基礎(chǔ)沉降差對連續(xù)梁橋拼寬的影響及控制

許 梁,鄒黎瓊

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,湖北 武漢 430051)

我國在改革開放后建造了大量的高速公路,隨著國家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,交通量也有顯著的增加,部分高速公路的交通量已經(jīng)達(dá)到建造時(shí)的遠(yuǎn)期預(yù)測[1,2],公路服務(wù)水平達(dá)到了三級,部分已經(jīng)達(dá)到四級。為增加行車安全性及舒適性,對既有高速進(jìn)行擴(kuò)建,以增加其通行能力,提高交通服務(wù)水平是較為經(jīng)濟(jì)的一種選擇。國內(nèi)特別是廣東地區(qū)對既有高速公路改擴(kuò)建的需求日益增加[3]。

在擴(kuò)建空間允許的條件下,在既有高速兩側(cè)進(jìn)行拼寬以增加車道,提高通行能力是較為經(jīng)濟(jì)的選擇[4～6]。該擴(kuò)建方式下,存在大量的橋梁需要拼寬,拼寬方式的選擇直接影響新舊結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài),從而影響結(jié)構(gòu)的安全性。影響拼寬方式的因素較多,但受力影響是較為復(fù)雜,卻十分重要的因素之一。

孫寧等[7]對高速公路橋梁改擴(kuò)建中的空心板拼寬進(jìn)行了計(jì)算分析,指出空心板橋梁宜在新建橋梁完工后6個(gè)月后再與既有橋梁上部結(jié)構(gòu)連接,以減小新舊橋梁沉降差及收縮徐變對拼寬縫的影響。王陽等[8]對T梁拼寬工況進(jìn)行了研究,對于允許的沉降差給出了建議值。李健翔[9]對現(xiàn)澆大箱梁的拼寬可行性進(jìn)行了研究,主要探討了收縮徐變和沉降差對拼接部位的影響。

然而,目前研究主要集中在簡支結(jié)構(gòu)的拼寬方式上[10,12],而連續(xù)結(jié)構(gòu)在高速公路橋梁中占有相當(dāng)大的比例,且連續(xù)結(jié)構(gòu)一般為大中橋,里程長度更大,擴(kuò)建方式研究的經(jīng)濟(jì)意義更大。同時(shí),簡支結(jié)構(gòu)和連續(xù)結(jié)構(gòu)拼寬后受力方式存在差異。為此,本文深入探討基礎(chǔ)變位對連續(xù)結(jié)構(gòu)拼寬橋梁的影響規(guī)律,及相應(yīng)的控制措施。

1 案例概況

廣東某高速公路為雙向六車道,于2000年通車,經(jīng)過20年運(yùn)營,日均汽車流量已經(jīng)達(dá)到10萬輛。服務(wù)水平較低,且位于城區(qū),未來交通量預(yù)測更大,現(xiàn)有車道數(shù)難以滿足通行需求。因此業(yè)主選擇對其進(jìn)行改擴(kuò)建,以緩解現(xiàn)有交通壓力,滿足未來通行需求。

大橋?yàn)檫B續(xù)結(jié)構(gòu),跨徑組合為3×30 m,原橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面為26 m寬,橋梁中線左右對稱布置,橋梁上構(gòu)為4塊預(yù)制小箱梁,經(jīng)過現(xiàn)場勘察,結(jié)合管線影響等信息,推選在兩側(cè)直接拼寬方案,最后形成的斷面為4+4塊預(yù)制小箱梁,如圖1所示(圖中僅示出1/2截面)。

