從路線總體布置,且單側分離新建需要改造橫坡、中央分隔帶等,故一般采用兩側加寬方案。

預制空心板結構的優點包括梁高低,能適應各種斜度,預制、吊裝方便,對地面交通影響小,工程造價較低,施工便利等,因此在中小跨徑中被廣泛采用。但空心板梁在運營過程中普遍病害較多[1-2]:①鉸縫施工不便,施工質量難以把控,同時重載車輛反復作用下易造成鉸縫脫落,導致空心板單板受力,這是空心板最常見也是最致命的病害;②底板尺寸較小,內模定位困難,造成板底厚度不足,甚至預應力筋露筋、腐蝕;③由于腹板、頂底板尺寸較小,導致梁體產生縱向裂縫。上述病害的成因除部分施工因素外,空心板結構自身也存在先天缺陷。

在橋梁改擴建中,一般采用相同截面梁型進行拼寬。但鑒于空心板的上述病害及自身缺陷,有必要對空心板結構的拼寬梁型方案進行深入優化比選。目前國內外對相同截面梁的拼寬已有較為深入的研究及實踐,但對不同截面梁的拼寬研究較少[3],對此展開研究是十分必要的。本文以廣東省某高速公路改擴建項目為背景,對空心板結構的拼寬梁型提出了替代性方案,對該方案進行了同深度的技術經濟對比分析,可為類似橋梁拓寬設計提供借鑒。

1 預應力砼空心板橋拼寬方

以24.5 m標準寬度、16 m跨徑空心板為例,對不同梁型與既有空心板拼接進行對比分析。

1.1 拼寬梁截面比選

T梁為開口截面,施工簡單,質量容易控制,預制梁間采用濕接縫連接,施工可靠,整體性強,受力性能好,且同等跨徑下較空心板增加不多,可作為比選梁型與空心板進行拼接。為解決傳統T梁預制及運輸效率低、施工前T梁自身穩定性差的問題,選取雙T梁作為比選梁型。分別選取雙T梁、空心板與既有空心板進行拼寬?？招陌辶翰捎脧V東省標準圖構造,雙T梁結合經驗及剛度相近、形心相近原則,梁高取90 cm,腹板厚度取35 cm。拼寬梁跨中典型橫斷面見圖1。既有空心板及拼寬梁跨中截面特性詳見表1。

圖1 雙T梁、空心板跨中橫斷面

根據上述截面特性可知:拼寬空心板抗彎剛度最大,約為既有空心板的1.33倍,拼寬雙T梁抗彎剛度與既有空心板抗彎剛度接近,約為既有空心板的1.02倍;拼寬空心板、拼寬雙T梁形心位置與既有空心板的形心位置均有偏差,相差約6 cm。

1.2 新舊橋橋面拼接方案

橋梁拼寬一般采用上部下部均連接,或上部連接、下部結構不連接的方式,少部分采用上部與下部均不連接的方式。3種拼接方式各有特點:①上部、下部均連接:整體性好,能減少各種荷載作用下的不均勻變形,但結構附加內力較大。②上部連接、下部不連接:新舊橋上部結構連接為整體,下部結構各自受力,不均勻沉降的附加內力可通過先吊裝上部結構壓重、延遲新舊橋接縫時間、增加樁長等方法減小。③上部、下部均不連接:新舊結構各自受力明確,但不均勻變形較大,路面易產生裂縫,影響行車安全舒適性,養護維修量大。

根據我國公路橋梁成熟的拓寬經驗,本文采用“上部連接,下部不連接”的拼接方案[4]。舊橋單幅寬12.5 m,拓寬后單幅寬度21 m。本文方案一采用雙T梁拼寬方案,方案二采用空心板拼寬方案。拼寬后橫斷面見圖2、圖3。

圖2 方案一:預應力砼雙T梁拼寬跨中橫斷面

圖3 方案二:預應力砼空心板拼寬跨中橫斷面

圖4 新舊梁拼接構造示意

圖5 16 m跨空心板拼雙T梁梁格模型

新舊梁之間采用弱連接方案:鑿除舊橋空心板邊板翼緣,并在空心板翼緣植筋,與新梁預埋鋼筋連接后,現澆混凝土相連。該連接方式從滬寧高速通車運行情況看,新舊結構橫向聯系較好,結構的整體性好,運營后效果較好[5]。

為了進一步對兩種方案進行對比,本文選取既有空心板及新舊橋拼接帶作為研究對象,重點考察兩種方案拼接前后既有空心板的受力以及拼接帶的受力。

2 既有P.C.空心板梁內力計算

2.1 計算模型

對于預制梁結構,可采用簡化的橫向分布系數方法計算活載。但對于拓寬橋梁,新舊梁橫向連接構造不一致,新舊梁梁體剛度甚至截面類型不一致時,按照簡化的橫向分布系數方法將產生較大誤差。同時,既有空心板的內力應考慮溫度、收縮徐變及不均勻沉降等作用。

