采用部分拼接方法拓寬的長聯(lián)橋梁設(shè)計(jì)與施工

■葛金城

（河北省高速公路石安改擴(kuò)建籌建處，石家莊 050000）

采用部分拼接方法拓寬的長聯(lián)橋梁設(shè)計(jì)與施工

■葛金城

（河北省高速公路石安改擴(kuò)建籌建處，石家莊 050000）

以三座長聯(lián)橋梁為背景，采用有限元方法分析了普通拼接方法拼寬的長聯(lián)橋受力性能，結(jié)果表明采用普通拼接方法的三座長聯(lián)新橋的靜置時(shí)間均需三年以上。通過不拼接段長度確定、不拼接段構(gòu)造設(shè)計(jì)和拼接后各構(gòu)件承載力驗(yàn)算，介紹了采用“新、舊橋沿縱橋向部分拼接”拓寬的長聯(lián)橋梁設(shè)計(jì)方法，結(jié)果表明采用部分拼接方法的情況下，根據(jù)各新橋?qū)嶋H靜置時(shí)間，三座長聯(lián)橋兩端的不拼接段均為三跨；拼接后各構(gòu)件受力均滿足要求。介紹了采用部分拼接方法拓寬的三座長聯(lián)橋梁施工，拼寬后三座長聯(lián)橋在運(yùn)營狀況良好，部分拼接方法可在長聯(lián)橋梁的拓寬拼接中推廣。

長聯(lián)橋梁 部分拼接方法 拼接構(gòu)造 鋼板連接

1 前言

在公路改擴(kuò)建工程中面臨著大量的橋涵構(gòu)造物的改擴(kuò)建。橋梁拓寬拼接的方法有很多，其中“新、舊橋上部結(jié)構(gòu)連接、下部結(jié)構(gòu)不連接[1]”已成為目前國內(nèi)橋梁拓寬的主要拼接方式。然而，采用這種拼接方法拓寬的橋梁在新、舊橋混凝土收縮和徐變差異等影響下，新、舊橋上部結(jié)構(gòu)連接處會(huì)產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力，甚至出現(xiàn)裂縫。因而，進(jìn)行橋梁擴(kuò)寬研究顯得尤為重要。

目前已有許多學(xué)者對(duì)拓寬橋梁拼接后的整體受力性能以及各種因素對(duì)拓寬橋梁結(jié)構(gòu)受力的影響開展了大量的研究工作，并取得了一定成果。文獻(xiàn)[2-4]采用了有限元、試驗(yàn)、理論推導(dǎo)等方法分析了新、舊主梁混凝土收縮和徐變差異對(duì)拓寬橋梁內(nèi)力變化、平面變形等的影響。Nie[5]通過試驗(yàn)研究得到了組合鉸處新、舊混凝土接觸面的抗剪強(qiáng)度和失效模式。Chai等[6]通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)研究指出拓寬橋梁新、舊橋連接構(gòu)造的剛度決定了新橋建成后需要靜置的時(shí)間。方志等[7]研究成果表明新、舊橋之間的混凝土收縮、徐變差異會(huì)導(dǎo)致拓寬后的橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著的橫橋向變形，使支座發(fā)生剪切破壞。劉桂紅[8]指出新橋采用簡支結(jié)構(gòu)可減少新、舊橋的混凝土收縮和徐變差，并且新橋建成3年后再拼接方可確保拓寬后橋梁結(jié)構(gòu)安全。陳康明等[9]研究表明混凝土收縮是引起拓寬拼接后長聯(lián)橋梁產(chǎn)生縱、橫橋向變形最主要的因素，為避免3座長聯(lián)橋梁的舊橋支座發(fā)生剪切破壞，均需將新梁建成靜置3年后再進(jìn)行拓寬拼接，這將嚴(yán)重影響長聯(lián)橋梁施工工期，增加建設(shè)成本。為此，文獻(xiàn)[10]提出了可縮短長聯(lián)橋梁拼接時(shí)間的“部分拼接”的方法。本文以長聯(lián)橋梁為研究對(duì)象，以三座實(shí)橋介紹采用部分拼接方法拼寬的長聯(lián)橋的設(shè)計(jì)與施工，為以后縮短長聯(lián)橋梁拼寬時(shí)間提供參考。

