拓寬橋混凝土收縮徐變及基礎(chǔ)沉降的影響分析

許 剛

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，大量市政道路橋梁的橋面寬度已不能滿足通行量的要求，同時(shí)，我國道路交通運(yùn)輸路線冗雜，大多運(yùn)輸路線都有橋梁，若重建荷載標(biāo)準(zhǔn)更高、橋面更寬的橋梁則需耗費(fèi)巨資，且耗時(shí)影響通行能力，而對既有道路橋梁進(jìn)行加寬加固不僅能降低成本投入，還能夠緩解交通運(yùn)輸壓力［1-2］。橋梁拓寬一般是在盡可能保留既有橋梁主體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)設(shè)計(jì)意圖新建一座橋梁與原橋拼接組合。常用的拼寬模式有三種，即上下部均不連接、上下部均連接、上部連接下不部連接。

1 工程概況

因國道208 改建，在長治市余莊村附近設(shè)置樞紐連接迎賓大道，需要將迎賓大道上的一座既有橋架進(jìn)行雙側(cè)拼寬，見圖1。原橋上部結(jié)構(gòu)為3 ～30 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，梁高1.6 m；橋梁下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩，基礎(chǔ)采用Φ1.5 m 鉆孔灌注樁。設(shè)計(jì)中遵循“同結(jié)構(gòu)、同跨徑”的設(shè)計(jì)原則，采用上部結(jié)構(gòu)連接，下部結(jié)構(gòu)不連接的拼寬方式。

圖1 拓寬后的橋梁橫斷面/cm

2 計(jì)算模型的建立及單元?jiǎng)澐?/h2>

采用有限元軟件ABAQUS 建立橋梁的整體三維模型，新舊橋各個(gè)主梁間、新舊橋邊梁與拼接縫間均采用ABAQUS 內(nèi)置的Tie 約束模擬弱剛性連接，見圖2。

圖2 拓寬后的全橋計(jì)算空間模型

有限元模型中各混凝土構(gòu)件均選用C50 混凝土，彈性模量E=3.45×104MPa，泊松比0.2，密度ρ=2.5×103kg/m3。新舊橋之間僅連接橋邊梁翼緣板，不設(shè)置橫隔梁。假設(shè)新橋基礎(chǔ)沉降后各主梁與蓋梁支座間無橫向位移，故在主梁梁底支座位置施加橫橋向平動(dòng)約束。

3 分析驗(yàn)算

3.1 混凝土收縮情況分析

拓寬橋梁建成后，混凝土收縮主要包括：新舊主梁之間混凝土的收縮差異；后澆濕接縫與新舊主梁混凝土的收縮差異。采用《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004）附錄F 計(jì)算，考慮1 000 d 的混凝土收縮徐變影響。根據(jù)計(jì)算分析，收縮在主梁中引起的附加內(nèi)力主要是軸向力、橫向剪切力及橫向彎矩，而豎向力及扭矩全部為零，見圖3。新梁混凝土收縮在舊梁中引起的軸力分布見圖4。

圖3 計(jì)算主梁位置/cm

圖4 新梁收縮引起的舊梁附加軸力分布

由圖4 可以看出，新梁混凝土收縮在舊梁中引起的軸力分布關(guān)于全橋中跨跨中對稱分布，且對于內(nèi)側(cè)梁軸力的影響要遠(yuǎn)大于外側(cè)梁。說明新主梁混凝土收縮引起的附加軸力主要由與新橋連接的舊主梁承擔(dān)。舊橋主梁在新梁混凝土收縮時(shí)發(fā)生軸力變化主要是由于新梁的收縮受到舊梁的限制引起。對于舊梁而言附加軸力為壓力，對于主梁受力有利，一般來說不會(huì)引起舊梁的使用安全問題；反之對于新梁而言附加軸力為拉力，如果拉力過大則可能引起新梁混凝土開裂，因此，在加寬橋設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意對新舊橋連接位置的主梁進(jìn)行承載力驗(yàn)算。

