預(yù)制結(jié)構(gòu)橋梁拼接濕接縫受力性能分析及荷載試驗(yàn)

何小軍， 余茂峰， 葉建龍

(浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州310006)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，交通流量持續(xù)增長，一些既有公路設(shè)計(jì)服務(wù)水平已經(jīng)不能滿足需求。近年來，國內(nèi)相繼在廣佛、滬杭甬、滬寧、沈大、杭金衢和甬臺溫復(fù)線等多條高速公路開展了拼寬改造建設(shè)，其中新老橋梁結(jié)構(gòu)的拼寬處理，是改擴(kuò)建工程中必須解決的關(guān)鍵問題。預(yù)制結(jié)構(gòu)橋梁在高速公路橋梁中占據(jù)很大的比重，如何對種類繁多的預(yù)制結(jié)構(gòu)橋梁進(jìn)行合理的拼寬處理顯得尤為重要。但目前對于橋梁拼接施工工藝，國內(nèi)還沒有較為成熟的配套規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)。本文通過杭金衢、甬臺溫復(fù)線高速改擴(kuò)建工程的設(shè)計(jì)工作，對多種形式的預(yù)制結(jié)構(gòu)橋梁拼寬連接形式作一總結(jié)，并采用梁板組合模型分析拼接處濕接縫的受力性能，結(jié)合荷載試驗(yàn)情況進(jìn)行驗(yàn)證分析，以期為今后改擴(kuò)建工程中預(yù)制結(jié)構(gòu)橋梁的拼寬設(shè)計(jì)提供參考。

1 預(yù)制結(jié)構(gòu)橋梁拼寬連接形式

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)梁板形式的不同，預(yù)制結(jié)構(gòu)梁板間的連接形式分為空心板梁間的連接、組合I梁(T梁)間的連接、小箱梁間的連接、I梁(T梁)或小箱梁與空心板梁的連接等。

1.1 空心板梁間的連接

因空心板梁結(jié)構(gòu)在早期公路工程中采用較多，其拼寬連接形式經(jīng)歷了較長時(shí)間的實(shí)踐和改進(jìn)，空心板間的連接根據(jù)其應(yīng)用發(fā)展歷程可分以下三種：

(1)在老橋邊板上(帶懸臂的邊板先鑿除懸臂部分)種植螺栓，安裝已焊接上橫向連接鋼筋的鋼板，鋼板與老橋邊板外側(cè)通過螺栓和環(huán)氧樹脂緊密牢固地連接在一起，新板的預(yù)埋鋼筋與老橋邊板上已安裝的橫向連接鋼筋通過焊接連接(圖1)。

圖1 空心板間連接構(gòu)造形式(一)

(2)新老梁板采用植筋連接，N1鋼筋種植采用環(huán)氧樹脂粘膠，濕接頭采用鋼纖維混凝土，植筋孔應(yīng)避開普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋。本圖適用于6 m、8 m、10 m空心板新老梁板間橫向連接構(gòu)造(圖2)。

圖2 空心板間連接構(gòu)造形式(二)

(3)新老梁板采用自攻型錨定螺栓連接。通過機(jī)械設(shè)備先在混凝土相應(yīng)位置鉆出配套的螺紋孔，然后將錨定螺栓直接攻入孔內(nèi)，切削齒自切入混凝土，與混凝土機(jī)械咬合，從而將荷載傳遞至混凝土內(nèi)。本圖適用于13～30 m空心板新老梁板間橫向連接構(gòu)造(圖3)。

圖3 空心板間連接構(gòu)造形式(三)

早期舊橋拼寬工程中，新舊橋接縫多采用焊接植筋和化學(xué)植筋。鋼筋焊接對植筋膠錨固力影響較大，普通植筋膠無法滿足焊接要求，須采用特制植筋膠才能保證鋼筋焊接后的錨固力。由于施工質(zhì)量無法保證，易造成拼接縫病害。后在杭金衢高速改擴(kuò)建工程中開始采用“自攻型錨定螺栓”，驗(yàn)證了該錨固方法具有植入深度小、抗拉拔強(qiáng)度高、施工方便、不受焊接影響等特點(diǎn)，能解決傳統(tǒng)植筋方法存在的問題，并在該項(xiàng)目中得到推廣。

