公路斜橋拓寬施工階段力學分析

李鴻鑫，葛玉梅，劉羽宇

(西南交通大學，四川成都610031)

隨著國民經濟的快速發展，我國已修建的許多公路橋梁交通流量持續上升，公路服務水平逐漸下降，已不能滿足經濟發展的需要，改建擴容的必要性較為緊迫。公路橋梁在改建過程中往往要受到周邊已有建筑物的影響，為減少已有建筑物對加寬橋梁的影響，有時需采用斜交橋墩的設計方案，避免按正交橋墩設計影響其它建筑物。在預制拓寬橋主梁時，關于預制梁的存梁養護時間已有相關的設計研究［1］［2］，并得出具有參考意義的結論。但目前對于拓寬斜橋在拼接前后新橋位移內力變化的研究甚少，大多是對于拓寬直線橋拼接前后橋梁內力變化的研究［3］。

該橋為全長760.5 m的先簡支后連續公路橋。本文取大橋第三聯為分析對象，因拓寬橋梁受到周邊已有道路限制，橋梁第三聯部分橋墩采用斜交方式布置，斜交部分T梁長度也隨之發生變化。本文對拓寬橋預制梁的存梁時間，拓寬的新橋在與老橋拼接成整體前后的位移內力變化進行計算分析，得出有實際意義的存梁時間，并判斷新橋在拼接前后的位移、內力變化是否滿足設計要求，計算結果可供類似橋梁設計時參考。

圖1 橋型布置

1 橋梁概況

橋梁上部結構采用裝配式先簡支后連續預應力混凝土連續T梁結構，由8×30 m的10片T梁構成，下部采用圓柱式橋墩。加寬后橋寬為20.5 m=0.75 m(防撞欄)+19.25 m(行車道)+0.5 m(防撞欄)。拓寬橋結構形式及橋跨布置與原橋基本一致，依然采用先簡支后連續T梁結構，拓寬橋下部結構與老橋不相連。主梁高度2.00 m，梁間距分別為2.1 m和2.2 m。主梁跨中肋厚0.2 m，馬蹄寬為梁兩端部均勻加厚段0.6 m、中部均勻段0.46 m。預制主梁預應力鋼束采用φs15.2－6、φs15.2－7、φs15.2－8鋼絞線。主梁、翼緣板、橫隔板、濕接縫、現澆連續段均采用C50混凝土，原橋和加寬橋拼接部分濕接縫及現澆橫隔板采用C50的補償收縮混凝土。橋墩采用GJZ350×550×87板式橡膠支座;加寬橋采用相同類型支座。大橋第三聯橋下有一市政道路下穿，為了避免拓寬橋侵入市政道路，相應的橋墩采取正交轉斜交的布置方式，斜交部分橋墩分別與T梁成19°、38°、38°、19°交角，見圖1。

2 有限元計算模型及計算工況

采用Midas/Civil建模計算，在整體坐標系下X為沿橋縱向，Y為沿橋橫向，Z為豎向，橋墩編號從左至右依次排序，全橋模型如圖2。橋梁上部結構T梁間由現澆縱向濕接縫連接，考慮建模方便，采用梁單元和板單元相結合建立結構空間模型。建立計算模型時，在不影響計算精度的前提下對計算模型進行簡化，對橋梁進行縱橫向空間分析時，不考慮縱橫向坡度。計算存梁時期T梁位移和內力時，取T梁跨中最不利截面進行分析。由于徐變、收縮在施工過程中會引起結構產生較大的變形和內力重分布［4］，因此在計算荷載工況中根據JTG D62－2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范考慮了收縮徐變荷載。本文計算分析了橋梁不同施工階段的受力情況:為了保證橋梁成橋線形及受力狀態符合設計要求，確定各施工階段的線形是施工中最重要的任務之一，而決定上部結構T梁每一待澆節段的預拱度尤其重要［2］。因此，必須通過合理的計算方法和理論分析使每片梁在拼接后預拱度的發展在合理的范圍。T梁預制后以簡支狀態存放，此階段T梁受力狀況和邊界條件為:計算荷載是梁自重+預加力+混凝土收縮及徐變;邊界條件是左端約束豎向DZ(位移)、RX(轉角)和右端約束DZ、DX、RX。本文計算分析了該橋存梁階段正交段標準梁(下稱標準梁)，斜交段最長的梁(下稱加長梁)，以及斜交段最短梁(下稱最短梁)在不同存梁時期典型截面的最大位移和應力值。

存梁6個月之后，架設T梁，澆筑T梁間縱向濕接縫和梁端現澆連續段，張拉負彎矩筋，橋梁完成由簡支狀態向連續狀態的過度。為減小T梁預拱度的繼續發展以及張拉負彎矩筋后在橋墩處引起的負彎矩，對加寬橋進行均載預壓，預壓值為3.3 kN/m2，預壓放置半年，并在新舊橋拼接完畢后卸除預壓荷載。此階段連續梁的受力狀況和邊界條件為:計算荷載是梁自重+預加力+混凝土收縮及徐變+等載預壓;邊界條件是1號墩邊梁和9號墩邊梁的約束為DY、DZ、RX，5號固定墩邊梁的約束為DX、DY、DZ、RX，其余支座的約束為DZ、RX。此時新老橋尚未拼接成整體，此階段重點考慮橋墩正交轉斜交對上部結構的影響。