2 工程簡介

依托工程為某高速公路改擴(kuò)建段的三座長聯(lián)橋梁，其聯(lián)跨組合見表1。拓寬用新橋與舊橋的結(jié)構(gòu)形式相同，均為長聯(lián)多跨裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋。舊橋上部結(jié)構(gòu)由4片主梁組成，新橋上部結(jié)構(gòu)由3片主梁組成。圖1為新、舊橋主梁典型橫斷面構(gòu)造圖，每片新、舊橋主梁均為單箱單室等高度箱梁，箱梁高分別為160cm和150cm，中梁截面頂板寬均為240cm，頂板厚度分別為18cm和15cm，底板寬度分別為100cm和110cm。

表1 三座長聯(lián)橋的聯(lián)跨組合

3 普通拼接方法設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 普通拼接方法

圖1 新、舊橋主梁跨中橫斷面構(gòu)造（單位：cm）

長聯(lián)橋梁拓寬時(shí)常以“新舊橋上部結(jié)構(gòu)連接、下部結(jié)構(gòu)不連接”為原則，采用“部分預(yù)制+部分現(xiàn)澆”的施工方法將新、舊橋主梁間的橫隔板布置在每跨的跨中和端部，通過橫隔板將新、舊橋主梁的腹板連接起來，消除整體撓度差；通過現(xiàn)澆混凝土濕接縫將新舊橋主梁翼緣板連接起來，防止新舊橋主梁翼緣在外荷載作用下出現(xiàn)局部撓度差，影響拓寬橋梁的正常使用。拓寬后三座長聯(lián)橋上部結(jié)構(gòu)的橫截面示意圖見圖2。

圖2 拓寬后上部結(jié)構(gòu)的橫截面構(gòu)造（單位：mm）

3.2 模型建立與分析

分別選取漳河特大橋12跨一聯(lián)，支漳河特大橋17跨一聯(lián)，和洺河特大橋18跨一聯(lián)的主橋作為分析對(duì)象，利用MIDAS/Civil有限元軟件，采用梁格法建立三座長聯(lián)橋的空間有限元模型。將主梁作為縱橋向單元，根據(jù)實(shí)際橫向剛度建立虛擬橫梁與主梁連接。虛擬橫梁只有剛度不計(jì)重量，由此實(shí)現(xiàn)現(xiàn)澆混凝土濕接縫的模擬。支座采用彈簧單元模擬其實(shí)際剛度，主梁與支座連接方式為彈性連接中的剛接。以18跨一聯(lián)的洺河特大橋?yàn)槔溆邢拊Ｐ腿鐖D3所示。

有限元模型計(jì)算表明長聯(lián)橋梁新、舊橋主梁沿縱橋向全部拼接時(shí)，由于縱橋向拼接縫的存在使得由于混凝土收縮和徐變等長期荷載產(chǎn)生的新橋主梁縱橋向變形受到舊橋主梁的約束，導(dǎo)致新、舊橋主梁在橫橋向均發(fā)生彎曲變形。

由圖4可知，當(dāng)漳河特大橋、支漳河特大橋、，洺河特大橋的新橋建成后靜置時(shí)間為3年時(shí)，混凝土收縮等長期荷載造成的舊橋支座橫橋向位移最大值分別為19.14mm、19.01mm和18.99mm，仍然大于相應(yīng)的容許值17.50mm，說明對(duì)于三座長聯(lián)橋結(jié)構(gòu)，若新、舊橋主梁沿縱橋向采用橫隔板和濕接縫的拼接方式，要使舊橋支座不會(huì)因混凝土收縮造成的橫橋向位移過大而發(fā)生剪切破壞，拼接時(shí)間必須大于3年，即采用普通拼接方法拓寬的長聯(lián)橋梁，其新橋形成連續(xù)梁結(jié)構(gòu)體系后的靜置時(shí)間需超過3年，這將嚴(yán)重影響實(shí)橋建設(shè)工期。