圖1 1/2標(biāo)準(zhǔn)拼寬橫斷面/cm

2 案例沉降影響分析

對于受力明確,傳力路徑明晰的模型,可以采用桿系單元建立結(jié)構(gòu)模型[13,14],如梁單元、桿單元等。在研究簡支結(jié)構(gòu)跨中受力時(shí),桿系單元與實(shí)際誤差較小,滿足工程精度。但對于D區(qū)(即不滿足平截面假定的區(qū)域)實(shí)際結(jié)構(gòu)受力情況與桿系有限元模型的誤差較大。且對于探索性的、受力途徑存在多種可能的區(qū)域或模型,采用實(shí)體單元可以觀察實(shí)際傳力路徑和受力影響、變化范圍和程度[15,16]。本文采用ANSYS軟件建立三維實(shí)體有限元模型。主梁及橫隔板等采用Solid45單元進(jìn)行模擬,主梁與蓋梁之間通過彈簧模型連接,通過調(diào)整彈簧剛度來模擬支座剛度的變化,通過對彈簧節(jié)點(diǎn)施加強(qiáng)制位移來模擬基礎(chǔ)沉降[17]。模型共112374個(gè)節(jié)點(diǎn),共28392個(gè)單元,三維有限元模型如圖2所示。

圖2 拼寬后橋梁有限元模型

2.1 基礎(chǔ)橫向整體不均勻下沉對結(jié)構(gòu)受力影響

橋梁拼寬時(shí),當(dāng)采用新舊橋梁上部結(jié)構(gòu)相連接,僅連接上構(gòu)主梁,對蓋梁不進(jìn)行連接。具體連接方式為新建箱梁翼緣板預(yù)留鋼筋,舊橋翼緣板鑿除部分混凝土,然后新舊橋梁鋼筋連接后澆筑混凝土。新舊橋梁僅翼緣板相連接,無新增橫隔板。由于新舊結(jié)構(gòu)沉降時(shí)間不同,既有結(jié)構(gòu)已服役多年,基本沉降已經(jīng)完成,而新的拼寬結(jié)構(gòu)尚未完成沉降,因此兩者會出現(xiàn)沉降差,該沉降差通過翼緣板傳遞。當(dāng)新舊蓋梁未連接時(shí),該沉降差會直接影響上部結(jié)構(gòu)的受力。以該橋?yàn)槔?研究橫向不均勻沉降對上構(gòu)受力的影響。當(dāng)新舊結(jié)構(gòu)發(fā)生相同位移的沉降時(shí),兩側(cè)不存在相對位移,不發(fā)生受力變化,因此研究時(shí)只設(shè)置新的拼寬結(jié)構(gòu)發(fā)生不同等級的基礎(chǔ)沉降。

在模型中設(shè)置既有結(jié)構(gòu)保持不變,新的拼寬結(jié)構(gòu)分別發(fā)生3，5，8 mm不同程度的整體沉降,結(jié)構(gòu)的位移及等效應(yīng)力云圖如圖3所示,結(jié)構(gòu)跨中處各主梁位移曲線如圖4所示,主梁梁底最大等效應(yīng)力曲線如圖5所示。

圖3 橫向整體不均勻沉降下結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力云圖

圖4 橫向整體不均勻沉降下結(jié)構(gòu)跨中位移

圖5 橫向整體不均勻沉降下結(jié)構(gòu)跨中應(yīng)力

提取結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力及位置,總結(jié)如表1所示。

表1 橫向整體不均勻沉降下結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力

從圖中可以看出：當(dāng)拼寬側(cè)橋梁發(fā)生整體沉降時(shí),拼寬橋外側(cè)小箱梁較內(nèi)側(cè)位移大,從內(nèi)(拼寬處)向外呈線性增長趨勢。由于蓋梁的影響,原橋橋墩處受拼寬橋沉降影響較小,位移較小,而兩跨之間位移影響范圍逐漸增大。盡管拼寬橋外側(cè)的位移最大,但由于受原橋邊界約束較小,因此產(chǎn)生的應(yīng)力也較小,而內(nèi)側(cè)由于原橋約束,特別是橋墩處約束更強(qiáng),因此最大應(yīng)力也產(chǎn)生于此。新舊橋頂板拼接處存在一定的較小等效應(yīng)力,在該處的現(xiàn)澆材料選擇上具有一定自由度。

