UHPC在T梁橋錯孔拼寬濕接縫中的設計研究*

張志文,胡承澤,高洪波,楊運平,曹鴻猷

(1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司,湖北 武漢 430050;2.武漢理工大學土木工程與建筑學院,湖北 武漢 430070)

0 引言

在橋梁拼寬改造項目中,受橋位條件的制約,新舊橋橋墩無法對齊,存在新舊橋橋墩錯孔布置,導致出現上部結構錯孔拼接的情況。常規的普通混凝土縱向濕接縫在沉降、車輛等運營荷載作用下,由于新舊橋錯孔產生的撓度差,會在接縫與普通混凝土的交界面產生較大的拉應力,導致接縫與橋梁普通混凝土的剝離和接縫結構的破壞,不能達到良好的連接效果。

與常規結構不同,錯孔拼寬橋梁具有獨特的橫向受力行為:若新橋跨中位置對應舊橋側支點位置,此時在新橋側跨中作用車輛荷載,則新橋跨中下撓,舊橋受支點處的豎向約束,橋面板橫向承受彎矩作用,上部受拉,下部受壓;反之若舊橋側跨中位置承受車輛荷載的作用,則舊橋側橋面板橫向承受正彎矩作用,上部受壓,下部受拉。目前現澆箱梁錯孔拼接已有較多成功的案例,但關于裝配式結構橋梁錯孔拼接的研究較少。這是因為T梁橋單梁剛度及整體性均遠不及現澆箱梁,遇到類似錯孔拼寬改造時一般采取拆除重建,對經濟和社會有一定負面影響。

如今UHPC材料在橋梁改造中逐步得到運用,其優越的抗拉性能特別適用于小尺寸構件的補強加固,UHPC濕接縫澆筑過程中無須進行新舊橋橫向鋼筋搭接,因此施工方便。基于以上優點,本文結合某改擴建項目,對30m預應力混凝土T梁的錯孔拼寬改造方案開展改進型拼接縫方案可行性研究。

1 T梁橋拼接方案

1.1 常規T梁對孔拼接方案

早期滬寧、合寧等高速公路改擴建項目T梁橋的對孔拼接方案主要采用以下兩種。

1)剛性連接 T梁翼緣板、橫隔板進行橫向連接,新橋側內邊梁橫隔板范圍內增設預埋鋼筋及兩排預應力高強精軋螺紋粗鋼筋,施工時先拆除原橋護欄,將舊橋邊梁懸挑部分約50cm橋面鋪裝層和整體化層鑿開,保留原有鋼筋,對舊橋T梁對應位置橫隔板肋身外側植筋安裝橫隔板,布置整體化層加強鋼筋,澆筑C50混凝土,如圖1a所示。

圖1 拼接方案

2)鉸接連接 橋面板+T梁翼緣板連接主要通過翼緣板及橋面鋪裝層將新舊結構拼接起來,施工時鑿除舊橋側既有護欄,將舊橋邊梁懸挑部分約50cm橋面鋪裝層和整體化層鑿開,保留原有鋼筋,待新橋架設完成后,連接翼緣板鋼筋,布置整體化層加強鋼筋,澆筑C50混凝土,如圖1b所示。

采用剛性連接方案,新舊橋連接后橫向剛度大大加強、結構整體性有顯著改善,但拼接縫橫向傳力大,對舊橋受力影響較大,需對腹板進行植筋,對舊橋存在破壞風險,實際施工中可能會遇到拼接橫隔板側內的精軋螺紋鋼無法施工,新舊橫隔板無法對齊,接縫可靠性與現場工人的施工技術水平有很大關系;鉸接連接施工較方便,拼接縫橫向傳力較少,對舊橋結構受力影響小,但在運營中會出現接縫開裂等病害。以上兩種方案均未考慮錯孔拼接中新舊橋撓度差對翼緣板受力的影響,不適用于錯孔拼接。

1.2 T梁錯孔拼接柔性濕接縫方案

某高速公路改擴建項目3×30m預應力混凝土連續T梁橋原橋梁高2m,單幅橋寬14m,拼寬7.5m,在T梁對孔拼接方案的基礎上,研究在新舊結構間僅通過橋面板拼接方案。主要將新舊橋邊梁翼緣板上部高應力區域的C50混凝土調平層鑿除,并使用UHPC材料代替原有C50混凝土調平層。由于新舊橋梁截面發生變化,其豎向剛度不同,在荷載作用下高應力區域的范圍不同,橫橋向兩側橋梁翼緣板上需鑿除的C50混凝土調平層寬度也不同,這樣就形成了橫向不等寬的UHPC濕接縫結構,如圖2所示,運營荷載產生的高拉應力由抗拉強度較大的UHPC材料承擔。