圖3 洺河特大橋有限元模型

圖4 舊橋支座橫向變形隨拼接時(shí)間影響

4 采用部分拼接方法拓寬的長聯(lián)橋梁設(shè)計(jì)

4.1 不拼接段長度確定

受工期要求，漳河特大橋、支漳河特大橋和洺河特大橋的新橋建成后靜置時(shí)間如表2所示。根據(jù)長聯(lián)橋梁新橋建成后的實(shí)際靜置時(shí)間和文獻(xiàn)[10]提出的部分拼接方法，采用第2節(jié)中相同的建模方法，分別計(jì)算新、舊橋主梁沿縱橋向采用普通拼接方法全部拼接、一聯(lián)兩端2跨和3跨不拼接3種情況下，新、舊橋拼接完畢10年后的橋梁結(jié)構(gòu)在混凝土收縮和徐變等荷載作用下產(chǎn)生的橫橋向變形。結(jié)果表明為使長聯(lián)橋梁在施工期間3年內(nèi)進(jìn)行拼接，且使新、舊橋拼接10年后支座在混凝土收縮和徐變作用下產(chǎn)生的橫橋向變形小于容許值，不拼接段長度均為一聯(lián)兩端各3跨，見表2。

表2 三座長聯(lián)橋沿縱橋向拼接長度

4.2 不拼接段拼接構(gòu)造設(shè)計(jì)

為保證不拼接段橋面鋪裝不出現(xiàn)裂縫，且新、舊橋主梁橫橋向不發(fā)生碰梁，根據(jù)文獻(xiàn)[10]，在不拼接段新、舊橋主梁翼緣間沿縱橋向每隔一段距離設(shè)置一道連接構(gòu)造進(jìn)行拼接。不拼接段的拼接構(gòu)造見圖5，新、舊橋主梁翼緣間沿縱橋向每隔 1.5m設(shè)置一道長×高×厚為：40cm× 18cm×1.5cm的Q235鋼板進(jìn)行連接，縱向鋼筋分段焊接在鋼板上；橋面現(xiàn)澆混凝土層中心線處設(shè)置一道高10cm的鋅鐵皮用來隔斷橫向鋼筋和混凝土；橋面瀝青層鋪裝完成后，在鋼板拼接段范圍內(nèi)由表面切割一條深度為瀝青鋪裝厚度1/2縫隙，并用瀝青瑪蹄脂填縫。斷縫兩側(cè)各10cm現(xiàn)澆層上應(yīng)先設(shè)一層2mm厚的聚氨酯防水卷材或?yàn)r青油氈并加熱密封粘結(jié)，再全橋統(tǒng)一采用防水涂料。

圖5 不拼接段拼接縫構(gòu)造（單位：cm）

4.3 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

為保證拓寬后長聯(lián)橋梁的安全性與耐久性，對(duì)新橋主梁、濕接縫、橋面鋪裝、拼接鋼板等構(gòu)件進(jìn)行抗剪、抗彎、抗扭承載力驗(yàn)算。以漳河特大橋的主橋?yàn)槔鶕?jù)《公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D60-2004）[11]進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，各構(gòu)件的承載力驗(yàn)算結(jié)果匯總于表3。由表3可知，離散拼接段各構(gòu)件承載力滿足規(guī)范要求。

表3 漳河特大橋主橋結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果匯總表

5 采用部分拼接方法拓寬的長聯(lián)橋梁施工

對(duì)于采用部分拼接方法拼寬的長聯(lián)橋梁，其拼接過程包括兩次。第一次為為了縮短拼接時(shí)間，沿縱橋向新、舊橋主梁采用部分拼接方法拼接；第二次為待混凝土收縮徐變結(jié)束后，將采用鋼板連接的不拼接段按照全拼節(jié)段的拼接方式進(jìn)行拼接。

