錯(cuò)位橫隔梁既有T梁拓寬設(shè)計(jì)、施工探究

袁 野，孟金懿

(中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，運(yùn)輸量的不斷增加與現(xiàn)有公路通行能力不足的矛盾日益突出，對(duì)既有橋梁進(jìn)行拓寬擴(kuò)建是一個(gè)既能增加交通運(yùn)輸能力又能減少工程建設(shè)投資帶來較大經(jīng)濟(jì)效益的最佳選擇[1～4]。國(guó)內(nèi)舊橋拓寬擴(kuò)建大多采用“下部不連接，上部連接”的拼接方案，上部連接常用剛性連接[5]。因此，上部結(jié)構(gòu)剛性連接是關(guān)系到拓寬工程成敗的關(guān)鍵問題之一，上部結(jié)構(gòu)為T梁的舊橋拓寬，除拓寬橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降對(duì)受力特性的影響、混凝土收縮徐變對(duì)受力特性的影響、拼接時(shí)機(jī)的選擇、拼接施工工藝的控制等常規(guī)性問題外，由于既有橋梁大多按照前期交通部頒發(fā)公路橋梁通用圖集進(jìn)行修建[1]，舊橋橫隔梁數(shù)量與新規(guī)范不一致，造成錯(cuò)位不等數(shù)量橫隔梁的剛性連接施工技術(shù)成為T梁橋拓寬施工的關(guān)鍵[6]。

2 工程背景

既有青口互通為沈海和福銀高速交通轉(zhuǎn)換的半定向Y型立交橋梁群，隨著交通流量的增加，為形成更好的交通流轉(zhuǎn)換服務(wù)，2013年經(jīng)交通運(yùn)輸部批準(zhǔn)對(duì)該互通進(jìn)行原位改擴(kuò)建。擴(kuò)建中將需既有福銀高速青口互通段青口2#高架橋進(jìn)行拓寬[7]，青口2#高架橋需拓寬長(zhǎng)度為840 m，下部構(gòu)造為柱式墩、鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支T梁。原橋橋面寬度11 m，兩側(cè)設(shè)0.5 m防撞護(hù)欄，設(shè)計(jì)汽車荷載為汽車-超20，掛車-120。原橋采用5片30 m長(zhǎng)預(yù)制混凝土T梁，梁高2 m，邊梁翼板寬2 m。拓寬后根據(jù)線型要求，拓寬部分橋面凈寬從5.8～16.4 m不等，對(duì)應(yīng)T梁片數(shù)為2～7片，拓寬上部結(jié)構(gòu)采用等跨徑30 mT梁[8]。新舊橋上部結(jié)構(gòu)剛性連接橫隔梁內(nèi)采用Φ32精軋螺紋鋼進(jìn)行連接(圖1)。

3 拓寬原則及關(guān)鍵工藝

(1)連接形式確定。T型橋梁拓寬中，新舊橋之間的連接形式分為：①上下部結(jié)構(gòu)均不連接，②上下部結(jié)構(gòu)均連接，③上部結(jié)構(gòu)連接，下部結(jié)構(gòu)不連接3種形式。對(duì)比三種形式，從后期維護(hù)、橋面行車舒適度等角度考慮，采用上部結(jié)構(gòu)連接，下部結(jié)構(gòu)不連接的形式，上部采用剛性連接。

(2)新舊規(guī)范影響。在橋梁的拼寬設(shè)計(jì)中，舊橋采用的是舊的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，新橋的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)就高不就低。新舊規(guī)范的差異導(dǎo)致新舊橋T梁的拼接橫隔梁除端橫梁與中橫梁一致外，其他橫隔梁沿縱橋向相互錯(cuò)位，存在應(yīng)力沿 Z形路徑折線傳遞的問題[9]?？紤]模板制造成本，施工工期等角度，確定最優(yōu)的新、舊橋梁橫梁拼接方式為新舊橋拼寬設(shè)計(jì)關(guān)鍵。

(3)新舊橋上部剛性連接工藝。新、舊橋拼接時(shí)，通過橫隔梁的精軋螺紋鋼連接，消除整體撓度差[10]。精軋螺紋鋼在舊橋上的準(zhǔn)確定位及高效快速安裝是控制整個(gè)拓寬施工進(jìn)度與質(zhì)量的關(guān)鍵[11]。

