新老結(jié)構(gòu)間超高性能混凝土拼寬接縫技術(shù)研究

李 靜

（臨沂振東建設(shè)投資有限公司，山東 臨沂 276023）

1 工程概況

北京路沂河橋于1994年1月建成通車，該橋全長1 210.72 m，橋梁全寬23 m，雙向四車道布置。2019年11月，山東北斗檢測有限公司對(duì)北京路沂河橋進(jìn)行動(dòng)靜載試驗(yàn)，檢測結(jié)果表明橋梁靜動(dòng)力性能符合規(guī)范及承載力要求，具有承受老規(guī)范荷載的強(qiáng)度和剛度，且具有足夠的安全儲(chǔ)備，為此北京路沂河橋老橋頂升2.57 m后保留利用，同時(shí)兩側(cè)新建拼寬橋，如圖1所示。

圖1 北京路沂河橋鳥瞰效果圖

拼寬橋與老橋拼寬屬于不同跨徑、不同結(jié)構(gòu)之間的拼寬。老橋改造后除拆除重建部分采用鋼箱梁外，均維持30 m簡支小箱梁不變。新建拼寬橋采用標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)60 m+60.69 m=120.69 m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁，與老橋?qū)?yīng)的鋼箱梁采用鋼箱梁混凝土。

現(xiàn)狀老橋結(jié)構(gòu)全寬22 m，兩側(cè)拼寬橋結(jié)構(gòu)寬度14.9 m，拼寬橋與老橋結(jié)構(gòu)之間留有5 cm結(jié)構(gòu)間隙，橋梁分四幅布置，橋梁橫斷面全寬52 m。改造后的老橋單幅布置3個(gè)車道，拼寬橋布置2個(gè)車道、非機(jī)動(dòng)車道和人行道，如圖2所示。

圖2 橫斷面布置（單位：m）

2 拼寬方案設(shè)計(jì)

2.1 拼寬方案選擇

新老橋拼寬有多種方案，包括剛性拼寬方案、GD彈性無縫拼寬方案、聚氨酯材料無縫伸縮縫、伸縮縫方案等。伸縮縫方案即為在拼寬橋與老橋之間設(shè)置伸縮縫，類似于常規(guī)型鋼伸縮縫。其余拼寬方案如下：

（1）剛性拼寬方案

剛性拼寬方案主要分為以下三種形式。

a.鋪裝層形成剛性連接，上部結(jié)構(gòu)不連接，梁體之間斷開，僅靠橋面鋪裝相互連接。

b.種植鋼筋形成整體，鑿除原橋邊板懸臂，原橋與加寬橋采用現(xiàn)澆濕接縫連接，植筋形成整體結(jié)構(gòu)。

c.鋼板剛性連接，上部結(jié)構(gòu)采用鋼板剛性連接，混凝土鋪裝、瀝青面層形成整體，梁體與混凝土鋪裝之間斷開。

剛性拼寬方案已成功應(yīng)用于廣佛高速公路湖州大橋[1]、連霍高速公路潼關(guān)-西安段改擴(kuò)建、上海濟(jì)陽路快速化改造工程[2]。

（2）GD彈性無縫拼寬方案

GD彈性無縫拼寬技術(shù)充分利用彈性混凝土的力學(xué)特征（承受荷載和高強(qiáng)振動(dòng)時(shí)顯示彈性，而在低頻緩力的作用下產(chǎn)生塑性），以變化的彈塑性來同時(shí)滿足拼縫處的撓度和高差突變的要求。此方案成功應(yīng)用于上海市七莘路高架與滬青平高速拼縫改造、嘉松北路蘊(yùn)藻浜橋、滬寧高速真北路立交匝道、S320亭楓公路張涇橋。