2.2 基礎(chǔ)橫向局部不均勻下沉對結(jié)構(gòu)受力影響

對比部分情況,新舊結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)沉降雖發(fā)生時(shí)間長短不同,但不一定會引起沉降差。如當(dāng)?shù)刭|(zhì)情況較好,既有結(jié)構(gòu)和拼寬結(jié)構(gòu)均采用嵌巖樁基礎(chǔ)時(shí),由于嵌巖作用,基礎(chǔ)沉降值較小,因而新舊結(jié)構(gòu)的沉降差不大,對受力影響較小。又或者，當(dāng)既有結(jié)構(gòu)采用摩擦樁基礎(chǔ),而新結(jié)構(gòu)采用嵌巖樁基礎(chǔ)時(shí),或者既有結(jié)構(gòu)服役時(shí)間不長等情況時(shí),均會引起沉降差較小或無沉降差。然而在此情況下,可能會出現(xiàn)部分樁基礎(chǔ)下的地質(zhì)發(fā)生突變,如新舊結(jié)構(gòu)均采用嵌巖樁,但部分樁基礎(chǔ)下存在溶洞,導(dǎo)致拼寬側(cè)部分樁基礎(chǔ)沉降過大,引起上部結(jié)構(gòu)局部或者整體受力變化,從而引起結(jié)構(gòu)安全隱患。為此有必要探討不同局部基礎(chǔ)發(fā)生變位對結(jié)構(gòu)的受力影響。

設(shè)置橋梁邊跨附近發(fā)生不同程度的位移,結(jié)構(gòu)的受力云圖如圖6所示,結(jié)構(gòu)跨中處各主梁位移曲線如圖7所示,主梁梁底最大應(yīng)力曲線如圖8所示。

圖6 拼寬側(cè)橋頭沉降下結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力云圖

圖7 橋頭不均勻沉降下結(jié)構(gòu)跨中位移

圖8 橋頭不均勻沉降下結(jié)構(gòu)跨中應(yīng)力

提取結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力及位置,總結(jié)如表2所示。

表2 橋頭沉降下結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力

從圖6中可以看出,當(dāng)橋頭發(fā)生沉降時(shí)影響范圍較小,僅在縱橋向約15 m,橫向20 m的扇形范圍內(nèi)有一定影響。從圖8可以看出,沉降引起的應(yīng)力在新舊橋拼寬處有突變。最大應(yīng)力出現(xiàn)在拼寬側(cè)外邊板的底板處,且隨著沉降值的增大,最大應(yīng)力成線性增長趨勢。相比整體沉降,發(fā)生相同位移的沉降時(shí),橋頭沉降產(chǎn)生的應(yīng)力幅值僅為整體沉降的5%。主要是因?yàn)樵撎庍吔缂s束較小,其中一端完全釋放,導(dǎo)致位移得到一定程度的釋放。

設(shè)置橋梁中跨附近發(fā)生不同程度的位移,結(jié)構(gòu)位移和內(nèi)力響應(yīng)云圖如圖9所示,結(jié)構(gòu)跨中處各主梁位移曲線如圖10所示,主梁梁底最大應(yīng)力曲線如圖11所示。

圖9 中跨不均勻沉降下結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力云圖

圖10 中跨不均勻沉降下結(jié)構(gòu)位移

圖11 中跨不均勻沉降下結(jié)構(gòu)應(yīng)力

提取結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力及位置,總結(jié)如表3所示。

表3 中跨沉降下結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力

同時(shí)在配置預(yù)應(yīng)力鋼束時(shí),調(diào)節(jié)鋼束面積、鋼束線型及張拉應(yīng)力,使得結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力作用下產(chǎn)生的主壓應(yīng)力為30 MPa,則按照J(rèn)TG 3362—2018《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》第6.3.1條規(guī)定,在拼寬側(cè)沉降約6 mm時(shí),結(jié)構(gòu)產(chǎn)生組合應(yīng)力將超過第6.3.1-7條規(guī)定。