1.2 組合I梁(T)梁間、I梁(T梁)與空心板梁的連接

在老橋邊板上種植鋼筋，澆筑單側(cè)橫隔梁，新澆筑的橫隔梁與新板上的預(yù)制橫隔梁間預(yù)留空隙并通過鋼板進(jìn)行連接，如圖4、圖5所示。

圖5 T梁與空心板間連接構(gòu)造

1.3 小箱梁間、小箱梁與空心板梁的連接

拆除老橋外側(cè)防撞護(hù)欄、邊梁的部分挑臂及部分混凝土橋面鋪裝，保留挑臂內(nèi)鋼筋。增設(shè)橋面板鋼筋和橋面鋪裝層鋼筋，與老橋挑臂鋼筋和新橋邊梁的預(yù)埋鋼筋進(jìn)行連接，整體現(xiàn)澆濕接頭與橋面鋪裝混凝土，形成剛性連接(圖6、圖7)。

圖6 小箱梁間連接構(gòu)造

圖7 小箱梁與空心板間連接構(gòu)造

2 多種拼寬連接形式有限元計(jì)算及荷載試驗(yàn)

針對上節(jié)所述預(yù)制結(jié)構(gòu)橋梁拼接的多種連接形式，為明確梁板間剛性連接的受力機(jī)理和傳力效果，本節(jié)將選取具有代表性的幾種板間剛性連接形式，建立空間梁板組合有限元模型，并結(jié)合實(shí)橋荷載試驗(yàn)進(jìn)行分析驗(yàn)證。

2.1 空心板梁間連接計(jì)算及荷載試驗(yàn)

以一座5孔13 m跨徑的簡支空心板梁橋?yàn)槔＝Y(jié)構(gòu)形式：13 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板簡支梁。連接形式：新板梁與老板梁采用剛性連接。拼寬結(jié)構(gòu)為7塊13 m跨度的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，拼寬斷面如圖8所示。

圖8 空心板拼寬橋斷面布置

荷載加載情況：為與荷載試驗(yàn)進(jìn)行對比，有限元計(jì)算的荷載考慮與荷載試驗(yàn)的加載車輛相同；試驗(yàn)荷載采用解放牌載重車，前軸到中軸3.25 m，中軸到后軸1.45 m。試驗(yàn)車總重30 t，其中前軸重6 t，后軸加中軸重24 t；計(jì)算加載工況同荷載試驗(yàn)工況，考慮多個(gè)輪位的加載，對拼寬接縫來說最不利的輪位為4輪位。以4輪位跨中荷載為計(jì)算荷載工況(圖9～圖11)。

圖9 空心板拼寬橋輪位及測點(diǎn)斷面布置

圖10 最不利輪位位移

圖11 最不利輪位應(yīng)力

通過有限元計(jì)算，拼寬后結(jié)構(gòu)在荷載作用下變形連續(xù)，無突變變形，新舊結(jié)構(gòu)跨中撓度分配合理，處于共同受力狀態(tài)；實(shí)橋荷載試驗(yàn)測試表明，連接處板梁間無明顯應(yīng)變差異，梁體下緣應(yīng)變測試和撓度測試的結(jié)果均進(jìn)一步反映出新舊結(jié)構(gòu)共同受力狀態(tài)良好；試驗(yàn)荷載作用下梁的最大拉應(yīng)力為0.87 MPa，接縫處的混凝土最大拉應(yīng)力為0.49 MPa，壓應(yīng)力為1.47 MPa，混凝土具有足夠的安全貯備(表1)。

表1 空心板拼寬結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算與荷載試驗(yàn)結(jié)果對比