（3）聚氨酯材料無縫伸縮縫

聚氨酯材料無縫伸縮縫是采用聚氨酯材料與結(jié)構(gòu)錨固系統(tǒng)組成的一種伸縮縫。主要有聚氨酯伸縮體、混凝土找平層、折彎鋼板、蓋縫鋼板、穩(wěn)定元件、結(jié)構(gòu)錨固系統(tǒng)。此方案成功應(yīng)用于上海市中興路匝道橋。

北京路沂河橋作為臨沂市重要景觀工程，新老橋之間不適宜設(shè)置真縫。在采用無縫拼寬時(shí)，鋪裝層形成剛性連接，上部結(jié)構(gòu)不連接，梁體之間斷開，僅靠橋面鋪裝相互連接的方案最適合本工程，避免了復(fù)雜的構(gòu)造，又可以確保橋面平順、行車安全。

2.2 不同跨徑、不同結(jié)構(gòu)拼寬需解決問題

目前常規(guī)的橋梁拼寬方案為等跨徑拼寬，對(duì)于不等跨徑、不同結(jié)構(gòu)形式拼寬尚無成熟經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)新舊規(guī)范適應(yīng)性、大跨度連續(xù)梁拼寬、錯(cuò)位拼寬等仍然是橋梁拼寬中的難點(diǎn)[3]。由于拼寬橋主橋標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)為60 m+60.69 m=120.69 m，而老橋標(biāo)準(zhǔn)跨徑為30 m、30.69 m，拼寬橋跨中位移最大位置恰好是老橋位移為0 mm位置，這就需要解決新老橋之間的活載作用下變形協(xié)調(diào)問題。拼寬橋沉降在3個(gè)月完成大部分沉降，拼接縫要選擇在新橋完成后的3～6個(gè)月[3]，本工程拼寬橋建成后需要施工附屬設(shè)施，通車后才對(duì)老橋小箱梁頂升改造，工期大于6個(gè)月，同時(shí)樁基均進(jìn)入中風(fēng)化安山巖，地基承載能力高，沉降變形量極小。因此本工程分析以活載變形為主。

（1）分析模型

采用MIDAS/Civil 2021建立老橋、拼寬新橋的整體空間實(shí)體模型,老橋結(jié)構(gòu)根據(jù)竣工圖紙構(gòu)造尺寸建立，如圖3所示；拼寬新橋結(jié)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙構(gòu)造尺寸建立；為考慮拼縫的真實(shí)參與受力情況，將鋪裝層（含拼縫）均按實(shí)際尺寸建立模型；老橋部分邊界條件按高阻尼橡膠支座實(shí)際剛度模擬，拼寬新橋部分按一般支承約束，老橋與拼寬新橋之間通過5 cm寬的拼縫連接。

圖3 整體計(jì)算模型

（2）新老橋結(jié)構(gòu)分離時(shí)位移

現(xiàn)狀老橋在3車道布置時(shí)，老橋在活荷載作用下的跨中最大豎向撓度為16.9 mm，如圖4所示；拼寬橋在2車道布置和人非荷載作用下，拼寬橋跨中最大豎向撓度為21.9 mm，如圖5所示。拼寬橋跨中對(duì)應(yīng)的老橋橋墩位置位移為0 mm。

圖4 分離時(shí)老橋位移圖（單位：mm）

圖5 分離時(shí)拼寬橋位移圖（單位：mm）

（3）新老橋結(jié)構(gòu)橋面連續(xù)時(shí)位移

橋梁拓寬有利于提高橋梁的整體剛度，能減輕舊橋活載負(fù)擔(dān)，在活載作用下結(jié)構(gòu)變形量減小，提高實(shí)際承載能力[3]。在拼寬橋與老橋同時(shí)布置活荷載時(shí)，老橋跨中處最大向下?lián)隙葹?1.4 mm，拼寬新橋跨中處最大向下?lián)隙葹?.3 mm，如圖6所示。拼寬新橋?qū)?yīng)老橋跨中處最大向上撓度為1.0 mm，如圖7所示。故全橋橫橋向最大撓度差不超過11.4+1.0=12.4 mm。

