拼接時間對拓寬裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋的影響

徐文博

(山東省交通科學(xué)研究院，山東濟(jì)南 250031)

橋梁拓寬最值得關(guān)注的問題是拓寬后新梁對原有舊橋的受力性能的影響，這也是眾多專家學(xué)者研究的重點[1-7]。目前，中小跨徑橋梁大多數(shù)都是直接套用公路橋梁通用圖，在進(jìn)行公路橋梁的拓寬時，為了設(shè)計的方便，亦直接套用圖紙。

本文以某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁拓寬為背景，采用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行空間模擬分析，對不同拼接時間對預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋拓寬后箱梁結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行研究，以期為今后的橋梁拓寬設(shè)計提供參考。

1 研究方法及計算模型

梁格法[8-9]是橋梁結(jié)構(gòu)分析中廣泛應(yīng)用的一種方法，通過將每一區(qū)域內(nèi)的剛度集中在鄰近的等效梁格內(nèi)，實際結(jié)構(gòu)的縱向剛度與縱向構(gòu)件剛度等效，而橫向剛度則與橫向構(gòu)件剛度等效，其計算結(jié)果可以認(rèn)為有效可靠。本文采用梁格法對裝配式梁橋進(jìn)行有限元模擬分析。通過調(diào)整新舊橋的拼接時間分析拼接時間對新舊橋的影響。

1.1 箱梁橋工程概況

某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋，舊橋于1990年12月竣工，橋梁全長100 m，最大墩高36 m，原橋總寬13 m，單向3車道。該橋采用的設(shè)計荷載為汽-超20、掛-120，采用先簡支后連續(xù)施工方法?，F(xiàn)將舊橋的一側(cè)進(jìn)行拓寬[10]，新橋構(gòu)造形式也為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，跨徑為5×20 m，橋?qū)?1.75 m，梁高1.6 m，與舊箱梁布孔方式一致。設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級。其拓寬箱梁結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 梁格有限元模型

用梁格法建立箱梁橋模型，如圖2所示。

梁格計算模型中，全橋共劃分為3 006個單元，2 302個節(jié)點。梁體為C50混凝土，密度為2.50×103kg/m3，彈性模量 34 500 MPa，全橋共10片梁，其中1#～4#梁為新建橋梁，5#～10#為舊橋，4#、5#橋梁為新舊相鄰橋梁，后續(xù)橋梁計算結(jié)果的橋梁編號以此為準(zhǔn)。

圖1 拓寬箱梁結(jié)構(gòu)

a)梁格網(wǎng)格劃分 b)效果圖圖2 梁格有限元模型

2 新舊橋的收縮徐變

在實際建橋過程中，往往需要新橋建成后盡早與舊橋相接，使橋梁及早投入使用。因為新橋的收縮會對舊橋產(chǎn)生影響，選擇合適的拼接時間至關(guān)重要。本文主要通過對比分析不同拼接時間對舊橋的影響程度，尋找合適的拼接時間，使得新橋發(fā)生一定程度的收縮徐變[11-14]，后期新舊橋連接后，對舊橋產(chǎn)生較小的影響。

2.1 新橋收縮徐變

新橋在剛建成時收縮徐變變化比較大[15-17]，而舊橋的收縮徐變基本完成，為了分析新建橋梁收縮徐變隨時間的變化規(guī)律，對3個不同時間段工況進(jìn)行分析，確定收縮徐變引起的新橋主梁關(guān)鍵點的應(yīng)力變化。3個工況為：工況一，新橋建成3個月后；工況二，新橋建成6個月后；工況三，新橋建成1 a后。

主梁應(yīng)力控制點示意圖如圖3所示，1#測點為邊跨支點處，2#測點為邊跨跨中處，3#、5#測點為中支點，4#測點為次邊跨跨中處，6#測點為第三跨跨中截面處。

2.1.1 收縮應(yīng)力結(jié)果分析與評價

Midas/Civil對于每片主梁的截面正應(yīng)力均會輸出4個節(jié)點應(yīng)力，將1、2、3、4點分別定義為左上、右上、左下、右下。如圖4所示。多數(shù)工況下，左上與右上的正應(yīng)力、左下與右下的正應(yīng)力非常接近，為了便于表達(dá)，在頂板左上、右下取其中最大正應(yīng)力分別代表頂板正應(yīng)力，底板正應(yīng)力。

圖3 模型控制截面應(yīng)力示意圖 圖4 應(yīng)力測點

為了分析延長拼接時間對拼接箱梁收縮應(yīng)力的影響效果，分別對上述3種工況下新建箱梁橋1#、2#主梁收縮應(yīng)力在橋梁控制點的變化情況進(jìn)行對比分析，其變化趨勢如圖5所示。

從圖5可以看出：1)在3種工況下，新建橋梁1#、2#梁的收縮應(yīng)力都不大，但是相比之下，1#、2#梁在工況二(即成橋6個月)下，收縮對新建橋梁主梁的影響最大，在成橋半年后收縮對主梁的影響逐漸減??；2)在3種工況下，梁體的收縮應(yīng)力相差不大，但是新橋建成6個月內(nèi)橋梁應(yīng)力變化最大。