2.2 組合I梁(T梁)間連接計(jì)算及荷載試驗(yàn)

以一座5孔25 mI型梁為例。結(jié)構(gòu)形式：老橋?yàn)?片梁的簡支I型梁，新板梁與老板梁采用剛性連接。拼寬橋?yàn)?片I型梁(圖12)。

圖12 I型梁拼寬橋斷面布置

荷載加載情況：試驗(yàn)荷載采用解放牌載重車，前軸到中軸3.25 m，中軸到后軸1.45 m。大橋試驗(yàn)車總重35 t，其中前軸7 t，后軸加中軸重28 t。考慮多個(gè)輪位的加載，對接縫來說最不利的輪位為4輪位。以4輪位跨中荷載為計(jì)算荷載工況(圖13～圖15)。

圖13 I型梁拼寬橋輪位及測點(diǎn)斷面布置

圖14 最不利輪位位移

圖15 最不利輪位應(yīng)力

通過有限元計(jì)算，拼寬后結(jié)構(gòu)在荷載作用下?lián)隙确植计交B續(xù)，無突變現(xiàn)象，新舊結(jié)構(gòu)處于共同受力狀態(tài)；實(shí)橋荷載試驗(yàn)測試表明，連接處板梁間無明顯應(yīng)變差異，梁體下緣應(yīng)變測試和撓度測試的結(jié)果均進(jìn)一步反映出新舊結(jié)構(gòu)處于共同受力狀態(tài)；試驗(yàn)荷載作用下最大拉應(yīng)力出現(xiàn)于接縫處橫隔板，為0.73 MPa，混凝土具有足夠的安全貯備(表2)。

表2 I型梁拼寬結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算與荷載試驗(yàn)結(jié)果對比

2.3 小箱梁間連接計(jì)算

以一座5孔20 m小箱梁橋拼寬為例。結(jié)構(gòu)形式：老橋?yàn)?片梁的簡支小箱梁，新梁片與老梁片采用剛性連接。拼寬橋?yàn)?片小箱梁(圖16)。

圖16 小箱梁拼寬橋斷面布置

荷載加載情況：有限元計(jì)算采用公路-I級車輛荷載，總重55 t。考慮橫向多個(gè)輪位的加載，對接縫來說最不利的輪位為重軸位于接縫跨中時(shí)的計(jì)算工況(圖17～圖19)。

圖17 小箱梁拼寬橋輪位斷面布置

圖18 最不利輪位位移

圖19 最不利輪位應(yīng)力

通過有限元計(jì)算，拼寬后結(jié)構(gòu)在荷載作用下?lián)隙确植计交B續(xù)，無突變現(xiàn)象，新舊結(jié)構(gòu)處于共同受力狀態(tài)。最不利輪位荷載作用下最大拉應(yīng)力為0.36 MPa，出現(xiàn)于老橋側(cè)跨中接縫下緣，混凝土具有足夠的安全貯備(表3)。

3 結(jié)束語

本文以杭金衢、甬臺溫復(fù)線高速改擴(kuò)建工程為背景，針對多種預(yù)制結(jié)構(gòu)橋梁拼寬連接形式，采用梁板組合模型計(jì)算其新舊梁板拼接濕接縫在車輛荷載作用工況下的的受力性能，并結(jié)合部分實(shí)橋荷載試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證分析，得到的主要結(jié)論如下：

(1)預(yù)制結(jié)構(gòu)橋梁梁板間拼接形式多樣，總結(jié)以往工程實(shí)例中的連接構(gòu)造，均為有效可靠的連接。

(2)新老結(jié)構(gòu)拼接之后處于共同受力狀態(tài)，對老橋結(jié)構(gòu)受力性能有一定程度改善，并對整體承載能力有所提高。

(3)經(jīng)與實(shí)橋荷載試驗(yàn)比對，采用梁板組合單元有限元模型模擬預(yù)制結(jié)構(gòu)拼寬橋梁進(jìn)行仿真分析是一種比較可靠的方法。