圖2 不等寬UHPC柔性濕接縫結構局部示意(單位:m)

2 UHPC接縫有限元模型

2.1 計算參數及荷載

橋梁改擴建、舊橋拼接是在新橋建成之后進行的,此時新舊橋的自重荷載、橋面現澆層及鋪裝荷載均已施加完畢,所以對拼接后新舊橋梁結構體系影響較大的荷載因素包括:車輛(車道)荷載、新橋側基礎沉降和溫度荷載。

1)車輛荷載 公路級別為Ⅰ級(車輛荷載標準值550kN)。荷載布置為三跨連續梁中跨滿布,車輪橫向布置按受力最不利的原則將車輪側沿UHPC濕接縫與舊橋側翼緣板的交界面布置。

2)溫度荷載 整體升溫荷載按升溫20℃計算。

3)沉降 新舊結構不均勻沉降差5mm。

2.2 錯孔15m接縫模型

2.2.1連續T梁模型建立

針對裝配式T梁半跨錯開(錯孔15m)的情況,通過MIDAS FEA NX軟件建立新舊3跨連續裝配式T梁的有限元精細化實體模型,主梁采用C50混凝土,新舊兩橋相鄰邊梁翼緣間距為30cm,橫斷面如圖3所示。

圖3 30m裝配式T梁拼寬橋橫斷面

2.2.2舊橋側UHPC接縫范圍確定

濕接縫厚度與橋面C50調平層厚度相同,為10cm。在順橋向舊橋橋墩處,UHPC濕接縫與C50混凝土翼緣板連接處在運營荷載作用下會存在較大的橫向拉應力,因此需在舊橋墩頂位置附近鑿除一定范圍的C50混凝土調平層,UHPC材料代替C50混凝土去承擔橫向拉應力,并降低UHPC材料與C50混凝土調平層交界面上的主應力。在運營荷載組合作用下,舊橋側結構受力最不利,所以在已建立的原橋T梁模型基礎上,建立在舊橋邊梁翼緣板上UHPC調平層寬度0～240cm范圍的UHPC濕接縫模型,研究其在舊橋橋墩位置,在運營荷載組合作用下舊橋能否滿足受力要求。

在車輛荷載最不利位置時,舊橋墩頂處UHPC濕接縫與C50調平層交界面處最大主應力如表1所示。

表1 舊橋側車輛荷載作用下濕接縫交界面最大主應力

由表1可知,隨著橋面上UHPC調平層寬度從0增加至240cm,UHPC調平層與C50調平層交界面處最大主應力逐漸減小,由8.40MPa減小至1.67MPa。因此舊橋側在橋梁支座附近UHPC調平層的寬度擬選為240cm。

由于三跨連續T梁結構的豎向剛度隨跨度變化,在靠近橋墩位置剛度大,在運營荷載作用下變形小,應力大;在跨中位置剛度小,在運營荷載作用下變形大,應力小,所以T梁在跨中位置所需要的UHPC調平層寬度應遠小于T梁端部靠近支座處。為了確定UHPC調平層在舊橋側的縱向長度,假定舊橋側UHPC調平層寬度為0,取T梁跨中位置到梁端的十等分點,令車輛荷載沿橋梁縱向移動,經過計算得出橋梁縱向各點的應力影響線,基于T梁的對稱性最終得出1跨長度(30m)的最大主應力包絡圖,如圖4所示。

圖4 舊橋側最大主拉應力包絡圖

若某點在荷載組合下最大主應力低于C50混凝土抗拉設計值,則認為該點不需要鑿除C50混凝土調平層。根據圖4可判斷,舊橋側1跨范圍(30m)內,UHPC調平層的縱橋向長度應選擇15m。

2.2.3新橋側UHPC接縫范圍確定

與舊橋側UHPC濕接縫范圍確定方法類似,取車輛荷載作用位置于對新橋側受力最不利位置,建立在新橋邊梁翼緣板上UHPC調平層寬度為0～100cm的UHPC濕接縫模型。

由于在荷載組合中,新橋沉降帶來的影響會與車輛荷載相抵消,確定新橋側UHPC調平層范圍最不利荷載采用車輛荷載,車輛荷載最不利位置時,新橋橋墩處UHPC濕接縫與C50調平層交界面處最大主應力如表2所示。