(4)在施工時(shí)應(yīng)采取必要管理與技術(shù)措施，合理控制拼寬時(shí)機(jī)，采用有效的基礎(chǔ)處理、接縫材料選擇等措施確保拼接施工質(zhì)量[14]。

4 錯(cuò)位橫隔梁拼接設(shè)計(jì)

4.1 研究方向

新、舊橋拼接時(shí)，通過橫隔梁將新、舊橋主梁的腹板連接，消除整體撓度差。福銀高速青口互通段青口2#高架橋舊橋截面形式為T梁橋，30 m預(yù)制T梁通過2片端橫梁、1片中橫隔梁和4片約在L/6處共計(jì)7片橫隔梁將T梁橫向聯(lián)系在一起。新規(guī)范30 m預(yù)制T梁為5道橫隔梁，除端橫梁和中橫梁外，其余三道橫隔梁沿縱橋向相互錯(cuò)位，存在應(yīng)力沿Z形路徑折線傳遞的問題。通過詳細(xì)的有限元分析來確認(rèn)該拼寬技術(shù)的可行性及影響程度，確定舊橋梁橫梁拼接方式[16]。

4.2 有限元模型分析

按主梁與支座用彈性連接模擬，主梁頂部中心節(jié)點(diǎn)和支座頂部節(jié)點(diǎn)用剛性連接模擬。采用橋梁專業(yè)軟件 MIDAS/CIVIL進(jìn)行分析計(jì)算，全橋共1082個(gè)節(jié)點(diǎn)，2666個(gè)梁?jiǎn)卧?/p>

按設(shè)置9個(gè)橫隔梁進(jìn)行建模分析。新、舊橋主梁間橫隔梁一一對(duì)應(yīng)拼接，共需9片橫隔梁，分別布置于支點(diǎn)處、 L/6、L/3、L/2、2L/3和 5L/6處。利用模型分析作用于新橋汽車荷載橫橋向布載最不利工況后，進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，確定橫隔梁連接個(gè)數(shù)及形式(圖2)。

4.2.1 汽車荷載橫橋向布載方式

根據(jù) MIDAS/CIVIL計(jì)算得到新橋 7#T梁(即與舊橋拼接的 T梁)跨中影響線，并按規(guī)范沿橫向布設(shè)汽車荷載，分別布設(shè) 2車道、3車道和 4車道，計(jì)算得到 2車道、3車道和 4車道的汽車輪載影響線豎標(biāo)總和分別為 0.889、0.882和 0.852，由于 3車道和 4車道需要考慮橫向折減系數(shù)。新橋 7#T梁最不利汽車荷載工況是 2車道布載形式(圖3)。

4.2.2 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

按《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》[2]第 5.2.2條規(guī)定進(jìn)行抗彎承載力驗(yàn)算。在承載力極限狀態(tài)下，預(yù)應(yīng)力不作為荷載，而作為結(jié)果抗力的一部分。正截面抗彎承載力驗(yàn)算、斜截面抗剪承載力驗(yàn)算如圖4、圖5所示，均能滿足要求。

圖4 正截面抗彎承載能力

圖5 斜截面抗剪承載能力

4.2.3 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

根據(jù)《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)，使用階段預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件在標(biāo)準(zhǔn)荷載組合作用下σkc+σpt≤ 0.5fck=16.2 MPa，使用階段預(yù)應(yīng)力混凝土的斜截面主壓應(yīng)力應(yīng)滿足σcp≤0.6fck=19.44 Mpa，在消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長(zhǎng)期撓度后梁式橋主梁的最大撓度處不應(yīng)超過計(jì)算跨徑的1/600，最小容許撓度值為50 mm。經(jīng)計(jì)算新橋T梁正截面法向壓應(yīng)力、斜截面主壓應(yīng)力及結(jié)構(gòu)剛度均滿足要求(圖6、圖7、圖8)。

圖6 正截面法向壓應(yīng)力

圖7 斜截面主壓應(yīng)力

圖8 正常使用狀態(tài)下主梁撓度包絡(luò)圖

4.3 橫隔梁受力驗(yàn)算

根據(jù)MIDAS/CIVIL計(jì)算得到9片橫隔板拼接時(shí)新、舊橋跨中拼接橫隔板影響線[4]，按照《公路橋梁橫向荷載分布計(jì)算》(第二版)及偏心壓力法原理進(jìn)行橫隔板內(nèi)力計(jì)算，沿橫向按2車道布設(shè)汽車荷載。