新梁混凝土收縮引起的橫向剪力及橫向彎矩均由舊主梁承擔(dān)。其中橫向彎矩值一般較小，可以不予考慮；而橫向剪力較大，且關(guān)于中跨跨中呈反對稱分布，在兩邊跨梁端絕對值最大，舊梁邊跨兩端處的最大剪應(yīng)力達(dá)到±0.13 MPa，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行抗剪驗(yàn)算。

3.2 混凝土徐變情況分析

徐變主要由構(gòu)件自重及預(yù)應(yīng)力引起，根據(jù)計(jì)算分析，徐變在主梁中引起的附加內(nèi)力主要是軸向力、豎向剪切力及豎向彎矩，其余內(nèi)力值則相對較小。表明徐變引起的主梁變形主要發(fā)生在豎直方向上，水平方向變形較小。新梁混凝土徐變在舊梁中引起的豎向力分布見圖5。

圖5 新梁徐變引起的舊梁附加豎向剪力分布

由圖5 可以看出：（1）新梁混凝土徐變在舊梁中引起的豎向剪力分布關(guān)于全橋中跨跨中反對稱分布。對于同一根主梁而言，豎向剪力的絕對值依照梁端大跨中小的規(guī)則分布。附加豎向剪力最大值為47.3 kN。（2）新梁徐變對于原橋內(nèi)側(cè)梁豎向剪力的影響要遠(yuǎn)大于原橋外側(cè)梁，說明新主梁混凝土徐變引起的附加豎向剪力主要由與新橋連接的舊主梁承擔(dān)。因此，在拓寬橋設(shè)計(jì)中，應(yīng)特別注意與新橋相連接的舊主梁支座位置處的抗剪承載力驗(yàn)算。

新梁混凝土徐變在舊梁中引起的豎向彎矩分布見圖6。

圖6 新梁徐變引起的舊梁附加豎向彎矩分布

由圖6 可以看出，新梁混凝土徐變在舊梁中引起的豎向彎矩分布關(guān)于全橋中跨跨中對稱分布，連接位置處的原橋內(nèi)側(cè)梁彎矩值遠(yuǎn)大于原橋外側(cè)梁，其中原橋邊跨內(nèi)側(cè)梁最大彎矩值為295.2 kN·m。因此，在拓寬橋設(shè)計(jì)中，需要對于新橋相連接的舊主梁的跨中載力進(jìn)行驗(yàn)算。

擴(kuò)寬拼接的橋梁，新主梁混凝土收縮徐變對于連接位置處的舊橋主梁影響明顯，而且收縮徐變效應(yīng)也會(huì)對連接位置處的新主梁產(chǎn)生相應(yīng)的影響，其附加內(nèi)力與舊主梁方向相反，可以抵消掉部分荷載彎矩，有利于新梁的受力。因此，在橋梁拼寬設(shè)計(jì)中，考慮新橋混凝土收縮徐變的影響，應(yīng)充分驗(yàn)算舊橋主梁的承載力，必要時(shí)應(yīng)采取措施提高舊主梁承載能力或者減小新舊混凝土的收縮徐變差異，以此來抵抗或減小附加內(nèi)力的影響，保證橋梁使用安全。

3.3 新橋基礎(chǔ)沉降情況分析

拓寬后的新橋梁隨著時(shí)間推移，基礎(chǔ)會(huì)不斷發(fā)生沉降，可能在拼接位置引起裂縫并影響上部結(jié)構(gòu)受力。由于新舊橋梁的基礎(chǔ)沉降量無法準(zhǔn)確計(jì)算，設(shè)定新舊橋梁沉降差為10 mm 時(shí)，分析新舊橋拼接位置受到的影響。（1）新橋未發(fā)生沉降。（2）新橋發(fā)生沉降：①新橋整體發(fā)生沉降；②新橋0#橋臺處發(fā)生沉降；③新橋1#橋墩發(fā)生沉降。其他墩臺沉降影響可根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱性得出。

