拼接時(shí)間對(duì)拓寬裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋的影響

徐文博

(山東省交通科學(xué)研究院，山東濟(jì)南 250031)

橋梁拓寬最值得關(guān)注的問題是拓寬后新梁對(duì)原有舊橋的受力性能的影響，這也是眾多專家學(xué)者研究的重點(diǎn)[1-7]。目前，中小跨徑橋梁大多數(shù)都是直接套用公路橋梁通用圖，在進(jìn)行公路橋梁的拓寬時(shí)，為了設(shè)計(jì)的方便，亦直接套用圖紙。

本文以某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁拓寬為背景，采用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行空間模擬分析，對(duì)不同拼接時(shí)間對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋拓寬后箱梁結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行研究，以期為今后的橋梁拓寬設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究方法及計(jì)算模型

梁格法[8-9]是橋梁結(jié)構(gòu)分析中廣泛應(yīng)用的一種方法，通過將每一區(qū)域內(nèi)的剛度集中在鄰近的等效梁格內(nèi)，實(shí)際結(jié)構(gòu)的縱向剛度與縱向構(gòu)件剛度等效，而橫向剛度則與橫向構(gòu)件剛度等效，其計(jì)算結(jié)果可以認(rèn)為有效可靠。本文采用梁格法對(duì)裝配式梁橋進(jìn)行有限元模擬分析。通過調(diào)整新舊橋的拼接時(shí)間分析拼接時(shí)間對(duì)新舊橋的影響。

1.1 箱梁橋工程概況

某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，舊橋于1990年12月竣工，橋梁全長(zhǎng)100 m，最大墩高36 m，原橋總寬13 m，單向3車道。該橋采用的設(shè)計(jì)荷載為汽-超20、掛-120，采用先簡(jiǎn)支后連續(xù)施工方法。現(xiàn)將舊橋的一側(cè)進(jìn)行拓寬[10]，新橋構(gòu)造形式也為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，跨徑為5×20 m，橋?qū)?1.75 m，梁高1.6 m，與舊箱梁布孔方式一致。設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí)。其拓寬箱梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 梁格有限元模型

用梁格法建立箱梁橋模型，如圖2所示。

梁格計(jì)算模型中，全橋共劃分為3 006個(gè)單元，2 302個(gè)節(jié)點(diǎn)。梁體為C50混凝土，密度為2.50×103kg/m3，彈性模量 34 500 MPa，全橋共10片梁，其中1#～4#梁為新建橋梁，5#～10#為舊橋，4#、5#橋梁為新舊相鄰橋梁，后續(xù)橋梁計(jì)算結(jié)果的橋梁編號(hào)以此為準(zhǔn)。

圖1 拓寬箱梁結(jié)構(gòu)

a)梁格網(wǎng)格劃分 b)效果圖圖2 梁格有限元模型

2 新舊橋的收縮徐變

在實(shí)際建橋過程中，往往需要新橋建成后盡早與舊橋相接，使橋梁及早投入使用。因?yàn)樾聵虻氖湛s會(huì)對(duì)舊橋產(chǎn)生影響，選擇合適的拼接時(shí)間至關(guān)重要。本文主要通過對(duì)比分析不同拼接時(shí)間對(duì)舊橋的影響程度，尋找合適的拼接時(shí)間，使得新橋發(fā)生一定程度的收縮徐變[11-14]，后期新舊橋連接后，對(duì)舊橋產(chǎn)生較小的影響。

2.1 新橋收縮徐變

新橋在剛建成時(shí)收縮徐變變化比較大[15-17]，而舊橋的收縮徐變基本完成，為了分析新建橋梁收縮徐變隨時(shí)間的變化規(guī)律，對(duì)3個(gè)不同時(shí)間段工況進(jìn)行分析，確定收縮徐變引起的新橋主梁關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力變化。3個(gè)工況為：工況一，新橋建成3個(gè)月后；工況二，新橋建成6個(gè)月后；工況三，新橋建成1 a后。

主梁應(yīng)力控制點(diǎn)示意圖如圖3所示，1#測(cè)點(diǎn)為邊跨支點(diǎn)處，2#測(cè)點(diǎn)為邊跨跨中處，3#、5#測(cè)點(diǎn)為中支點(diǎn)，4#測(cè)點(diǎn)為次邊跨跨中處，6#測(cè)點(diǎn)為第三跨跨中截面處。

2.1.1 收縮應(yīng)力結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

Midas/Civil對(duì)于每片主梁的截面正應(yīng)力均會(huì)輸出4個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)力，將1、2、3、4點(diǎn)分別定義為左上、右上、左下、右下。如圖4所示。多數(shù)工況下，左上與右上的正應(yīng)力、左下與右下的正應(yīng)力非常接近，為了便于表達(dá)，在頂板左上、右下取其中最大正應(yīng)力分別代表頂板正應(yīng)力，底板正應(yīng)力。

圖3 模型控制截面應(yīng)力示意圖 圖4 應(yīng)力測(cè)點(diǎn)

為了分析延長(zhǎng)拼接時(shí)間對(duì)拼接箱梁收縮應(yīng)力的影響效果，分別對(duì)上述3種工況下新建箱梁橋1#、2#主梁收縮應(yīng)力在橋梁控制點(diǎn)的變化情況進(jìn)行對(duì)比分析，其變化趨勢(shì)如圖5所示。