圖6 連續(xù)時(shí)向下最大位移（單位：mm）

圖7 連續(xù)時(shí)向上最大位移（單位：mm）

采用剛性拼寬方案后，老橋（尤其是在拼寬新橋跨中附近）對(duì)拼寬新橋提供側(cè)面豎向支撐，豎向剛度有明顯改善，拼寬新橋最大位移由21.9 mm減小為7.3 mm（跨中附近），老橋最大位移由16.9 mm減小為11.4 mm（跨中附近），故老橋、新橋的整體性通過剛性拼寬得到加強(qiáng)。要實(shí)現(xiàn)不同跨徑、不同結(jié)構(gòu)拼寬橋和老橋整體受力需要對(duì)拼縫進(jìn)行合理設(shè)計(jì)才能實(shí)現(xiàn)。

3 拼縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

拼縫受力最不利位置為拼寬橋跨中對(duì)應(yīng)老橋橋墩位置和老橋跨中對(duì)應(yīng)拼寬橋1/4跨徑位置，為此需要對(duì)兩個(gè)位置區(qū)別設(shè)計(jì)，并設(shè)置過渡段。在縱向拼縫處鋪裝層選用10 cm厚UHPC形成剛接，鋪裝內(nèi)配置加強(qiáng)配筋以改善連續(xù)構(gòu)造的受力性能，提高連續(xù)縫位置的耐久性；拼寬橋梁體內(nèi)布置預(yù)埋鋼筋，且老橋小箱梁植筋，使結(jié)構(gòu)形成整體；縱縫上布置5 mm不銹鋼板及5 mm橡膠墊板，鋪裝鋼筋與UHPC內(nèi)鋼筋綁扎，使鋪裝層形成整體，如圖8所示。

圖8 橫橋向立面圖（單位：mm）

具體布置如下：

（1）在拼寬橋及老橋小箱梁拼縫頂面鋪一層0.5 m寬、5 mm厚的不銹鋼板。

（2）不銹鋼板上鋪兩層1.05 m寬、5 mm厚的橡膠墊板，其中上層橡膠墊板由變形小的一側(cè)伸入變形大的一側(cè)0.1 m后結(jié)束，對(duì)于拼縫兩側(cè)變形基本一致的不設(shè)置上層橡膠墊板。

（3）橡膠墊板上綁扎直徑φ16的鋼筋，橫橋向兩層，順橋向一層，縱橫向鋼筋間距均為100 mm。

（4）在拼縫兩側(cè)拼寬橋1.2 m、老橋1.5 m范圍內(nèi)澆筑10 cm厚UHPC。

（5）UHPC上方澆筑8 cm厚常規(guī)瀝青混凝土鋪裝層。

為適應(yīng)拼縫兩側(cè)不均勻變形、延緩結(jié)構(gòu)變形、適應(yīng)UHPC板的轉(zhuǎn)角，對(duì)拼縫橡膠墊板分段設(shè)置。在新橋支點(diǎn)兩側(cè)5 m范圍內(nèi)，拼寬橋和老橋分別布置1層橡膠墊；在拼寬橋跨中13 m范圍內(nèi)老橋設(shè)置2層橡膠墊、拼寬橋布置1層橡膠墊；其余位置拼寬橋2層橡膠墊、老橋一層橡膠墊。

4 拼縫計(jì)算分析

4.1 主要材料參數(shù)

UHPC高強(qiáng)韌性混凝土具有優(yōu)異的裂縫寬度控制能力，是橋梁結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)或其他需要高抗裂性能的部位除預(yù)應(yīng)力混凝土之外的新方案[4，5]。UHPC高強(qiáng)韌性混凝土抗壓強(qiáng)度≥180 MPa、抗拉強(qiáng)度≥8.33 MPa，拼寬橋主橋箱梁采用C55，現(xiàn)狀老橋箱梁采用C30，鋼筋采用HRB400。