表2 新橋側車輛荷載作用下濕接縫交界面主應力

由表2可知,隨著橋面上UHPC調平層寬度從0增加至100cm,UHPC調平層與C50調平層交界面處最大主應力逐漸減小,由3.70MPa減小至1.23MPa。C50混凝土抗拉強度設計值為1.83MPa,因此新橋側在橋墩處附近UHPC調平層的寬度擬選為80cm。同舊橋側確定UHPC調平層縱向長度的方法類似,得出新橋側中跨1跨長度的最大主應力包絡圖如圖5所示。

圖5 新橋側最大主應力包絡圖

若某點在荷載組合下的最大主應力低于C50混凝土抗拉設計值,則認為該點不需要鑿除C50混凝土調平層。根據圖5可判斷,新橋側一跨范圍內,UHPC調平層的縱橋向長度應選擇9m。根據以上計算結果,建立全橋整體結構模型如圖6所示。

圖6 全橋結構模型

3 計算結果分析

3.1 單項荷載作用下應力分析

對于采用UHPC材料的錯孔15m(半跨錯開)拼接濕接縫,研究運營荷載作用下濕接縫結構最不利節段的應力,主要包括車輛荷載、溫度荷載及沉降。

由于篇幅受限,僅列出在車輛荷載作用下濕接縫結構最不利節段應力結果圖,車輛荷載作用于舊橋最不利位置時,舊橋側濕接縫最不利節段位置及應力如圖7～9所示。車輛荷載作用于新橋最不利位置時,新橋側濕接縫最不利節段位置及應力如圖10～12所示。

圖7 車輛荷載下舊橋側受力最不利節段位置

圖8 車輛荷載下舊橋側UHPC結構主應力

圖9 車輛荷載下舊橋側交界面主應力

圖10 車輛荷載下新橋側受力最不利節段位置

圖11 車輛荷載下新橋側UHPC結構主應力

圖12 車輛荷載下新橋側交界面主應力

由圖7～12可知,在車輛荷載作用下,舊橋側UHPC結構上最大主拉應力為3.45MPa,UHPC材料與C50混凝土調平層交界面上最大主拉應力為0.82MPa,新橋側UHPC結構上最大主拉應力為6.59MPa,UHPC材料與C50混凝土調平層交界面上最大主拉應力為1.49MPa。

在溫度荷載作用下,UHPC結構上最大主拉應力為8.49MPa,UHPC材料與C50混凝土調平層交界面上最大主拉應力為1.89MPa。

在沉降作用下,UHPC結構上最大主拉應力為5.54MPa,UHPC材料與C50混凝土調平層交界面上最大主拉應力為1.23MPa。

3.2 運營荷載基本組合作用下的應力結果

運營荷載組合中車輛荷載作用于舊橋最不利位置時,舊橋側濕接縫最不利節段應力結果如圖13～14 所示。運營荷載組合中車輛荷載作用于新橋最不利位置時,新橋側濕接縫最不利節段應力如圖15～16所示。

圖13 荷載組合作用下舊橋側UHPC結構主應力

圖14 荷載組合作用下舊橋側交界面主應力

圖15 荷載組合作用下新橋側UHPC結構主應力

圖16 荷載組合作用下新橋側交界面主應力

由圖13～16可知,在運營荷載組合作用下,舊橋側UHPC結構上最大主拉應力為9.55MPa,舊橋側UHPC材料與C50混凝土調平層交界面上最大主拉應力為1.77MPa;新橋側UHPC結構上最大主拉應力為5.65MPa,新橋側UHPC材料與C50混凝土調平層交界面上最大主拉應力為0.98MPa。UHPC結構上的最大主拉應力和UHPC材料與C50混凝土材料交界面上的最大主拉應力分別小于UHPC材料與C50材料的抗拉強度設計值,該方案可行。

4 結語

1)本文以一座三跨30m T梁橋錯孔拼寬改造方案為例,對裝配式T梁橫向拼接濕接縫進行方案設計研究,提出一種應用于錯位拼寬結構中的UHPC濕接縫柔性拼接方案,通過鑿除橋面原有C50混凝土調平層并替換為UHPC調平層的方式,令抗拉強度更大的UHPC材料代替C50混凝土承擔由運營荷載帶來的較大拉應力,同時通過調平層相連的方式避免了UHPC材料與翼緣板直接剛性連接,形成了受力更優越的柔性結構。

2)采用有限元分析研究了30m T梁最不利錯孔拼寬15m情況下的柔性拼寬受力性能,考慮新舊橋拼接后的豎向剛度差異,計算得到UHPC結構和UHPC結構與梁體交界面上的主拉應力均能滿足要求,因此方案可行。

3)針對沉降產生的單項應力不利工況,在實際拼寬橋梁施工過程中,采取新橋架梁后,沉降基本穩定的情況下延遲拼接管理措施以消除沉降影響。