從圖5可以看出：1)在3種工況下，新建橋梁1#、2#梁的收縮應(yīng)力都不大，但是相比之下，1#、2#梁在工況二(即成橋6個(gè)月)下，收縮對(duì)新建橋梁主梁的影響最大，在成橋半年后收縮對(duì)主梁的影響逐漸減小；2)在3種工況下，梁體的收縮應(yīng)力相差不大，但是新橋建成6個(gè)月內(nèi)橋梁應(yīng)力變化最大。

圖5 主梁收縮應(yīng)力圖

2.1.2 徐變應(yīng)力結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

為了分析延長(zhǎng)拼接時(shí)間對(duì)拼接箱梁徐變應(yīng)力的影響效果,分別對(duì)3種工況下新建箱梁橋1#、2#主梁徐變應(yīng)力在橋梁控制點(diǎn)的變化趨勢(shì)進(jìn)行對(duì)比分析，其變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 主梁徐變應(yīng)力圖

從圖6可以看出：新建橋梁在工況二(即成橋6個(gè)月內(nèi))下，徐變對(duì)新建橋梁主梁的影響最大，在成橋半年以后隨著時(shí)間的推移徐變對(duì)主梁的影響逐漸減小；在3種工況下，梁體的徐變應(yīng)力相差不大，說明拼接時(shí)間對(duì)橋梁徐變應(yīng)力影響不大。

2.2 新舊橋連接后的收縮徐變

通過調(diào)節(jié)新、舊箱梁橋的拼接時(shí)間，進(jìn)一步模擬分析評(píng)價(jià)橋梁成橋以后半年內(nèi)，拼接后新橋?qū)εf橋的影響[18-22]。

工況四：新橋成橋1個(gè)月后與舊橋拼接，整體工作3 a；工況五：新橋成橋3個(gè)月后與舊橋拼接，整體工作3 a；工況六：新橋成橋6個(gè)月后與舊橋拼接，整體工作3 a。

2.2.1 收縮應(yīng)力結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

新舊橋梁拼接后靠近拼接處的6片主梁(3#～4#為新橋主梁，5#～8#為舊橋主梁)在各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力變化如圖7(頂板)、8(底板)所示。

從圖7可以看出：1)在3種工況下，新橋2片梁頂板都受拉，且與舊橋相連的4#梁受拉應(yīng)力比較大；舊橋中4片梁都受壓，且與新橋相連的5#梁受壓應(yīng)力比較大，說明該梁承擔(dān)了更多的收縮應(yīng)力；2)新舊橋梁拼接后選取的6片主梁收縮應(yīng)力的絕對(duì)值在工況四中最大，工況五次之，工況六最小；3)中跨跨中截面(6#)測(cè)點(diǎn)收縮應(yīng)力的絕對(duì)值比其他截面要大，說明該位置箱梁的收縮作用較充分。

從圖8可以看出：1)在3種工況下，新橋2片梁底板均受拉，且與舊橋相連的4#梁受拉應(yīng)力比較大；舊橋中4片梁都受壓，且與新橋相連的5#梁受壓應(yīng)力比較大，說明該梁承擔(dān)了更多的收縮應(yīng)力；2)新舊橋梁拼接后選取的6片主梁收縮應(yīng)力的絕對(duì)值在工況四中最大，工況五次之，工況六最小;3)中跨跨中截面(6#)測(cè)點(diǎn)收縮應(yīng)力的絕對(duì)值比其他截面要大，說明該位置箱梁的收縮作用較充分。

圖7 頂板應(yīng)力圖

圖8 底板應(yīng)力圖

2.2.2 徐變應(yīng)力結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

新舊橋梁拼接后靠近拼接處的6片主梁(3#～4#為新橋主梁，5#～8#為舊橋主梁)沿縱橋向頂、底板徐變應(yīng)力變化如圖9(頂板)、10(底板)所示。

圖9 頂板徐變應(yīng)力圖

圖10 底板徐變應(yīng)力圖

從圖9可以看出：1)在3種工況下，新舊橋梁拼接后選取的6片主梁頂板徐變應(yīng)力全部為拉應(yīng)力，靠近拼接部位4#、5#稍大些；2)拼接后，新建箱梁徐變應(yīng)力先增大后減小，在第一跨與第二跨處徐變應(yīng)力達(dá)到最大；舊橋箱梁的徐變應(yīng)力先增大后減小然后再增大，在次邊跨跨中達(dá)到最大；3)總的來看，各片主梁頂板徐變應(yīng)力在三種工況下十分接近。

從圖10可以看出：1)在3種工況下，新舊橋梁拼接后選取的6片主梁底板徐變應(yīng)力全部為壓應(yīng)力，這對(duì)主梁受力有利，且靠近拼接部位4#稍大些；2)拼接后，新建箱梁與舊橋箱梁徐變應(yīng)力變化趨勢(shì)基本相同，最大值均在第二跨支點(diǎn)3處或次邊跨跨中處。3)拼接后，新舊箱梁主梁底板徐變變化規(guī)律相似且徐變值在3種工況下相同截面十分接近。

3 結(jié)論

1)新建橋梁在成橋后半年內(nèi)的收縮徐變最大，半年后隨著時(shí)間的推移收縮徐變對(duì)主梁的影響逐漸變小。

2)延長(zhǎng)新舊箱梁拼接時(shí)間間隔可以減小新箱梁混凝土收縮徐變對(duì)整體箱梁的影響，但效果不明顯，在實(shí)際施工中由于工期的進(jìn)度的要求，可按要求選擇合適的拼接時(shí)間間隔。