預應力混凝土簡支空心板拼寬研究分析

謝玉萌， 朱自萍

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司;公路交通節能環保技術交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年來，我國經濟處于高速增長的狀態，促使公路交通量持續增加。許多高速公路都是雙向四車道，已經無法滿足當前的交通需求，需要對其進行拓寬[1,2]。

我國運營的中小跨徑橋梁中，空心板橋數量較多，空心板拓寬連接基本都是上部結構連接，下部結構不連，而上部結構主要是通過濕接縫進行連接[3,4]。

本文結合實際工程項目，對20 m預應力混凝土簡支空心板拼寬處的濕接縫受力進行研究分析，并結合有限元計算結果，確定拼接處濕接縫的受力模式，從而進行配筋設計。并給出一些控制濕接縫裂縫發生的建議。

1 工程概況

既有橋梁結構形式為裝配式預應力混凝土簡支空心板(20 m)，共11片空心板，主梁高度0.90 m。既有橋梁段邊板寬1.435 m，中板寬1.17 m。拼寬段裝配式預應力混凝土簡支空心板(20 m)，共5片空心板。主梁高度0.95 m，外側邊板寬1.62 m，內側邊板寬1.24 m，中板寬1.24 m?？招陌鍢藴势磳挋M斷面布置如圖1所示。既有橋梁段和拼寬橋梁段通過濕接縫連接，濕接縫寬39.5 cm，厚19 cm。

圖1 空心板標準拼寬橫斷面圖(單位：cm)

2 接縫縱向受力分析

2.1 計算模型

采用MIDAS Civil梁格法進行建模，如圖2所示，縱向梁格的剛度按各片空心板的剛度進行選取，橫向梁格截面為空心板的頂板截面，并通過釋放梁端約束的方式來模擬空心板的鉸接。為模擬鉸接構造，在計算模型中釋放了新、舊空心板接縫橫梁端節點的角位移，使其能夠轉動，傳遞剪力但不傳遞彎矩。這樣的處理方式與實際情況較吻合。

圖2 Midas Civil整體梁格模型圖

拼寬橋梁的施工過程見表1，其中CS1為舊橋施工，實際建造年限考慮了12年的收縮徐變，CS2～CS3為新橋空心板施工，CS4為新橋存梁等待時間，CS5階段是二期鋪裝，CS6為澆筑混凝土后的收縮徐變，總計考慮3 650 d。

表1 施工流程圖

2.2 計算結果

整體模型計算完成后，可以得出拼接縫處縱向受力，對拼接縫處進行RC截面配筋設計。本次梁格模型對接縫處縱向進行使用階段正截面抗彎驗算、使用階段斜截面抗剪驗算、使用階段裂縫寬度驗算。接縫處縱向配筋情況為：上緣配置3根直徑為12 mm的鋼筋，下緣配置3根直徑為12 mm的鋼筋，抗剪鋼筋直徑為12 mm。從結果上看承載能力和裂縫寬度均可以滿足要求。

3 接縫橫向受力分析

3.1 計算模型

采用三維有限元軟件MIDAS Fea建立實體有限元模型，車輛荷載選用55 t標準車進行加載,其在橋梁縱向布置情況如圖3所示,橋長20 m，重車車輪布置在跨中位置。

圖3 車輛荷載縱向布置形式

車輛荷載橫向布置采用兩種方式，如圖4所示。工況一為偏載模式，此時接縫上緣橫向拉應力最大,下緣橫向壓應力最大。工況二為重車車輪作用在拼接縫處模式，此時接縫下緣橫向拉應力最大，上緣橫向壓應力最大。

圖4 車輛荷載橫向布置形式

3.2 計算結果

分別進行持久狀況抗裂驗算和最大壓應力驗算，并考慮升溫組合和降溫組合，抗裂計算結果是接縫處橫橋向最大拉應力為8.3 MPa，發生在接縫下緣支點處角點，范圍較小，接縫上緣跨中最大橫橋向拉應力為1.9 MPa，接縫上緣支點拉應力在5～8 MPa，拉應力支點較大，從支點到跨中整體遞減。壓應力驗算結果為接縫處橫橋向最大壓應力為18 MPa，發生在接縫下緣支點處。

4 沉降計算

對于拓寬橋梁，由于修建時間較長，原橋基礎沉降已基本完成，而拼寬部分的基礎還有可能發生沉降，整體沉降差必然存在，沉降差會在橋梁梁體，特別是拼接縱縫中產生不利影響，進而影響結構安全及正常使用。假設新橋基礎沉降按線性規律反映到新橋空心板，基礎沉降模擬如圖5所示，分別取新橋最大沉降量為3、5 mm進行分析。

圖5 基礎沉降模擬示意圖(以5 mm為例)

表2匯總了新橋線性最大沉降分別為3、5 mm時接縫單元上、下緣最大應力。以受拉為“+”，受壓為“-”。

表2 沉降引起的接縫混凝土應力

由表2可以發現，沉降引起的接縫混凝土應力隨著沉降量的增加而增大的趨勢。在設計時應對新建橋梁基礎進行相應的處理，以保證其沉降值在許可的范圍之內。

5 接縫支點加厚處理后計算結果

針對接縫支點處拉應力較大情況，采用支點加厚處理，加厚高度為老空心板的高度，總高90 cm，縱向加厚長度為40 cm，進行抗裂驗算。接縫處橫橋向最大拉應力為6.7 MPa，發生在接縫支點上緣，范圍較小，加厚端下端拉應力最大為6.6 MPa，支點加厚之后拉應力水平會降低。

支點加厚之后，沉降計算見表3，可以發現沉降引起的接縫混凝土應力水平有所降低，但是支點上緣和下緣拉應力仍然較大，因此在設計時應對新建橋梁基礎進行相應的處理，以保證其沉降值在許可的范圍之內。

表3 沉降引起的接縫混凝土應力(支點加厚處理)

6 結 論

通過建立全橋實體有限元模型，研究既有橋梁拼寬濕接縫在荷載作用下受力情況，給出以下幾點建議：

(1)接縫在梁端部受力較大，支點需采用加厚處理，并在接縫處支點縱向1.5 m范圍內，加強配筋。

(2)支點1.5 m范圍內將橋面鋪裝層內的鋼筋直徑變為16 mm，以提高濕接縫橋面處抗裂能力。

(3)由于沉降產生的橫向拉應力水平較高，應適當加大樁長、樁徑，控制新樁總的沉降量，如工期允許，建議延后新老空心梁的拼接時間，可在吊裝完新空心梁后放置6個月以上時間，既可減小新、老空心板的收縮徐變差的影響，也可降低新老基礎的沉降差。

(4)可以在接縫處采用高性能混凝土。