計(jì)算彎矩效應(yīng)時(shí)：Poq=1/2×(280+10.5×5)=166.3 kN。

計(jì)算剪力效應(yīng)時(shí)：Poq=1/2×(366+10.5×5)=194.3kN。

2車道彎矩計(jì)算：M=(1+μ)ζPoq∑η=1.168×1×166.3×(0.77+0.26+0.1-0.03)=214 kN·m，所受剪力值，偏安全考慮，假定拼接橫隔板不傳遞剪力，此時(shí)拼接橫隔板所受最大剪力為194.3 kN。

經(jīng)驗(yàn)算，抗剪承載力偏安全考慮，不考慮T梁間的混凝土連接，僅計(jì)算預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼筋，剪應(yīng)力為178 MPa小于預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼筋容許剪應(yīng)力 270 MPa；承載能力極限狀態(tài)下，彎矩效應(yīng)值分別為 425 kN·m，小于拼接截面抗彎承載能力值 514 kN·m，故拼接橫隔梁抗剪、抗彎承載能力均滿足規(guī)范要求。

4.4 橫隔梁確定

新、舊預(yù)應(yīng)力混凝土 T梁橋采用 9片橫隔梁進(jìn)行拼寬連接，橫隔梁內(nèi)設(shè)4根Φ25的精軋螺紋鋼進(jìn)行連接。進(jìn)行新橋和舊橋全橋受力分析時(shí)，較為不利的汽車荷載橫向布載方式為 2車道，承載能力極限狀態(tài)下，新橋 T梁正截面抗彎承載力和斜截面抗剪承載力滿足要求；正常使用極限狀態(tài)下，新橋 T梁正截面法向壓應(yīng)力、斜截面主要應(yīng)力和結(jié)構(gòu)剛度驗(yàn)算均滿足要求。

5 精軋螺紋鋼施工

新舊橋連接橫隔梁的預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼施工包括舊橋鉆孔、清孔，預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼穿孔，施作梁體防變形的預(yù)楔緊裝置，預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼張拉，注漿封孔固化養(yǎng)護(hù)。

5.1 楔緊裝置

對(duì)于T形梁橋的拓寬，在原邊T梁和新拓寬T梁之間必須設(shè)置剛性連接，剛性主要通過增設(shè)內(nèi)置預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度精軋螺紋鋼的連接橫隔梁實(shí)現(xiàn)[13]。本工程預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋采用Φ25的15Mn3SiB，單個(gè)橫隔梁設(shè)4根，配套JLM25型錨具一孔共72套。待加寬橋各T梁架設(shè)完畢并預(yù)壓空置半年后，張拉預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋，預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度精軋螺紋鋼在張拉前為防止預(yù)制T梁梁體變形，常規(guī)采用對(duì)扣[25]槽鋼加兩端各設(shè)1 cm厚鋼板進(jìn)行抄墊楔緊的結(jié)構(gòu)[12]。

連接橫隔梁的施作存在懸空作業(yè)、操作空間狹窄等施工難度，預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度精軋螺紋鋼張拉前的新舊橋T梁防變形預(yù)楔緊施工工藝往往成為制約工程安全、質(zhì)量與進(jìn)度的關(guān)鍵點(diǎn)。常規(guī)工藝用鋼量大、施工進(jìn)度緩慢、材料消耗量高、預(yù)楔緊強(qiáng)度不夠、負(fù)重懸空作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)高等施工難點(diǎn)。福銀高速青口互通段青口2#高架橋既有T梁拼寬新舊橋連接橫隔梁精軋螺紋鋼張拉時(shí)防止梁體變形設(shè)備采用可調(diào)桿件體系臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)，整個(gè)體系由主要受力構(gòu)件盤扣支架立桿，抄墊預(yù)楔緊鋼板以及可調(diào)頂托組成，主要受力構(gòu)件采用3根盤扣支架立桿，通過連接鋼筋與抄墊鋼板將構(gòu)件形成一個(gè)整體，通過可調(diào)頂托調(diào)整整個(gè)支撐體系長(zhǎng)度，是新舊梁體有效連接，以滿足預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度精軋螺紋鋼在張拉前為防止預(yù)制T梁梁體變形的預(yù)頂緊剛度要求。該可調(diào)桿件體系臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)具有現(xiàn)場(chǎng)拆卸方便，新舊梁體楔緊剛度高，用鋼量少，可循環(huán)使用次數(shù)高，大幅度降低安全風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)約施工工期和成本的優(yōu)點(diǎn)(圖9、圖10)。