圖5 主梁收縮應(yīng)力圖

2.1.2 徐變應(yīng)力結(jié)果分析與評價

為了分析延長拼接時間對拼接箱梁徐變應(yīng)力的影響效果,分別對3種工況下新建箱梁橋1#、2#主梁徐變應(yīng)力在橋梁控制點的變化趨勢進(jìn)行對比分析，其變化趨勢如圖6所示。

圖6 主梁徐變應(yīng)力圖

從圖6可以看出：新建橋梁在工況二(即成橋6個月內(nèi))下，徐變對新建橋梁主梁的影響最大，在成橋半年以后隨著時間的推移徐變對主梁的影響逐漸減?。辉?種工況下，梁體的徐變應(yīng)力相差不大，說明拼接時間對橋梁徐變應(yīng)力影響不大。

2.2 新舊橋連接后的收縮徐變

通過調(diào)節(jié)新、舊箱梁橋的拼接時間，進(jìn)一步模擬分析評價橋梁成橋以后半年內(nèi)，拼接后新橋?qū)εf橋的影響[18-22]。

工況四：新橋成橋1個月后與舊橋拼接，整體工作3 a；工況五：新橋成橋3個月后與舊橋拼接，整體工作3 a；工況六：新橋成橋6個月后與舊橋拼接，整體工作3 a。

2.2.1 收縮應(yīng)力結(jié)果分析與評價

新舊橋梁拼接后靠近拼接處的6片主梁(3#～4#為新橋主梁，5#～8#為舊橋主梁)在各測點的應(yīng)力變化如圖7(頂板)、8(底板)所示。

從圖7可以看出：1)在3種工況下，新橋2片梁頂板都受拉，且與舊橋相連的4#梁受拉應(yīng)力比較大；舊橋中4片梁都受壓，且與新橋相連的5#梁受壓應(yīng)力比較大，說明該梁承擔(dān)了更多的收縮應(yīng)力；2)新舊橋梁拼接后選取的6片主梁收縮應(yīng)力的絕對值在工況四中最大，工況五次之，工況六最?。?)中跨跨中截面(6#)測點收縮應(yīng)力的絕對值比其他截面要大，說明該位置箱梁的收縮作用較充分。

從圖8可以看出：1)在3種工況下，新橋2片梁底板均受拉，且與舊橋相連的4#梁受拉應(yīng)力比較大；舊橋中4片梁都受壓，且與新橋相連的5#梁受壓應(yīng)力比較大，說明該梁承擔(dān)了更多的收縮應(yīng)力；2)新舊橋梁拼接后選取的6片主梁收縮應(yīng)力的絕對值在工況四中最大，工況五次之，工況六最小;3)中跨跨中截面(6#)測點收縮應(yīng)力的絕對值比其他截面要大，說明該位置箱梁的收縮作用較充分。

圖7 頂板應(yīng)力圖

圖8 底板應(yīng)力圖

2.2.2 徐變應(yīng)力結(jié)果分析與評價

新舊橋梁拼接后靠近拼接處的6片主梁(3#～4#為新橋主梁，5#～8#為舊橋主梁)沿縱橋向頂、底板徐變應(yīng)力變化如圖9(頂板)、10(底板)所示。

圖9 頂板徐變應(yīng)力圖

圖10 底板徐變應(yīng)力圖

從圖9可以看出：1)在3種工況下，新舊橋梁拼接后選取的6片主梁頂板徐變應(yīng)力全部為拉應(yīng)力，靠近拼接部位4#、5#稍大些；2)拼接后，新建箱梁徐變應(yīng)力先增大后減小，在第一跨與第二跨處徐變應(yīng)力達(dá)到最大；舊橋箱梁的徐變應(yīng)力先增大后減小然后再增大，在次邊跨跨中達(dá)到最大；3)總的來看，各片主梁頂板徐變應(yīng)力在三種工況下十分接近。

從圖10可以看出：1)在3種工況下，新舊橋梁拼接后選取的6片主梁底板徐變應(yīng)力全部為壓應(yīng)力，這對主梁受力有利，且靠近拼接部位4#稍大些；2)拼接后，新建箱梁與舊橋箱梁徐變應(yīng)力變化趨勢基本相同，最大值均在第二跨支點3處或次邊跨跨中處。3)拼接后，新舊箱梁主梁底板徐變變化規(guī)律相似且徐變值在3種工況下相同截面十分接近。

3 結(jié)論

1)新建橋梁在成橋后半年內(nèi)的收縮徐變最大，半年后隨著時間的推移收縮徐變對主梁的影響逐漸變小。

2)延長新舊箱梁拼接時間間隔可以減小新箱梁混凝土收縮徐變對整體箱梁的影響，但效果不明顯，在實際施工中由于工期的進(jìn)度的要求，可按要求選擇合適的拼接時間間隔。