沉降差對小箱梁橋面連續(xù)結構拓寬后受力影響研究*

王 杰 劉 錢 雷 笑 曹 實

(河海大學土木與交通學院1) 南京 210098) (溫州市高速公路投資有限公司2) 溫州 325000)

沉降差對小箱梁橋面連續(xù)結構拓寬后受力影響研究*

王 杰1)劉 錢2)雷 笑1)曹 實1)

(河海大學土木與交通學院1)南京 210098) (溫州市高速公路投資有限公司2)溫州 325000)

簡支小箱梁橋面連續(xù)結構橋梁在拓寬改造中，基礎不均勻沉降差對結構受力產生不可忽視的影響.基于浙江甬臺溫高速公路樂清高架橋梁拓寬工程，在對六跨一聯預應力混凝土小箱梁橋面連續(xù)結構進行現場沉降監(jiān)測的基礎上，建立了有限元實體模型，利用監(jiān)測數據得到的沉降曲線，對預應力混凝土小箱梁橋面連續(xù)結構拼接后因基礎不均勻沉降引起的結構應力進行了分析，總結了沉降影響下橋面板連續(xù)端接縫的受力狀態(tài)及特點.

橋梁工程；混凝土；沉降；小箱梁；有限元

0 引 言

高速公路中大量應用的多跨混凝土簡支梁橋面連續(xù)結構在拓寬拼接時，新舊橋梁的基礎不均勻沉降差對結構受力產生的影響是無法避免的問題.拼接后因為新、舊橋梁存在橋墩基礎不均勻沉降位移差，同時新、舊橋梁的混凝土齡期存在差異，使得新舊橋梁拼接縫處以及新舊橋橋面板連續(xù)端處于復雜的應力狀態(tài).

為減輕基礎不均勻沉降差對新舊橋拼接縫處的破壞，許多學者進行了有價值的研究.吳勝發(fā)等[1-2]分別采用有限元和結構力學的方法，計算分析了橋梁改建過程中，新舊橋基礎不均勻沉降在上部結構中產生的內力及變形.劉暢等[3]提出將地基模擬為彈性支座的有限元方法，將上部結構和地基基礎作為整體分析，研究地基不均勻沉降對橋梁上部結構的影響.吳文清等[4]以京滬高速公路江蘇段擴建工程中某寬幅空心板簡支梁橋為背景，運用MIDAS有限元，對梁板橋拓寬后新橋各主梁沉降變形分布模式進行了研究.吳文佑等[5]以合寧高速公路擴建工程為背景，對高速公路橋梁拓寬中新舊橋沉降差進行了分析，根據橋梁橫向拼接后的工后沉降差以及實測資料，提出了控制橋梁基礎沉降的技術對策.宗周紅等[6]對某兩跨箱梁橋進行室內試驗，分析不均勻沉降對既有橋梁拓寬改造中新舊橋縱向接縫的影響.郝付軍等[7]以某混凝土連續(xù)空心板梁為工程背景，利用有限元建模，研究了連續(xù)空心板梁拓寬時新舊地基沉降差對結構受力的影響.文中依托甬臺溫高速拓寬中的樂清高架橋某六跨預應力小箱梁簡支連續(xù)橋的拓寬拼接設計，根據現場監(jiān)測所得的沉降變形曲線，在新、舊混凝土基礎不均勻沉降作用下建立計算模型，選用三種不利工況，對結構的應力進行了分析，為預應力小箱梁的合理拼接提供參考.

1 構造形式及模型的建立

1.1 結構形式

以甬臺溫高速拓寬中的樂清高架橋為背景，樂清高架位于甬臺溫高速，舊橋左幅共442跨，右幅共441跨，橋梁全長8.777 km，其中絕大部分上部結構形式采用預應力混凝土簡支小箱梁，橋面連續(xù)結構，拼接縫構造見圖1.