通過植筋、澆筑橫隔梁、張拉新老橋間預應力連接筋將新舊主梁連接在一起，采用這種方法也可以較好地避免橋面由于新老梁的收縮徐變差異而產生變形差，保持橋面的平整和行車的舒適。此時新建橋梁的混凝土收縮徐變繼續發展，新橋結構變形受到老橋的約束，會在新橋部分中產生約束力，同時老橋會受到大小相同的反力。此階段連續梁的受力狀況和邊界條件為:計算荷載是新橋重力+老橋結構重力+預加力+混凝土收縮及徐變;邊界條件是老橋5號墩上的支座約束為DX、DY、DZ、RX，其余支座的約束為DZ、RX。新橋邊界條件與連續階段相同。同時因為由于老橋已建成10年左右，收縮徐變基本完成，結構處于相對穩定狀態，所以本文重點分析拼接前后由于收縮徐變的繼續發展和老橋對新橋的約束及在新橋部分引起的內力變化。

3 計算結果與分析

3.1 不同存梁階段位移內力分析

圖2 橋梁結構空間模型

經計算分析得出了不同存梁時間(3月、6月、9月、12月以及2年、3年)最大位移量及最大應力的數值，計算結果如表1。表中位移向上為正，向下為負，拉應力為正，壓應力為負。DX為橋梁縱向位移，DY為橋梁橫向位移，DZ為橋梁豎向位移，DXYZ為橋梁在X、Y、Z方向矢量位移的組合值。橋梁T梁在Y方向的位移為零，表1中未列出。由表1數據分析可知180 d時梁的跨中撓度已達到3年跨中撓度的比例分別為91.2%(標準梁)、86.3%(加長梁)、90.0%(最短梁)，跨中應力比值分別為91.8%(標準梁)、89.7%(加長梁)、91.5%(最短梁)，而3年后混凝土的收縮徐變已基本完成，這一點在文獻［6］中也得到了證實。從表1可知梁在前6個月位移和應力增長最快，6個月和9個月時的位移和應力值較接近，以后存梁階段梁的位移和應力變化速率更加趨緩。因此，選擇將梁簡支狀態存放6個月再架設，可有效避免在混凝土收縮徐變量發生最大的時間里對梁產生過大的變形和內力重分布，也可有效將梁架設后的預拱度發展控制在設計規定的值內。所以在實際施工過程中以應提前預制混凝土梁，以確保施工質量。

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3.2 體系轉換階段位移內力分析

新老橋拼接前后新橋部分的位移和內力情況見表2、表3、表4。分析表2可得，新橋在新老橋拼接后除Y方向由于拼接后橫向位移只能向新橋一側發展位移增加了50%左右外，其余方向以及組合位移的位移變化增加值都在15%以內。由表3數據分析可見，拼接前后新橋的應力、彎矩、扭矩無論是在數值和位置發生的變化都很小，大小變化平均在5%左右。分析表4可知，在拼接前新橋支座縱、橫向受到的力很小，由于拼接成整體后變形受到老橋的約束，新橋固定支座縱、橫向受力分別增加340 kN和670 kN，1號和9號墩受力增加了500 kN左右，但都滿足支座的設計要求。

通過以上對表2、表3、表4新橋部分位移和內力情況的對比分析，可以發現由于收縮徐變的繼續發展，老橋對新橋變形的約束作用，新橋部分在拼接成整體前后最大位移、應力、彎矩、扭矩在數值和發生的位置上都產生了一定的變化。由于在拼接前T梁已經存放了6月之久，T梁的收縮徐變已完成了絕大部分，所以在拼接前后新橋部分的位移和內力值雖發生了變化，但都在可控范圍內，不會對橋梁的結構安全造成影響。

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4 結論

通過對拓寬斜橋存梁階段和新橋拼接成整體前后階段考慮收縮徐變對橋梁的影響分析得出如下結論。

(1)隨著時間的增長，結構收縮徐變作用逐漸減弱，結構位移和內力的變化也逐漸趨于停止，2年后位移和內力數值變化率均小于5%。

(2)在180 d時收縮徐變已完成了全部收縮徐變的90%左右，因此我們建議實際施工中主梁吊裝過程不要太倉促，讓主梁保持在簡支狀態的時間不宜少于180 d，這樣混凝土有足夠的時間完成大部分的收縮徐變，從而使后續的成橋階段受到很小的收縮徐變的影響，不至于出現拼接橋梁在拼接部分常出現的混凝土開裂現象［6］。在本文橋梁拼接前后的位移內力對比分析中此方法也得到了很好的印證。

［1］徐慶軍，郭海昕．簡支轉連續橋的收縮徐變分析［J］．黑龍江交通科技，2009(10):104－107

［2］匡燁．混凝土收縮和徐變影響因素分析［J］．山西建筑，2008，34(1):173－174

［3］李波，吳文清．舊橋拓寬中拼接形式對舊橋受力的影響分析［J］．現代交通技術，2009，6(5):28－31

［4］周履，陳永春．收縮、徐變［M］．北京:中國鐵道出版社，1994

［5］JTG D62－2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［S］

［6］沈玉強，咸淼．混凝土收縮徐變對連續橋梁體系轉換的影響［J］．山西建筑，2009，35(15):313－314

［7］溫慶杰，葉見曙．新舊鋼筋混凝土梁橫向拼接的收縮徐變效應分析［J］．東南大學學報，2006，36(4):596－600