預應力混凝土連續(xù)T梁橋不對稱拼寬處應力分析

李剛

摘要：依托福州青口福銀拼寬橋梁工程，通過建立有限元模型進行計算分析，與現實中福銀拼寬橋梁進行對比，分析探究T梁拼寬的一種設計方案—不等拼寬處受力情況，研究結構的安全性。

Abstract： Relying on the Fuzhou Qingkou Fuyin widening bridge project， through the establishment of the finite element model for calculation and analysis， compared with the reality of the Fuyin widening bridge， a design scheme of stress at unequal width for the T-beam widening is analyzed and the safety of the structure is studied.

關鍵詞：T梁拼寬;橫隔板;分析;結構安全

Key words： T-beam widening;transverse diaphragm;analysis;structural safety

中圖分類號：U441? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）35-0177-03

0? 引言

隨著我國經濟迅猛發(fā)展，我國相當一部分既有高速公路已然不能滿足新時代經濟發(fā)展的需求。一些既有高速橋梁改造工程，會面臨橋梁寬度不足的問題。通常情況下改造有拆除重建和整體拼寬兩種方式，為了經濟效益及快捷施工，通常采用拼寬施工。本文針對采用9個橫隔板拼接7個橫隔板T梁（舊橋）和5個橫隔板T梁（新橋）受力情況進行分析，研究其應力分布及傳力機理。本文以青口大橋福銀拼寬橋梁為依托，建立有限元模型研究結構受力，希望能為同類型橋梁的建設提供計算參考。

1? 工程概況

1.1 橋型結構

主線高架橋左幅為（5×30m預應力混凝土連續(xù)T梁）+（5×30m預應力混凝土連續(xù)T梁）+（23m預應力混凝土簡支T梁）+（5×30m預應力混凝土連續(xù)T梁）+（6×30m預應力混凝土連續(xù)T梁），總長653m;下部構造為柱式墩、鉆孔灌注樁基礎。

主線高架橋右幅為（23+4×30m預應力混凝土簡支T梁）+（5×30m預應力混凝土連續(xù)T梁）+（23m預應力混凝土簡支T梁）+（5×30m預應力混凝土連續(xù)T梁）+（6×30m預應力混凝土連續(xù)T梁）+（6×30m預應力混凝土連續(xù)T梁），總長826m;下部構造為柱式墩、鉆孔灌注樁基礎。

1.2 拼接結構

新、舊橋拼接時，通過橫隔梁將新、舊橋主梁的腹板連接起來，消除整體撓度差;通過現澆混凝土濕接縫將新、舊橋主梁翼緣板連接起來，防止新、舊橋主梁翼緣在外荷載作用下出現局部撓度差，影響拓寬橋梁的正常使用。新、舊橋主梁之間的拼接結構如圖1所示。施工時按設計要求保留舊橋邊梁，拆除混凝土防撞欄，鑿除部分舊橋邊梁翼緣混凝土及橋面鋪裝，保留翼緣鋼筋，與新橋邊梁翼緣預留鋼筋進行焊接。

2? 計算目的及內容

2.1 計算目的

福州繞城公路東南段青口互通H、G匝道接入福銀高速公路主線高架橋，原設計拼寬段橋梁采用181片30m預制T梁與既有的福銀高速公路30m預制T梁拼接，拼寬部分的T梁架設后需靜置6個月并采取精軋螺紋鋼與舊橋橫向連接，設有7道橫隔梁。但是，該項目全線30m預制T梁橫隔梁均按新標準圖中5道設置，使得現有的30m預制T梁模板無法用于拼寬段T梁預制，重新加工模板將導致工期延誤。為解決該問題，加快施工進度及滿足工期要求，新橋擬采取30m預制T梁現行標準梁型即5道橫隔梁，與舊橋原7道橫隔梁進行拼接的方案。但是，除端橫梁和中橫梁外，由于新、舊橋橫隔梁沿縱橋向相互錯位，存在應力沿Z形路徑折線傳遞的問題，因此，通過詳細的有限元分析來確認該拼寬技術的可行性及影響程度，并確定新舊橋梁橫梁拼接方式是否合理。

2.2 分析計算內容

①建立預應力混凝土連續(xù)T梁橋有限元模型，分析各項長期荷載作用下拼寬預應力混凝土連續(xù)T梁橋的受力，明確各項長期荷載對拓寬長聯預應力混凝土連續(xù)梁橋的影響程度及影響規(guī)律，并通過對比分析確定各項長期荷載中哪個為主要影響因素。

②根據有限元分析結果，進行拼接縫構造優(yōu)化及完善，確定最優(yōu)的新、舊橋梁橫梁拼接方式，應用于實橋拼寬工程中。

3? 預應力混凝土T 梁橋拼寬方案

青口互通福銀高速主線高架橋位于福州繞城高速公路東南段的舊橋T 型主梁間采用7 片橫隔梁連接，分別布置于支點處、L/6、L/3、L/2、2L/3 和5L/6 處。新橋T 型主梁間擬采用新標準圖中的5 片橫隔梁連接，分別布置于支點處、L/4、L/2、3L/4?？梢钥闯?，除端橫梁和中橫梁外，新、舊橋橫隔梁布置形式并不是一一對應關系，采用9片橫隔梁拼接。由于新、舊橋橫隔梁沿縱橋向相互錯位，存在應力沿Z形路徑折線傳遞的問題。

4? 計算依據及模型建立

4.1 結構計算依據

①道路等級：高速公路;

②設計車速：100km/h;

③設計荷載：汽車：公路-Ⅰ級，溫度：體系升降溫

±25℃;

④橋梁設計基準期：100 年;

⑤結構設計安全等級：一級;

⑥環(huán)境類別：Ⅰ類;