4.2 小箱梁懸臂橫橋向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

在活荷載作用下，對(duì)應(yīng)拼寬新橋跨中處的老橋小箱梁懸臂附近出現(xiàn)橫向拉應(yīng)力集中區(qū)域，峰值達(dá)到11.0 MPa，橫橋向左右約1.0 m范圍內(nèi)應(yīng)力降至1.5 MPa；順橋向分布寬度約4 m范圍內(nèi)應(yīng)力降至1.5 MPa，如圖9、圖10所示。在發(fā)生沉降的支點(diǎn)部位，應(yīng)力急劇增大，這是模型影響而在支座處的應(yīng)力集中，不影響總的分析結(jié)果[6]。計(jì)算支撐處的負(fù)彎矩時(shí)可考慮支座寬度對(duì)彎矩折減的影響[7]，在實(shí)際情況下，UHPC板的受力還要減小。

圖9 老橋橋墩處橫向應(yīng)力分布圖

圖10 老橋橋墩處小箱梁懸臂根部橫向應(yīng)力分布

根據(jù)上述應(yīng)力分布結(jié)果，用于指導(dǎo)UHPC拼縫在橫橋向上的分布寬度，即在拼寬縫左右各1.0 m范圍。全橋橫向最大壓應(yīng)力值為-8.6 MPa，滿足強(qiáng)度要求。

4.3 UHP C板小箱梁跨內(nèi)橫向應(yīng)力

根據(jù)空間實(shí)體模型分析結(jié)果，拼縫層的橫向應(yīng)力在順橋上，基本在全橋范圍內(nèi)應(yīng)力值均大于2.0 MPa。本工程采用的UHPC（型號(hào)UC180）抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值要求為≥8.33 MPa，與計(jì)算結(jié)果對(duì)比可見，除了在拼寬橋跨中處局部點(diǎn)處存在開裂外，其余位置均不會(huì)開裂。通過設(shè)置鋼筋配置，保證拼縫層在極限荷載作用下的強(qiáng)度滿足要求。

4.4 精細(xì)化模型

4.4.1 精細(xì)化模型

沿縱向取1 m計(jì)算寬度，采用civil實(shí)體單元建立老橋小箱梁與拼寬橋橫向連接框架精細(xì)化計(jì)算模型，錨筋編號(hào)為從左向右編排，如圖11所示。

圖11 拼縫細(xì)部模型

4.4.2 UHP C板及錨筋驗(yàn)算

UHPC板具有出色的裂縫控制能力，同時(shí)本次設(shè)計(jì)采用的錨筋為常規(guī)門式配筋，試驗(yàn)證明具有合理性[2]。在計(jì)算時(shí)分拼寬橋下?lián)虾屠蠘蛳聯(lián)蟽煞N工況分析UHPC板及錨筋的受力情況。下?lián)现挡捎谜w模型中整體計(jì)算時(shí)的變形值。

（1）拼寬橋下?lián)瞎r

UHPC板受到彎矩為26.4 kN/m、剪力為66.9 kN，板的裂縫寬度為0 mm，均滿足規(guī)范要求，見表1。拼寬橋側(cè)錨筋承受拉力，老橋側(cè)錨筋承受壓力，錨筋承受最大拉力16.5 kN，承受最大剪力46.3 kN,錨筋組合應(yīng)力為209.3 MPa，均滿足規(guī)范要求，見表2。

表1 UHP C板的受力驗(yàn)算

表2 拼寬橋下?lián)襄^筋受力驗(yàn)算

（2）老橋下?lián)瞎r

UHPC板受到彎矩為28.6 kN/m、剪力為88.9 kN，板的裂縫寬度為0 mm，均滿足規(guī)范要求，見表1。老橋下?lián)蠒r(shí)，UHPC板作用于拼寬橋端部而發(fā)生翹曲效應(yīng)，導(dǎo)致拼寬橋和老橋側(cè)錨筋均承受拉力，錨筋承受最大拉力17.5 kN，承受最大剪力13.3 kN，錨筋組合應(yīng)力為130.8 MPa，均滿足規(guī)范要求，見表3。

