T梁結(jié)構(gòu)舊橋拼寬受力分析

張颯

（同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

1 概述

本項(xiàng)目為立交橋梁新舊橋拼接項(xiàng)目，舊橋下部結(jié)構(gòu)為墩柱接蓋梁結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)為T(mén)梁。新橋設(shè)計(jì)與舊橋相同。

新橋?qū)嵤r(shí)，舊橋處于施工階段，上部結(jié)構(gòu)已完成架梁，交安設(shè)施、景觀綠化暫未施工。

本文主要研究?jī)?nèi)容為新老橋拼接部位的安全性、擴(kuò)建之后新老橋標(biāo)準(zhǔn)T梁之間的互相影響，以及結(jié)構(gòu)在靜力作用下的穩(wěn)定性。

新舊橋采用的材料相同，具體如下：樁基礎(chǔ)采用C30水下混凝土，橋墩承臺(tái)、樁間系梁采用C30混凝土，柱式墩蓋梁、立柱、柱間系梁采用C35混凝土，預(yù)應(yīng)力主梁采用C50混凝土，新老橋連接濕接縫及橫隔板采用C50鋼纖維補(bǔ)償收縮混凝土。橋面鋪裝找平層采用C50現(xiàn)澆混凝土。

橋面鋪裝為100 mm瀝青混凝土+100 mm混凝土。

2 設(shè)計(jì)荷載

（1）恒載：結(jié)構(gòu)主體及附屬結(jié)構(gòu)恒載均按照實(shí)際重量計(jì)入；

（2）活載：汽車(chē)：公路 -I級(jí)。

穩(wěn)定計(jì)算時(shí)，汽車(chē)荷載在最不利加載位置，按等效靜力荷載添加。

（3）風(fēng)荷載：依照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3360-01—2018）進(jìn)行取值。

（4）不均勻沉降

考慮因擴(kuò)建帶來(lái)的新舊橋之間的橫向不均勻沉降及新舊橋之間1 a的建設(shè)時(shí)間差，新舊橋之間按橫向3 mm的不均勻沉降考慮。

具體的沉降模式為：由于蓋梁的存在，新橋的T梁應(yīng)同時(shí)發(fā)生沉降，故沉降取值為：橫向沉降新橋的幾片梁同時(shí)沉降，縱向取單墩沉降、兩墩沉降、三墩沉降幾種分別進(jìn)行組合，取其最不利結(jié)果。

3 上部結(jié)構(gòu)分析

3.1 結(jié)構(gòu)概況

上部結(jié)構(gòu)計(jì)算選取拼接較多的一聯(lián)進(jìn)行分析。原橋跨徑組合為3×29.5 m，梁高為2 m，橫向布置為單幅5片T梁組合，擴(kuò)建橋梁第一、二、三跨分別拼接3、2、2片T梁，拼接后變?yōu)橐豢?片T梁+兩跨7片T梁組合，其中第一跨拼接一片簡(jiǎn)支T梁，其余兩片T梁為簡(jiǎn)支變連續(xù)結(jié)構(gòu)。施工方式均為簡(jiǎn)支變連續(xù)?？傮w布置見(jiàn)圖1。

施工步驟為：原橋施工→原橋各片T梁進(jìn)行橫向、縱向連接→原橋徐變1年→擴(kuò)建橋梁預(yù)制T梁架設(shè)→擴(kuò)建部分進(jìn)行橫向、縱向連接→張拉擴(kuò)建部分負(fù)彎矩鋼束→拆除擴(kuò)建部分臨時(shí)支座→擴(kuò)建部分鋪設(shè)調(diào)平層、安裝護(hù)欄→原橋去除鋪裝、部分調(diào)平層等→原橋與擴(kuò)建部分進(jìn)行連接→鋪設(shè)剩余調(diào)平層及鋪裝→整體徐變10 a。

圖1 橋梁總體布置圖（單位：mm）

3.2 模型簡(jiǎn)介

為了研究拼寬后對(duì)T梁的影響程度，對(duì)原標(biāo)準(zhǔn)T梁以及拼寬后的橋梁分別進(jìn)行計(jì)算。

采用WiseplusV4.1.0軟件、六自由度空間網(wǎng)格模型進(jìn)行全橋建模計(jì)算。全橋模型見(jiàn)圖2。

圖2 全橋網(wǎng)格模型

為考察空間效應(yīng)，橫向分為多道縱梁，見(jiàn)圖3，各道縱梁之間以虛擬橫梁連接，橫梁僅計(jì)入結(jié)構(gòu)，不計(jì)入自重。在橫隔板位置，采用相應(yīng)單元進(jìn)行連接。支座剛度按照實(shí)際選取。

圖3 橫向縱梁劃分圖

3.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

（1）總體對(duì)比

經(jīng)過(guò)計(jì)算，得到標(biāo)準(zhǔn)T梁與擴(kuò)建后結(jié)構(gòu)不同部位的內(nèi)力差別見(jiàn)表1。

由表1可知，擴(kuò)建后，結(jié)構(gòu)內(nèi)力與標(biāo)準(zhǔn)T梁相比有明顯增加，尤其以橫隔板處最為明顯。此種變化主要為擴(kuò)建部分不均勻沉降所導(dǎo)致，并且在邊支點(diǎn)、中支點(diǎn)位置橫隔板效應(yīng)明顯大于其他位置。