圖9顯示,當(dāng)中跨基礎(chǔ)發(fā)生沉降時(shí),位移傳遞范圍為鄰近兩跨,未越過蓋梁影響到較遠(yuǎn)跨徑,且位移在原橋內(nèi)的傳遞范圍較小。應(yīng)力傳遞范圍與整體沉降時(shí)相近,但僅作用在中跨蓋梁處,沿橋梁縱向傳遞范圍較小,最大應(yīng)力出現(xiàn)在拼寬側(cè)內(nèi)邊板底板處。從圖10可以看出位移通過翼緣板傳遞后,在舊橋遠(yuǎn)側(cè)邊板引起向上位移,因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要特別注意,以防止支座脫空。從圖11可以看出最大應(yīng)力出現(xiàn)位置不隨沉降大小而改變,最大應(yīng)力幅值呈線性增長趨勢,且在舊橋外側(cè)邊板和拼寬橋內(nèi)側(cè)邊板處引起較大應(yīng)力,該處相對位移差最大,故引起較大應(yīng)力,而較遠(yuǎn)處主梁由于位移差逐步釋放,應(yīng)力較小?？v橋向,相較于橋頭沉降,中跨沉降時(shí)受到原橋的邊界約束更大,發(fā)生相同大小的沉降時(shí),產(chǎn)生的最大應(yīng)力值為橋頭沉降的20倍左右,與拼寬橋發(fā)生整體沉降的最大應(yīng)力幅值相近,但出現(xiàn)的點(diǎn)位僅在沉降發(fā)生處。將該處應(yīng)力顯示范圍調(diào)整為5～50 MPa,得到局部等效應(yīng)力云圖如圖12所示。

圖12 局部應(yīng)力分布圖/MPa

從圖12中可以看出,應(yīng)力傳遞的途徑主要為橫隔板和小箱梁底板。當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生沉降時(shí),相鄰兩跨的支座成為主要約束,跨中承受最大彎矩,箱梁底板及橫隔板處出現(xiàn)最大應(yīng)力。應(yīng)力通過拼接處頂板傳至原橋,原橋橫隔板與底板相交處出現(xiàn)最大應(yīng)力。

3 沉降差影響下結(jié)構(gòu)拼接控制

根據(jù)沉降差的影響分析可知,當(dāng)新建結(jié)構(gòu)與既有橋梁沉降差大于6 mm時(shí),結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力將超過JTG 3362—2018《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》第6.3.1條之規(guī)定。對于新建結(jié)構(gòu),除了可以通過調(diào)整樁長來控制新舊結(jié)構(gòu)的沉降差大小外,還可以通過在新老主梁之間增設(shè)橫向聯(lián)系來調(diào)控主梁之間的連接剛度[18],從而降低沉降差的不利影響。

依托上述案例,在各跨跨中主梁之間增設(shè)一道橫隔板及在各跨內(nèi)平均增設(shè)2～3道橫向聯(lián)系(圖13),以加強(qiáng)新舊主梁之間的連接剛度。具體施工方式為：對于既有橋梁側(cè),需在主梁腹板上鉆孔植筋；對于新建橋梁側(cè),可選用帶有橫隔板的中板作為邊板,也可在邊板預(yù)埋鋼筋。新舊橋梁鋼筋連接后澆筑混凝土形成橫隔板。不同橫向聯(lián)系方式下主梁結(jié)構(gòu)效應(yīng)如圖14,15所示。