圖1 拼接縫構造圖

1.2 模型的建立

利用有限元方法建立結構的數值模型，由于結構對稱，因此施加對稱邊界條件簡化為3跨進行處理.為了得到比較詳細的拼接縫處的受力狀態(tài)，在新舊橋拼接縫處對單元進行了細分.模型整體結構采用三維實體單元，梁體與橋面鋪裝分別為C50和C40混凝土.

圖2 小箱梁橋面連續(xù)實體模型

2 沉降差對新舊橋拓寬橋面板的影響

2.1 現場監(jiān)測數據及工況的確定

根據監(jiān)測數據通過Origin數據擬合，得到沉降監(jiān)測的兩條曲線，沉降變形曲線見圖3.

圖3 不同工況下沉降變形曲線

對模型施加沉降曲線，并設定三種工況進行模擬分析及對比，見圖4.三種工況為：①工況1，橋墩1到橋墩4都按沉降監(jiān)測曲線1沉降；②工況2,橋墩1到橋墩4都按沉降監(jiān)測曲線2沉降；③工況3，橋墩1,3,4按沉降監(jiān)測曲線1沉降，橋墩2按沉降監(jiān)測曲線2沉降.

圖4 橋墩示意圖

2.2 沉降差對橋面板接縫的影響

沉降監(jiān)測曲線1條件下橋面板主應力云圖見圖5.

圖5 新舊橋基礎不均勻沉降作用下的橋面板主應力云圖

由圖5可知，橋面板接縫梁端處的應力較大，所以提取數值位置見圖6.

圖6 橋面板提取數值位置示意圖

新舊橋基礎不均勻沉降作用下的橋面板計算點位置(1,2,3)主應力結果分析見圖7.

圖7 沉降監(jiān)測曲線1不均勻沉降得到的主應力

由圖7可知，受新舊橋基礎不均勻沉降作用影響最大的是舊橋橋面板連續(xù)端處.上緣、下緣都呈現為受拉的應力狀態(tài)，最大拉應力出現于舊橋第1片梁的橋面板梁端連續(xù)部位，為2.80 MPa.與舊橋橋面板相比，新橋橋面板拼接縫梁端受不均勻沉降作用的影響較不明顯，其中最大拉應力出現在橋面板的最外端，為0.91 MPa.

工況2沉降監(jiān)測曲線2條件下橋面板主應力云圖及橋面板主應力變化曲線見圖8.

圖8 沉降監(jiān)測曲線2不均勻沉降得到的橋面板圖主應力圖

由圖8可知，受新舊橋基礎不均勻沉降作用影響最大的是舊橋橋面板連續(xù)端處.其上緣與下緣皆為受拉的應力狀態(tài).最大拉應力出現在舊橋第1片梁的橋面板梁端連續(xù)部位，為2.00 MPa.新橋橋面板拼接縫梁端并未受到基礎不均勻沉降作用的明顯影響，其中最大拉應力出現在橋面板的最外端，為0.39 MPa.

工況3條件下橋面板主應力云圖見圖9.

圖9 新舊橋基礎不均勻沉降作用下的橋面板主應力云圖

由于工況3考慮了兩種沉降曲線，所以現在分別對這兩種沉降曲線的橋面板主應力結果進行討論：

1) 在沉降監(jiān)測曲線1的橋墩處，橋面板拼接縫梁端處計算點位置(1,2,3)的主應力見圖10.

圖10 使用兩種沉降曲線下沉降監(jiān)測曲線1得到的主應力

由圖10可知，三種工況下受新舊橋沉降差作用影響最大的部位皆為舊橋橋面板連續(xù)端.對比工況1，舊橋橋面板連續(xù)端的上緣、下緣皆為受拉，最大拉應力出現在舊橋第1片梁的橋面板梁端連續(xù)部位，為2.68 MPa.新橋橋面板連續(xù)端受不均勻沉降作用的影響并不明顯，最大拉應力出現于橋面板的最外端，為0.89 MPa.

2) 在沉降監(jiān)測曲線2的橋墩處，橋面板拼接縫梁端處計算點位置(1,2,3)的主應力見圖11.