沿縱向四道橫隔板在擴(kuò)建前后彎矩變化見(jiàn)圖4。

圖4 沿縱向四道橫隔板在擴(kuò)建前后彎矩變化圖

可見(jiàn)在擴(kuò)建前后，橫隔板處彎矩值增加了200～1 000 kN·m。

（2）支座脫空分析

定性分析可知，新橋沉降工況，會(huì)導(dǎo)致老橋的加載和新橋的卸載?？紤]到新老橋之間存在1 a的齡期差異，按新橋整體沉降3 mm考慮，將該工況支座反力與成橋工況支座反力疊加，可以發(fā)現(xiàn)如圖5所示黑圈處支座會(huì)出現(xiàn)負(fù)反力，即新拼寬橋梁與老橋相接處的T梁，中支座可能出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象。

圖5 可能發(fā)生脫空的支座位置示意圖

表1 標(biāo)準(zhǔn)T梁與擴(kuò)建后橋梁不同部位內(nèi)力對(duì)比

因此，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行沉降觀測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)新老橋之間的不均勻沉降超過(guò)3 mm時(shí)，需采取頂升措施以消除沉降過(guò)大對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成的隱患。

（3）縱向效應(yīng)結(jié)果對(duì)比

擴(kuò)建后橋梁最寬處共有八片T梁，其中一片為單跨簡(jiǎn)支T梁，其余均為三跨連續(xù)T梁。為了分析擴(kuò)建部分對(duì)T梁結(jié)構(gòu)的影響，對(duì)擴(kuò)建后的T梁進(jìn)行編號(hào)，具體見(jiàn)圖6。

圖6 T梁編號(hào)示意圖

主梁各道縱梁計(jì)算結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖7，其中成橋狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)T梁為建成10 a后，擴(kuò)建結(jié)構(gòu)為擴(kuò)建部分建成10 a后；荷載組合考慮施工、梯度溫度、擴(kuò)建部分沉降、汽車(chē)荷載等多種工況頻遇組合值。

圖7 橫橋向各片T梁擴(kuò)建前后標(biāo)準(zhǔn)組合下應(yīng)力對(duì)比圖

從圖7可以看出，與擴(kuò)建后的結(jié)構(gòu)相比，原橋各片T梁之間受力更為均衡。擴(kuò)建后，各道T梁之間應(yīng)力分配不甚均勻，與原橋相比存在1～3 MPa的差值，其中原橋與擴(kuò)建部分交接處最為不利。

造成這種差別的主要原因有：新老橋之間存在1 a左右的齡期差異；簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁相接等造成擴(kuò)建部分結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜等。

4 整體穩(wěn)定性分析[1-4]

4.1 結(jié)構(gòu)概況

在其他邊界條件相同的情況下，橋梁整體的穩(wěn)定性與自由長(zhǎng)度息息相關(guān)，因此，選擇墩高最高的一聯(lián)進(jìn)行全橋穩(wěn)定計(jì)算。該聯(lián)為3×30.5=91.5 m，上部結(jié)構(gòu)老橋?yàn)?片T梁，新橋拼接2片T梁。老橋下部為雙柱墩，樁基直徑1.8 m；新橋下部為單樁獨(dú)柱墩，樁基直徑2.2 m。

4.2 模型簡(jiǎn)介

為分析擴(kuò)建后橋梁穩(wěn)定性的變化及不同連接方式對(duì)擴(kuò)建橋梁整體穩(wěn)定性的影響，本文分以下四種工況分別進(jìn)行計(jì)算，每種工況下分別考慮橫橋向風(fēng)荷載和順橋向風(fēng)荷載兩種情況，見(jiàn)表2。

表2 不同工況模型概況表

采用 MIDAS CIVIL（2019）建模分析，主梁、蓋梁、橋墩及樁均采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，單元截面按實(shí)際情況選取。每片T梁下按照板式支座支承條件約束，樁側(cè)采用土彈簧約束，樁底固結(jié)。

4.3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

四種工況下橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

由以上計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，工況3（擴(kuò)建橋梁工況—新老橋上下部均連接）下，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與新橋獨(dú)立工況相比提高了50%，若去掉下部結(jié)構(gòu)之間的連接（即工況4），結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性有所下降，因此設(shè)計(jì)中宜采用新橋老橋上下部連接的方式來(lái)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

由以上分析可見(jiàn)，對(duì)于預(yù)制T梁結(jié)構(gòu)，如果發(fā)生橫向拼寬，并且拼寬部分與原橋橫向連為整體，那么擴(kuò)建工程對(duì)于結(jié)構(gòu)受力有著較為明顯的影響：

表3 縱橋向風(fēng)荷載作用下不同工況穩(wěn)定性計(jì)算

（1）對(duì)于橋梁橫向，擴(kuò)建部分沉降會(huì)使得支點(diǎn)位置橫隔板內(nèi)力顯著增大，幾乎為標(biāo)準(zhǔn)梁中橫隔板內(nèi)力的兩倍左右；

（2）當(dāng)新老橋之間發(fā)生不均勻沉降時(shí)，擴(kuò)建T梁靠近老橋的一片T梁中支點(diǎn)支座可能出現(xiàn)脫空現(xiàn)象；

（3）由于齡期差異和擴(kuò)建部分沉降的影響，會(huì)導(dǎo)致各道T梁間的內(nèi)力分布不均衡，從而導(dǎo)致新老橋交接部位T梁受力較為不利。

因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)以上提到的不利位置予以著重考慮，并且布置拼寬橋梁沉降觀測(cè)點(diǎn)，如擴(kuò)建結(jié)構(gòu)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中與老橋之間發(fā)生較大不均勻沉降時(shí)，需采取頂升應(yīng)對(duì)措施以消除沉降過(guò)大對(duì)結(jié)構(gòu)安全造成的隱患。

表4 橫橋向風(fēng)荷載作用下不同工況穩(wěn)定性計(jì)算

從全橋穩(wěn)定的角度考慮，為保證擴(kuò)建結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，應(yīng)對(duì)新老橋的上下部結(jié)構(gòu)均采取有效的連接。