5.1 一次拼接施工方法

對(duì)于采用部分拼接方法拼寬的長聯(lián)橋，首先，由橋梁中跨向兩邊整跨施工連續(xù)拼接段。連續(xù)拼接段按照普通的鋼筋搭接方式進(jìn)行包含橫隔板和橫梁在內(nèi)的拼接，直至兩端各剩3跨。然后，進(jìn)行不拼接段的施工。

采用鋼板拼接構(gòu)造的不拼接段體施工步驟為：

（1）離散拼接區(qū)段橫隔板、橫梁不拼接，橫向鋼筋不連接。

（2）每隔1.5m設(shè)置一塊40cm×18cm×1.5cmQ235鋼板連接新、舊橋主梁。

（3）濕接縫及橋面現(xiàn)澆混凝土層中心線處設(shè)置一道高28cm的鋅鐵皮用來隔斷橫向鋼筋。

（4）在鋼板兩側(cè)設(shè)置8cm×5cm×18cm的軟木塊，縱向鋼筋分段焊接在鋼板上，橫向鋼筋用鋅鐵皮隔斷不連接。

（5）橋面瀝青層鋪裝完成后，在鋼板拼接段范圍內(nèi)由表面切割一條深度為瀝青鋪裝厚度1/2縫隙，然后用瀝青瑪蹄脂填縫。

（6）斷縫兩側(cè)各10cm現(xiàn)澆層上先設(shè)一層2mm厚的聚氨酯防水卷材或?yàn)r青油氈并加熱密封粘結(jié)，再全橋統(tǒng)一采用防水涂料。

圖6 采用部分拼接方法拼寬的長聯(lián)橋照片

5.2 二次拼接施工方法

二次拼接的施工工序?yàn)椋?/p>

（1）定出離散拼接段縱向濕接縫的中心線。

（2）鑿除橋面鋪裝層：由靠近連續(xù)拼接段的一跨開始，依次鑿除中心線左右兩側(cè)95cm范圍內(nèi)的橋面鋪裝層，三跨的橋面鋪裝全部鑿開。

（3）鑿除舊橋翼緣板：橋面鋪裝層鑿除以后，同樣由靠近連續(xù)拼接段的一跨開始，鑿除中軸線左右兩側(cè)20cm范圍內(nèi)的新、舊橋主梁翼緣板。翼緣板每次的鑿除長度不應(yīng)大于一跨。在翼緣板鑿除時(shí)，保留拼接構(gòu)造鋼板。

（4）進(jìn)行橫隔板連接，澆筑混凝土，完成橫隔板的施工。

（5）安裝濕接縫模板，與鋼筋焊接，混凝土澆筑，完成濕接縫的施工。

（6）鋪設(shè)濕接縫處的橋面鋪裝層。

目前，采用“部分拼接方法”與“采用鋼板連接的拼接構(gòu)造”進(jìn)行拓寬后的漳河特大橋、支漳河特大橋、洺河特大橋運(yùn)營狀況良好。在連續(xù)拼接段，未發(fā)現(xiàn)任何破壞現(xiàn)象。對(duì)于不拼接段，鋼板與翼緣連接處以及橋面鋪裝與主梁翼緣結(jié)合面等關(guān)鍵未出現(xiàn)任何破壞現(xiàn)象。說明鋼板連接的拼接構(gòu)造在三座長聯(lián)橋梁中的應(yīng)用效果良好。

6 結(jié)語

通過不拼接段長度確定、不拼接段構(gòu)造設(shè)計(jì)，以及拼接后各構(gòu)件驗(yàn)算介紹了三座采用部分拼接方法拼寬的長聯(lián)橋的設(shè)計(jì)，介紹了三座采用部分拼接方法拼寬的長聯(lián)橋的施工步驟。目前，三座長聯(lián)橋梁運(yùn)營狀況良好，部分拼接方法可推廣應(yīng)用于長聯(lián)橋梁拼寬中，為今后長聯(lián)橋拼寬設(shè)計(jì)與施工提供參考。

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[11]JTG D60-2004,公路鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].