圖11 使用兩種沉降曲線下沉降監(jiān)測曲線2得到的主應力

由圖11可知，三個工況中，受新舊橋基礎不均勻沉降作用影響最大的皆為舊橋橋面板連續(xù)端.對比工況2，舊橋的橋面板連續(xù)端的上緣、下緣皆為受拉，其中最大拉應力出現在舊橋第1片梁的橋面板梁端連續(xù)部位，為2.03 MPa.新橋橋面板連續(xù)端受新舊橋基礎不均勻沉降作用的影響并不明顯，其中最大拉應力位于橋面板的最外端，為0.86 MPa.如果存在不同的沉降曲線，對比工況2和工況3時，新舊橋基礎不均勻沉降作用對新橋、舊橋橋面板連續(xù)端處的影響都會增加，其中對新橋橋面板連續(xù)端處的應力增加的幅度要遠大于舊橋橋面板連續(xù)端處的應力增加的幅度.

3 結 論

1) 對比工況1和工況3，可以看出，如果存在不同的沉降曲線，對舊橋和新橋的橋面板的影響都會減小，所以工況1對比工況3屬于不利工況.

2) 對比工況2和工況3，可以看出，如果存在不同的沉降曲線，對舊橋橋面板連續(xù)端處的影響會增加，對新橋橋面板連續(xù)端處的影響會增加且比舊橋增加的幅度要大的多，所以工況3對比工況2屬于不利工況.

3) 在最不利工況中，最大拉應力出現在舊橋第1片梁的橋面板梁端連續(xù)部位，值為2.80 MPa，超過C40混凝土抗拉強度標準值2.39 MPa.

[1] 吳勝發(fā),孫作玉.地基不均勻沉降對上部結構內力和變形的影響[J].廣州大學學報(自然科學版),2005,4(3):261-266.

[2] 王學軍.基礎沉降對加寬橋梁上部構造的影響分析[J].中國港灣建設,2006,17(6):11-13.

[3] 劉暢,鄭剛.地基不均勻沉降對上部結構影響的彈性支承分析法[J].建筑結構學報,2004,25(4):124-128.

[4] 吳文清,楊松,張立志.梁板橋拓寬后新橋各主梁沉降變形分布模式研究[J].橋梁建設,2014,44(4):75-79.

[5] 吳文佑,吳文清,葉見曙.預應力混凝土橋梁拓寬的若干關鍵問題研究[J].公路交通科技(應用技術版),2009(8):19-21.

[6] 宗周紅,夏樟華, 陳宜言,等.既有橋梁拓寬改造縱向接縫研究現狀與實例分析[J].福州大學學報,2009(2):248-260.

[7] 郝付軍,武電坤.基礎沉降對連續(xù)空心板梁拓寬影響研究[J].河南城建學院學報,2011,20(5):11-15.

Study on the Force Infection of Differential Settlement on Girder Bridge after Continuous Bridge Deck Structure Broaden

WANGJie1)LIUQian2)LEIXiao1)CAOShi1)

(CollegeofCivilandTransportationEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)1)(WenzhouExpresswayInvestmentCo.Ltd.,Wenzhou325000,China)2)

Differential settlement of foundation has a bad influence on the structure during the widening of small box girder bridge continuous bridge. Taking broadening bridges of Ningbo-Taizhou-Wenzhou highway as the research object, the finite element entity model is established based on the monitoring of differential settlement of the prestressed concrete small box girder bridge with six spans. Using the settlement curve obtained from the monitoring data, the structure stresses caused by differential settlement of the foundation are analyzed after the prestressed concrete small box girder bridge joining together. Then the stress state and characteristics of beam bridge panel seams are summarized under the influence of the settlement.

bridge engineering; concrete; settlement; small box girder; finite element

U445.6

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.024

2017-08-27

王杰(1992—)：男，碩士生，主要研究領域為橋梁設計理論與結構分析

*浙江省交通運輸廳科研計劃項目資助(2014H27)