本文采用有限元分析軟件Midas Civil 2021建立空間梁格模型,對拼寬前后上部結構進行計算分析。梁格模型采用如下假定和計算原則:①梁格模型中采用2片縱梁模擬預制雙T梁;②假定空心板鉸縫僅傳遞剪力和軸力,不傳遞彎矩,現澆濕接縫采用剛接;③結合實際情況,新舊橋齡期差取10年;④根據國內項目實測及計算分析資料,結合本項目地質情況,假定新舊橋間不均勻沉降2 mm[6-7];⑤根據跨中剪力影響線確定每一片梁的最不利車道數及加載位置。

2.2 既有空心板內力計算

對既有空心板,分別考慮2種工況下的內力變化規律:工況1為活載單項標準值;工況2為基本組合,考慮恒載、活載、混凝土收縮徐變、溫度、不均勻沉降等作用。表3列出工況1時,分別采用兩種拼寬方案的既有空心板梁在拼寬前后的跨中彎矩值。表4列出工況2時,分別采用兩種拼寬方案的既有空心板梁在拼寬前后的跨中彎矩值。

表3 拼寬前后既有空心板活載單項彎矩 單位:kN·m

表4 拼寬前后既有空心板基本組合彎矩 單位:kN·m

由表3、表4可知:①拼寬后,既有空心板的跨中最大正彎矩均有明顯降低。越靠近拼接帶,主梁的跨中彎矩降幅越大,說明舊橋拓寬對既有空心板的受力是有利的。②拼寬結構的剛度越大,既有空心板梁內力改善越大。對比方案一,采用方案二時既有空心板梁內力降幅更大,為15.6%。③拼寬對靠近拼接帶的3片梁內力改善幅度較大,其余遠離拼接帶的梁改善幅度較小。④遠離拼接帶的1#、2#梁內力改善幅度較小,控制拼寬設計。無論是采用雙T梁或是空心板拼寬,1#、2#梁的跨中彎矩值相差不大,工況二下1#、2#梁跨中彎矩相差0.3%。

綜上分析,兩種拼寬方案均能改善既有空心板的受力狀況,對于靠近拼寬側的既有空心板,方案二減載效果更好;對于遠離拼寬側的既有空心板,兩種拼寬方案的減載效果相差不大。在拼寬設計中,兩種方案拼寬后既有空心板關鍵截面的控制內力相差不大。

3 新舊橋拼接帶內力計算

對于拼接帶,分別考慮3種工況作用下的內力情況:工況1為活載單項標準值,活載采用車道荷載滿布于新橋側或舊橋側;工況2為新舊橋不均勻沉降單項標準值,新舊橋不均勻沉降取2 mm;工況3為基本組合,考慮恒載、活載、混凝土收縮徐變、溫度、不均勻沉降等作用。提取梁端、1/4L及跨中關鍵位置拼接帶內力見表5。

表5 拼寬前后關鍵位置拼接帶內力

由表5可知:①工況1作用下,新舊梁由于剛度不一致產生撓度差,從而在拼接帶中產生彎矩。由新舊梁截面特性可知,拼寬空心板抗彎剛度為既有空心板的1.33倍,拼寬雙T梁的剛度為既有空心板的1.02倍。在工況1下,方案二的拼接帶彎矩較大。②拼寬雙T梁設置有端橫梁,承擔了大部分的不均勻沉降內力。而拼寬空心板無端橫梁,預制梁間依靠鉸縫傳遞剪力。因此,在工況2下,方案一的拼接帶內力較小,方案二的拼接帶內力較大,且在梁端附近存在內力集中。③在工況3下,拼接帶內力呈現兩端小中間大的特征。采用方案一拼寬時,拼接帶內力較小,比方案二拼接帶的受力更為有利。

4 材料用量對比

表6列出雙T梁與空心板的主要材料用量對比。根據表中數據,采用雙T梁拼寬方案,除鋼絞線用量稍多于空心板,吊裝自重較大外,混凝土及鋼筋材料均顯著少于空心板,整幅上部重量減小12%,能相應減小下部結構的尺寸。經濟性上,雙T梁明顯優于空心板結構。

表6 雙T梁與空心板主要材料指標對比表

5 結論

(1)鑒于空心板自身受力特點及運營過程中出現的病害現狀,對于舊橋采用空心板的橋梁,在改擴建時宜考慮替代性的拼寬梁方案,盡量避免采用空心板結構。

(2)預應力砼雙T梁作為開口截面,施工簡單,質量容易控制,預制梁間采用濕接縫連接,整體性強,受力性能好。對比空心板梁拼寬,采用雙T梁拼寬同樣能改善舊橋空心板受力狀況,且新舊橋間拼接帶受力更優。

(3)對比空心板梁,雙T梁除鋼絞線用量稍多,其余主要材料均顯著少于空心板,上部結構自重較空心板梁降低12%,能相應減小下部結構尺寸。雙T梁更具經濟性。