存梁時間對拼寬T梁橋運營期主梁線形的影響

何啟龍, 張少強, 黃敘欽, 安平和, 鄔曉光*

(1. 長安大學 公路學院, 陜西 西安 710064;2. 中鐵大橋(南京)橋隧診治有限公司, 江蘇 南京 210061; 3. 中電建路橋集團有限公司, 北京 100048)

國外對拼寬橋的研究主要集中在拼寬結構改進和新材料[1]應用.如Agócs等[2]綜合采用了簡支變連續、橋面板更換為正交異性板和兩側增加斜撐等措施對Danube河的某簡支桁架梁進行加寬.Paeglitis等[3]在拉脫維亞的某座拼寬梁橋中采用輕骨料混凝土(LWAC)來代替原有橋面來降低靜載影響.Keller等[4]則在2014年的Avan?n橋兩車道加寬工程中采用了GFRP(輕質玻璃纖維增強聚合物)夾心橋面板來和已有鋼梁粘結.國內對橋梁拼寬的研究對象主要為混凝土梁式橋,從早期RC簡支梁橋拼接后的新舊梁載荷橫向分布變化開始,到目前連續梁橋、剛構橋、鋼橋和拱橋等的拼寬構造細節、力學分析和施工工藝改進等[5]方面,取得了較為成熟的發展.但在混凝土梁式橋拼寬的研究方面,新舊梁橫隔板剛度劣化[6]、拼寬橋可靠度變化[7]及新梁收縮徐變對新老結構的線形影響還有待進一步研究.

在拼寬施工階段,預制梁存梁期多采用6個月,且相應的理論分析主要以結構的受力變化為主,線形分析方面需要進一步的對比分析.如黃萍[8]以一座四跨連續T梁橋為例分析了收縮徐變新舊梁的受力問題.林天然等[9]則以簡支小箱梁為例,主要考慮了不同拼接方式下收縮徐變對結構的影響,沒有考慮存梁期對拼寬橋長期線形的影響.因此,本文主要研究在收縮徐變作用下存梁期對拼寬T梁橋運營期的三向變形影響.

1 工程概況

選擇某3×40 m連續拼寬T梁橋為依托工程,其主要技術指標如表1所示.該橋采用同結構T梁單邊加寬、上部結構新舊梁采用超剛接[10]、下部結構不連接的拼寬方式[11-12],將主橋由雙向四車道擴容成雙向八車道,并按原橋與拼寬部分共同受力的原則進行設計,如圖1所示.

表1 依托工程的主要技術指標Table 1 Main technical indicators of the project

圖1 連續T梁上部結構加寬斷面示意圖(以跨中為例)(單位:cm)Fig.1 Diagram of the widened section of continuous T beams(taking mid-span as an example)(unit:cm)

2 拼寬橋有限元模型建立

采用空間梁格法建立拼寬橋有限元模型[13], 如圖2所示. 為方便下文分析, 各梁片編號如圖3所示. 根據依托工程的拼寬流程, 從簡化分析的角度假設新梁在30 d內預制完成, 并在30 d內完成所有新梁的縱向拼接和橫隔板澆筑并進入存梁期; 待存梁期結束后, 8 d完成新舊梁之間的橫向拼寬, 隨后30 d完成橋面鋪裝等工序并投入運營.

圖2 3×40 m拼寬T梁橋有限元模型示意圖

Fig.2 Schematic diagram of finite element model of widened T-beam bridge of 3×40 m

圖3 新舊梁片編號示意圖Fig.3 The number diagram of new and old beams

3 運營時間對拼寬梁橋變形的影響研究

收縮徐變在拼寬完成后隨著橋梁服役時間的增加,其對線形的影響也不盡相同.因此,本節分析收縮徐變在不同運營階段對新舊梁的縱向、豎向和橫向變形的影響,并選擇表2中的運營階段參與計算,存梁期取6個月.載荷工況為恒載荷、移動載荷及預應力作用下的收縮徐變[14-15].

表2 新舊梁運營時間組合編號Table 2 Number of Combination operation time of new and old beams

3.1 新舊梁豎向變形分析

在收縮徐變作用下,存梁期為6個月且不同運營時間的新舊梁豎向變形計算結果如圖4、圖5所示.

分析圖4、圖5可知:運營時間不同,收縮徐變引起的豎向變形也不同;考慮到各梁片豎向位移變化值并不顯著,可以忽略運營時間對收縮徐變引起的豎向變形影響.考慮到拼接處的舊梁5與新梁1存在較大的豎向位移差,如左邊跨最大豎向位移差約為2 mm,而中跨的新舊梁豎向位移差最大約為4 mm;若拼接處橫隔板剛度不足,運營階段新舊梁之間的過大錯動可能引起橫隔板開裂.

圖4 左邊跨跨中截面豎向位移

圖5中跨跨中截面豎向位移

Fig.5 Vertical deformation of middle cross section of mid-span

3.2 新舊梁橫向變形分析

在收縮徐變作用下,取6個月存梁期,新舊梁運營時間為“20+10”的橫向變形如圖6所示.