⑦抗震設防標準：設計地震動峰值加速度0.05g，基本烈度小于VI 度，按VIII 度設防。

4.2 結構計算模型

采用橋梁專業(yè)軟件MIDAS/CIVIL 建立空間有限元模型，如圖3所示，全橋共1082個節(jié)點，2666 個梁單元。主梁與支座用彈性連接模擬。主梁頂部中心節(jié)點和支座頂部節(jié)點用剛性連接模擬，支座底部用一般支承固結。

4.3 設計荷載及荷載組合

①恒載。恒載為結構自重、二期恒載，其中二期恒載含橋面鋪裝、欄桿及橋面其它附屬設施。

②預應力。鋼絞線抗拉強度標準值fpk=1860MPa，彈性模量Ep=1.95×105MPa;預應力鋼筋錨下張拉控制應力σcon=1395MPa;鋼束松弛終極值與控制應力之比取0.3，錨具變形和鋼筋，回縮值：每端6mm;管道摩阻系數μ=0.25;管道偏差系數k=0.0015。

③活載。汽車荷載：公路-I 級。當橫向布載車道數大于2 時，按規(guī)范進行折減。

④混凝土收縮、徐變?；炷潦湛s徐變按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG D62-2004）附錄F 的方法計算。收縮、徐變的終極時間取成橋后3650 天。

⑤荷載組合。根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG D62-2004）要求，按正常使用極限狀態(tài)進行組合并用于應力、裂縫檢驗，按承載能力極限狀態(tài)進行組合驗算結構承載力是否滿足要求。根據《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）第4.1.6條和第4.1.7 條規(guī)定進行荷載效應組合如下：

1）承載能力極限狀態(tài)基本組合

2）正常使用極限狀態(tài)

a）頻遇組合

b）準永久組合

5? 結構驗算分析

除與拼接縫相鄰的新、舊橋主梁外，拼接對拼寬后T梁橋其他主梁受力性能的影響很小，因此，為了研究與拼接縫相鄰的新、舊橋主梁的強度和剛度，本章采用有限元分析方法，進行承載能力極限狀態(tài)下和正常使用極限狀態(tài)下拼接縫兩側新、舊橋主梁全橋受力分析，以及橫隔梁強度驗算。

5.1 T梁汽車荷載橫橋向布載方式

根據MIDAS/CIVIL 計算得到新橋7#T 梁（即與舊橋拼接的T 梁）跨中影響線，并根據《公路橋梁設計通用規(guī)范》（JTG D60—2004）的規(guī)定，沿橫向布設汽車荷載，分別布設2 車道、3 車道和4 車道，具體布載形式如圖所示。計算得到2車道、3車道和4車道的汽車輪載影響線豎標總和分別為0.889和0.882 3 車道車輪載影響線豎標總和較2車道小，主要是由于3 車道需要考慮橫向折減系數所致。因此，對于新橋7#T 梁最不利汽車荷載工況是2 車道布載形式，見圖4（a）。

5.2 T梁承載能力極限狀態(tài)驗算

按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG D62-2004）第5.2.2 條規(guī)定進行抗彎承載力驗算。在承載力極限狀態(tài)下，預應力不作為荷載，而作為結果抗力的一部分。

①正截面抗彎承載力驗算。

承載能力極限狀態(tài)下新橋T梁的正截面抗彎承載力驗算結果如圖5所示，從圖5中可以看出，拼寬T梁的正截面抗彎承載力滿足要求。

②斜截面抗剪承載力驗算。

承載能力極限狀態(tài)下新橋T 梁的斜截面抗剪承載力驗算結果如圖6所示，從圖6中可以看出，新橋T 梁的斜截面抗剪承載力滿足要求。

5.3 橫隔梁承載能力計算

根據MIDAS/CIVIL 計算得到9 片橫隔梁拼接時新、舊橋跨中拼接橫隔梁影響線，并根據《公路橋梁設計通用規(guī)范》（JTG D60—2004）的規(guī)定，沿橫向布設汽車荷載，分別布設2 車道和3 車道。

①抗剪承載能力驗算。

由于拼接橫隔梁與舊橋T 梁間連接能力較差，因此，偏安全考慮，截面抗剪面積僅考慮預應力精軋螺紋鋼筋面積。鑒于橫隔梁的永久效應很小，計算中可忽略不計。9 片橫隔梁拼接時，剪應力： ■

由此可以看出，9 片橫隔梁拼接時，截面剪應力均小于4根Φ32預應力精軋螺紋鋼筋容許剪應力270MPa，故橫隔梁滿足抗剪承載能力規(guī)范要求。

②抗彎承載能力驗算。

偏安全考慮，拼接橫隔梁截面抗彎承載能力驗算按單筋矩形截面進行計算，僅考慮預應力精軋螺紋鋼筋的貢獻，且橫隔梁截面高度取T 梁翼緣板底部至梁底高度。因此可得橫隔梁截面抗彎承載能力為：

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■

■

鑒于橫隔梁的永久效應很小，計算中可忽略不計。采用9 片橫隔梁拼接時，承載能力極限狀態(tài)下，彎矩效應值分別為425kN·m，小于拼接截面抗彎承載能力值514kN·m，故拼接橫隔梁抗彎承載能力滿足規(guī)范要求。

6? 結論

采用此種方案拼接的新橋和舊橋主梁，承載能力極限狀態(tài)下，新橋和舊橋T梁正截面抗彎承載力和斜截面抗剪承載力均滿足要求;橫隔梁滿足抗剪承載能力及抗彎承載能力滿足規(guī)范要求。目前福銀拼寬橋梁已經通車，運行狀態(tài)比較理想，結構安全可靠，為以后橋梁施工提供參考。

參考文獻：

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