圖10 可調(diào)桿件體系臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)楔緊裝置布設(shè)

5.2 舊橋鉆孔

舊橋連接橫隔梁預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼鉆孔前，采用電磁感應(yīng)法檢測(cè)舊橋T梁預(yù)應(yīng)力鋼絞線位置，結(jié)合舊橋竣工圖詳細(xì)繪制舊橋鋼絞線位置圖，并在舊橋T梁腹板面彈出波紋管位置，用紅油漆精確標(biāo)明孔道的位置。由于鉆孔孔壁的粉塵可致膠體與基材隔離作用，將降低粘結(jié)性，影響精軋螺紋鋼傳力效果，所以鉆孔后清孔非常重要。

5.3 張拉及固化養(yǎng)生

待加寬橋各T梁架設(shè)預(yù)壓完畢后，張拉預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋。張拉前檢查梁體之間的楔緊裝置，張拉過程中應(yīng)監(jiān)測(cè)梁體的變形，張拉控制應(yīng)力按0.4fpk=0.45×540=216 MPa控制，每根JL32高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋錨下控制張拉力為173.3 kN。張拉完成后，向原橋、加寬橋腹板孔道內(nèi)注入喜利得HY-150化學(xué)膠封孔，再立模澆筑補(bǔ)償收縮混凝土，現(xiàn)澆混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%后方可拆除新舊橋梁體之間的楔緊裝置，橫隔板連接施工完成后需在錨具上涂上環(huán)氧樹脂[18]。

5.4 橫隔梁混凝土澆筑

拼接橫隔梁及濕接縫均采用C50UEA補(bǔ)償收縮混凝土。先進(jìn)行新舊橋連接橫隔板混凝土澆筑，再進(jìn)行濕接縫混凝土澆筑。在普通水泥混凝土中摻入U(xiǎn)EA膨脹劑，拌水后早期生成大量膨脹性結(jié)晶水化物(鈣礬石)，在混凝土內(nèi)導(dǎo)入一定的膨脹應(yīng)力即壓應(yīng)力，部分或全部補(bǔ)償混凝土干縮、冷縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，從而阻止或減小混凝土的收縮，避免混凝土的收縮值超過混凝土的極限拉伸值，防止或減少混凝土的開裂，達(dá)到抗裂防水目的。

6 結(jié)論及展望

(1)既有橋梁拓寬改造中新舊橋梁縱向連接因新舊規(guī)范的差異，出現(xiàn)橫隔梁錯(cuò)位、數(shù)量不等，導(dǎo)致應(yīng)力沿 Z形路徑折線傳遞的問題[15]，接縫類型、橫隔梁連接形式、橫隔梁選擇等是決定橋梁拓寬縱向連接成敗的關(guān)鍵，采用9道橫隔梁連接能有效處理該情況。

(2)對(duì)于T形梁橋拓寬上部結(jié)構(gòu)剛性連接，通過增設(shè)內(nèi)置預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度精軋螺紋鋼的連接橫隔梁實(shí)現(xiàn)[17]。采用用于既有T梁拓寬新舊橋連接橫隔板精軋螺紋鋼張拉時(shí)防止梁體變形的可調(diào)桿件體系臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)對(duì)新舊橋梁體進(jìn)行楔緊，相比常規(guī)25C槽鋼對(duì)扣施工工藝，減少鋼材用量，加快工作效率，減少高空作業(yè)施工隱患，大范圍減少施工成本。

(3) 考慮收縮徐變對(duì)接縫受力的影響選擇收縮補(bǔ)償混凝土作為接縫材料，選擇6個(gè)月作為合理的存梁時(shí)間 (預(yù)制橋梁 )和靜置時(shí)間能有效解決梁體不均勻沉降及縱向裂縫問題。