圖13 既有結(jié)構(gòu)與新建結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系位置示意

圖14 增加橫向聯(lián)系后結(jié)構(gòu)位移

圖15 增加橫向聯(lián)系后結(jié)構(gòu)應(yīng)力

從圖14，15可以看出,增加橫向聯(lián)系后,既有結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力具有不同程度的減小。說明通過增加橫向聯(lián)系,結(jié)構(gòu)整體性增加,位移和應(yīng)力更加協(xié)調(diào)。當(dāng)新建基礎(chǔ)沉降控制較難或成本較大時(shí),可以通過增加新舊橋梁之間的橫向聯(lián)系來減小結(jié)構(gòu)響應(yīng),提高承載能力。增加橫向聯(lián)系后,既有橋梁和拼寬橋梁之間的相對位移關(guān)系不變,既有結(jié)構(gòu)外側(cè)邊板的位移仍為向上,但相較于未增加橫向聯(lián)系時(shí)有所減少,邊梁支座脫空的風(fēng)險(xiǎn)有所降低。

增加橫向聯(lián)系后,拼寬側(cè)主梁1與主梁2之間的相對位移有所增加,這是由于增加的橫向聯(lián)系提高了主梁1的邊界條件約束,因此兩片主梁之間的相對位移增加,相應(yīng)的主梁1與主梁2之間翼緣板的應(yīng)力也相應(yīng)增加。同時(shí)可以看出,新舊兩片相連主梁處應(yīng)力較大,但相鄰主梁的應(yīng)力水平較低,應(yīng)力下降明顯,這是由于拼寬主梁之間,既有主梁之間均無橫隔板,橫向聯(lián)系較差,導(dǎo)致應(yīng)力無法均勻分布在較遠(yuǎn)處主梁。建議在增加拼接處橫向聯(lián)系的基礎(chǔ)上,對既有結(jié)構(gòu)和拼寬結(jié)構(gòu)的主梁之間也增加橫向聯(lián)系。

4 結(jié) 論

以一座3×30 m連續(xù)小箱梁橋的拼寬設(shè)計(jì)研究了當(dāng)拼寬橋發(fā)生不同程度、不同位置的沉降時(shí),拼寬橋和原橋受位移和應(yīng)力的影響。通過研究得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)拼寬側(cè)橋梁發(fā)生整體沉降時(shí),原橋的影響范圍為原橋?qū)挾鹊?5%,即位移傳遞不會越過原橋第一根主梁。最大應(yīng)力出現(xiàn)在原橋內(nèi)邊板底板處,拼寬橋底板應(yīng)力較大。隨著沉降值的增大,最大應(yīng)力出現(xiàn)的位置未發(fā)生改變,幅值呈線性增長趨勢；

(2)當(dāng)拼寬橋僅發(fā)生橋臺沉降時(shí),位移及應(yīng)力影響范圍遠(yuǎn)小于中跨橋墩發(fā)生沉降的影響范圍。橋臺沉降引起的最大應(yīng)力幅值僅為拼寬側(cè)全橋沉降及中跨發(fā)生沉降時(shí)應(yīng)力幅值的5%；

(3)當(dāng)拼寬橋發(fā)生沉降時(shí),由于原橋的邊界約束,拼寬側(cè)最大應(yīng)力產(chǎn)生于內(nèi)側(cè)邊梁的底板處。應(yīng)力通過新舊橋拼接頂板傳至原橋,在原橋底板處產(chǎn)生全橋最大應(yīng)力。在拼寬橋及原橋內(nèi)部,橫向傳遞途徑主要為橫隔板,頂板貢獻(xiàn)很??；

(4)基于結(jié)構(gòu)線性假設(shè),當(dāng)新橋沉降超過6 mm時(shí),結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力將超過規(guī)范規(guī)定,既有結(jié)構(gòu)抗裂承載能力不足,需對既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗裂加固,或通過加大新建橋梁的樁長來減少結(jié)構(gòu)的沉降差；

(5)增加新舊橋之間橫向聯(lián)系,可以增加結(jié)構(gòu)整體性,減少結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力響應(yīng),從而提高結(jié)構(gòu)承載能力。