表3 老橋下?lián)襄^筋受力驗(yàn)算

4.4.3 老橋小箱梁懸臂強(qiáng)度復(fù)核

舊橋翼緣是一個(gè)薄弱部位，橋梁拼接后會(huì)發(fā)生受力狀態(tài)的變化，在汽車荷載局部作用、新舊橋汽車偏載作用以及接縫段混凝土收縮徐變作用下，翼緣剛性連接時(shí)，原橋翼緣部位的配筋較少，需要加強(qiáng)橋面鋪裝鋼筋[3]。根據(jù)空間實(shí)體模型，拼寬橋在活荷載作用下跨中下?lián)希ɑ蛏瞎埃?，引起小箱梁懸臂端處位移。?duì)老橋小箱梁懸臂端處施加強(qiáng)迫位移，以考慮拼寬橋車輛荷載對(duì)老橋懸臂的“拖拽”效應(yīng)；同時(shí)疊加老橋小箱梁自重、二期及老橋懸臂上汽車荷載作用，以此校驗(yàn)老橋小箱梁懸臂強(qiáng)度及裂縫?？箯潖?qiáng)度、抗剪強(qiáng)度及裂縫寬度均滿足規(guī)范要求，見表4。

表4 老橋小箱梁懸臂驗(yàn)算結(jié)果

4.4.4 老橋小箱梁支座承載能力復(fù)核

在拼寬橋變形作用下，會(huì)對(duì)老橋支座產(chǎn)生支座傾斜、壓縮等變形，改變支座形式可改善橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)受力[8]。本工程老橋改造后支座采用高阻尼支座，型號(hào)HDR（Ⅱ）-d295×117-G1.0支座，豎向支承承載力為704 kN。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，老橋小箱梁的最外側(cè)（拼寬側(cè)）一排支座的豎向反力均比其余支座反力要大，最大值出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)拼寬橋跨中處的老橋外側(cè)支座，最大值為690.8 kN，小于支座承載力，滿足規(guī)范要求。

5 拼縫試驗(yàn)分析

為研究新老橋面拼接結(jié)構(gòu)的受力性能，對(duì)拼接結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場足尺加載試驗(yàn)，如圖12所示。小箱梁采用現(xiàn)狀老橋拆卸下的小箱梁，拼寬橋試驗(yàn)構(gòu)件采用與實(shí)際拼寬橋結(jié)構(gòu)相同尺寸的懸臂結(jié)構(gòu)。

圖12 拼縫結(jié)構(gòu)試驗(yàn)現(xiàn)場照片

試驗(yàn)結(jié)果表明，UHPC的無縫拼寬剛性橋面鋪裝應(yīng)力、錨筋應(yīng)變狀態(tài)、老橋小箱梁位移及破壞情況均與有限元計(jì)算結(jié)果相吻合。

6 結(jié) 論

不同跨徑、不同結(jié)構(gòu)之間的拼接技術(shù)屬于非常規(guī)拼寬技術(shù)，經(jīng)過對(duì)北京路沂河橋拼縫后橋面板結(jié)構(gòu)受力、老橋小箱梁受力、錨筋受力等進(jìn)行綜合分析后，又采用現(xiàn)場試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，可得出如下結(jié)論：

（1）采用UHPC的無縫拼寬剛性橋面鋪裝承載能力及正常使用極限狀態(tài)滿足規(guī)范要求。

（2）采用剛性拼寬方案時(shí)的老橋小箱梁承載能力及正常使用極限狀態(tài)滿足規(guī)范要求。

（3）采用剛性拼寬方案時(shí)的老橋小箱梁支座承載能力滿足規(guī)范要求。

（4）UHPC板與梁體之間的錨筋承載力滿足規(guī)范要求。

因此，本工程設(shè)計(jì)的UHPC無縫拼寬剛性橋面結(jié)構(gòu)可滿足工程實(shí)際需要。