3.3.1 新橋未發(fā)生沉降

無沉降時(shí)整體橫向應(yīng)力云圖見圖7，無沉降時(shí)拼接位置橫向應(yīng)力云圖見圖8。

圖7 無沉降時(shí)整體橫向應(yīng)力云圖

圖8 無沉降時(shí)拼接位置橫向應(yīng)力云圖

3.3.2 新橋整體沉降

當(dāng)新建橋梁整體沉降時(shí)，拼接部位的橫向應(yīng)力明顯增大，且橋梁支座附近位置的增大幅度大于跨中位置，見圖9、圖10。

圖9 整體橫向應(yīng)力云圖

圖10 拼接位置橫向應(yīng)力云圖

3.3.3 新橋0#橋臺沉降

當(dāng)新建橋梁0#橋臺沉降時(shí)，橋梁第一跨拼接部位的橫向應(yīng)力增大，且0#橋臺附加變化顯著，而橋梁中跨及第三跨拼接部位的橫向應(yīng)力變化不明顯，見圖11、圖12。

圖11 新橋0#臺整體橫向應(yīng)力云圖

圖12 新橋0#臺拼接位置橫向應(yīng)力云圖

3.3.4 新橋1#橋墩沉降

當(dāng)新建橋梁1#橋墩沉降時(shí)，1#墩左右側(cè)的拼接部分的橫向應(yīng)力均顯著增大，遠(yuǎn)離1#橋墩的位置變化幅度逐漸減弱，見圖13、圖14。

圖13 新橋1#墩整體橫向應(yīng)力云圖

圖14 新橋1#墩拼接位置橫向應(yīng)力云圖

由圖13、圖14 可以看出，新建橋梁發(fā)生沉降，使得新舊橋連接部位的橫向應(yīng)力增大。沉降越大的墩臺附近，局部應(yīng)力增加幅度越明顯。當(dāng)新建橋梁發(fā)生整體沉降時(shí)，拼接位置處受力處于最不利狀態(tài)，橫向應(yīng)力比較結(jié)果見表1，其中應(yīng)力收拉為正，受壓為負(fù)。

表1 新橋整體沉降時(shí)拼接位置處橫向應(yīng)力對比

通過計(jì)算分析及應(yīng)力對比可知，橋梁拼寬后，新建橋梁發(fā)生的沉降將直接影響舊橋及拼接位置的結(jié)構(gòu)受力，使得拼接位置的橫向應(yīng)力顯著增大，相對來說，沉降對橋梁支座位置處的影響更加明顯，有必要采取措施減小新舊橋沉降差，降低沉降對新舊橋拼接位置的不利影響。

4 工程措施

（1）新舊橋梁連接部位的植筋數(shù)量應(yīng)足夠，并在建設(shè)過程中嚴(yán)格控制植筋施工質(zhì)量；連接處的濕接縫可采用收縮補(bǔ)償混凝土澆筑；在新橋建成后3 ～6 個(gè)月后，再進(jìn)行新舊橋連接，以減輕新橋混凝土收縮徐變的影響。（2）新橋樁基設(shè)計(jì)時(shí)可適當(dāng)增加樁長、增大樁徑，樁基施工時(shí)嚴(yán)格控制樁底沉渣厚度。在新橋建成但未進(jìn)行新舊橋連接之前，對新建橋梁采用預(yù)壓法消除新建橋梁部分沉降，以最大限度減少新舊結(jié)構(gòu)連接后的沉降差異。（3）當(dāng)需要對舊橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行切割和鑿除時(shí)，要保證不破壞原橋結(jié)構(gòu)，不能降低原橋的承載能力。

5 結(jié)語

通過有限元建模分析了拓寬橋梁建設(shè)中，新建橋梁混凝土收縮徐變和新橋沉降對舊橋梁體及新舊橋連接部位的影響。在計(jì)算分析的基礎(chǔ)上，提出了三項(xiàng)建議措施，并在工程實(shí)際中取得了比較理想的效果。