圖6 6個月存梁期的“20+10”的橫向變形示意圖Fig.6 Diagrammatic sketch of the transverse deformation of “20+10” in beam-preserving period of 6 months

從圖6可知,在收縮徐變作用下,拼寬橋運營10 a后的橫向變形主要集中在端支點和中支點.在收縮徐變作用下,存梁期為6個月且不同運營時間段的左端支點和左中支點橫向變形計算結果如圖7、圖8所示.

圖7 左端支點截面橫向變形Fig.7 Transverse deformation of the left beam fulcrum

圖8 左中支點截面橫向變形Fig.8 Transverse deformation of left middle fulcrum

3.3 新舊梁縱向變形分析

收縮徐變作用下,拼寬橋的最大縱向變形在端支點和中支點.在收縮徐變作用下,存梁期為6個月且新舊梁不同運營時間的左端支點和左中支點縱向變形計算結果如圖9、圖10所示.

圖9左端支點截面縱向變形

Fig.9 Longitudinal deformation of the left beam fulcrum

從圖9、圖10可知:在收縮徐變作用下,不同運營時間主要影響新梁的縱向變形,但其相對變化值較小,約6 mm,且變形值低于舊梁,可以忽略運營時間對新舊梁橫向變形的影響;拼接處新舊梁的縱向變形差較大,變形協調性差,如左端支點拼接處新舊梁縱向變形差約為14 mm,而中跨的新舊梁豎向變形差約為5 mm,若拼接處橫隔板剛度不足,縱向不協調變形的影響可能引起開裂.

圖10左中支點截面縱向變形

Fig.10 Longitudinal deformation of left middle fulcrum

4 存梁期對拼寬梁橋變形的影響研究

4.1 拼接處新舊梁豎向變形差分析

通過表3的計算可知,隨著存梁期增加,拼接處的舊梁豎向下撓逐漸減小,而拼接處的新梁由下撓變為上撓并逐漸增加.

表3 收縮徐變作用下不同存梁期的拼接處新舊梁豎向變形值Table 3 Vertical deformation of the beams in different beam-preserving periods by shrinkage and creep mm

左邊跨及中跨跨中的拼接處新舊梁的豎向變形差如圖11所示.存梁期為1個月時,拼接處新舊梁在運營10 a后的左邊跨截面的豎向變形差達12 mm,對結構特別不利.

因此,從拼接處新舊

圖11不同存梁期內的拼接處新舊梁豎向變形差

Fig.11 Vertical deformation of the beams in difference beam-preserving periods

梁豎向撓度差變化分析,存梁期應考慮選擇3個月以上.

4.2 新舊梁橫向變形分析

新舊梁受不同存梁期影響,在舊橋運行20 a,拼寬橋運營10 a的橫向變形情況如圖12所示.隨著存梁期的增加,新舊主梁在支點處的橫向變形也逐漸減小.其中,存梁期為1個月時,支點處主梁的橫向位移最大約為25 mm,而存梁期為3個月時,支點處主梁的橫向位移最大約為20 mm.因此,從拼接處新舊梁橫向撓度差變化分析,存梁期應考慮選擇6個月以上.

4.3 拼接處新舊梁縱向變形差分析

通過表4可知,隨著存梁期的增加,拼接處舊梁在支點處的水平縱向變形逐漸減小,而拼接處的新梁則逐漸增加.

圖12 不同存梁時間的支點截面橫向變形Fig.12 Lateral deformation of fulcrum section of different beam-preserving time(a)—左端支點截面; (b)—左中支點截面

mm

左邊跨及中跨跨中的拼接處新舊梁的縱向變形差如圖13所示.存梁期為1個月時,拼接處新舊梁在運營10 a后的左邊跨截面的縱向變形差約達24 mm,對結構特別不利,而存梁期為3個月時,拼接處新舊梁在運營10 a后的左端支點的縱向變形差約達19 mm,同樣對結構不利,6個月后則主梁縱向變形相對平滑.因此,從拼接處新舊梁縱向撓度差變化分析,存梁期應考慮選擇6個月以上.

圖13 不同存梁期內的拼接處新舊梁縱向變形差

5 結 論

通過對不同存梁期和新舊梁運營時間下的新舊梁豎向、橫向和縱向等的變形分析可得出如下結論:

(1) 在考慮收縮徐變對拼寬橋線形的影響時,可忽略新舊橋梁的運營時間差影響.

(2) 建議拼寬用新梁在預制完成后,存梁期宜取為6個月以上.存梁期過短,會引起新舊梁三向變形過大,對結構受力不利;如存梁期選擇為一個月,會引起拼接處新舊梁的豎向和縱向錯動過大,對結構受力十分不利.當施工工期緊張,選擇3個月存梁期時,建議適當增加拼接處橫隔板及濕接縫的剛度,避免運營階段過大的變形差引起縱向和豎向開裂.