探討改擴建公路橋梁拼寬設(shè)計

楊 俊

（貴州省公路工程集團有限公司,貴州 貴陽 550000）

0 引言

近年來，我國經(jīng)濟發(fā)展迅速，交通量不斷增加，對目前的道路運輸系統(tǒng)提出了更高的要求。由于設(shè)計理念落后、設(shè)計標準低、施工材料陳舊等原因，許多在使用中的道路橋梁不但不能保證行車的舒適度，也不能保證其安全，同時也限制了交通運輸?shù)陌l(fā)展[1-3]。在高速公路改擴建工程中，橋梁的擴容一直是工程的重中之重，一般都是通過拓寬橋面或者新建橋墩來擴展原來的橋型。拓寬橋面既能保證工程中舊橋的安全運行，又能節(jié)省資金。但由于新橋基礎(chǔ)的連續(xù)下沉導(dǎo)致的沉陷差，對新增寬橋的上部構(gòu)造產(chǎn)生了較大的沖擊，尤其對拓寬后的橋面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較大的沖擊。為解決山地高架橋拓寬技術(shù)難題，該文對非均勻沉降對橋梁的受力等問題進行了研究。通過調(diào)查、分析、整理各種影響因素，采用模型試驗方法，對不同沉降條件下的橋梁進行了受力響應(yīng)分析，得出了各種因素對橋梁承載力的影響，為以后的橋梁加寬設(shè)計提供了依據(jù)[4]。

1 拓寬橋梁橫向拼接

1.1 橫向連接方式

1.1.1 上下部結(jié)構(gòu)均不連接

如果在原橋沒有與橋面相連的情況下，新老橋不會發(fā)生交互作用，可以避免地基不均勻下沉對橋面的破壞，降低搭設(shè)的難度。

1.1.2 上下部結(jié)構(gòu)均連接

在橋梁上下兩層均為聯(lián)體時，地基沉降對其內(nèi)力的影響較大，因而對其技術(shù)參數(shù)提出了更高的標準[5]。同時，在采用這種方法的情況下，對下層結(jié)構(gòu)進行拼接，必須采用植筋技術(shù)。

1.1.3 上部結(jié)構(gòu)互連、下部結(jié)構(gòu)不連

該方案可保證原橋的上層建筑在不均勻沉降條件下仍然能保持其整體的完整。其基礎(chǔ)無接縫，施工過程簡單，可以利用粘結(jié)部分的位移，使其具有較小的承載力。

1.2 上部結(jié)構(gòu)拓寬

1.2.1 空心板梁橋

這種類型的梁橋可分成兩種：即預(yù)應(yīng)力和RC，它們的橫徑通常是10 m、16 m和20 m，它們的橫斷面與原橋基本相同。在進行擴建時，應(yīng)先將橋面板的邊梁翼切去，再利用植筋技術(shù)將新老橋梁結(jié)合，并按照關(guān)節(jié)形式進行結(jié)構(gòu)分析。如果在末端設(shè)置了橫向隔離層，那么該構(gòu)件的計算方式應(yīng)該是剛體。

1.2.2 T梁橋

T梁橋因其本身的構(gòu)造特點，在施工中會遭受周圍的腐蝕，尤其是邊梁[6]。并且，在T梁橋加寬時，應(yīng)考慮將側(cè)梁翼板剪掉，將其與新橋T梁的肋骨連接起來，如圖1所示。原橋的邊梁在加寬時的受力狀況發(fā)生了很大的改變。在T梁橋的加寬過程中，除在連接點兩端增設(shè)橫隔梁外，還需在橋梁的中部指定位置增設(shè)橫向隔板。例如，在加寬橋梁和原橋的橫向連接上，通常會在擴大段的四分之一跨徑和中間位置設(shè)置隔板。

圖1 上部結(jié)構(gòu)拼接示意圖(單位：mm)

1.2.3 不同梁截面連接

在橋梁擴建過程中，采用具有更高剛性的擴張橋斷面，可以極大地提高新橋的整體剛性，從而減輕原橋承載力。在T梁（原橋）+中空板梁（拓寬橋）的橫斷面結(jié)合中，采用的中空板梁的橫截面具有很強的橫向剛性，采用鋼板對新橋進行錨固，可以極大地改善新橋的整體水平剛性和承重性能，T梁和空心板拼接橫斷面見圖2。

圖2 T梁和空心板拼接橫斷面

2 不均勻沉降下拓寬橋梁拼接結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)

2.1 影響基礎(chǔ)沉降對上部結(jié)構(gòu)作用的因素

2.1.1 沉降模式

原橋地基經(jīng)過長時間的使用，地基的沉陷已趨于平穩(wěn)。但對于新建加寬大橋，地基沉降比較大，老橋的沉陷差異大，對新橋的結(jié)構(gòu)也會有很大的影響。在假設(shè)原橋地基為0的情況下，在原橋的限制作用下，新橋地基離原橋較近，地基沉降較少，而地基沉降較大。地基的沉降方式是直線的，并根據(jù)地基的位置進行直線布置[7]。

2.1.2 影響因素

根據(jù)以上的線型沉降模型，隨著沉降差異的加大，連接處上部的上部結(jié)構(gòu)的張應(yīng)力也隨之增大。為了防止連接處的上部邊緣出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂紋，應(yīng)當滿足σ≤[σ]。

2.2 計算數(shù)值模型

2.2.1 橋梁類型

在此基礎(chǔ)上，選取了兩種常用的橋梁——簡支中空板橋和簡支T梁橋。采用FEA軟件對其進行了詳細的分析。鋼筋仿真則是在主單元中增加剛性。模型中的材料都是線性的，沒有考慮到材料的非線性。

2.2.2 計算荷載

（1）恒變的負載。新舊橋的主要構(gòu)件為靜荷載，而橋墩及橋面則為第二等靜荷載。

（2）位移負載。為了防止連接構(gòu)件的斷裂，梁的受力應(yīng)在一定的彈性區(qū)間之內(nèi)。實驗中的沉降值應(yīng)當小于拓寬橋，而拓寬橋的沉降控制在5 mm以下。

（3）氣溫負荷。根據(jù)技術(shù)要求設(shè)定的溫度梯度對區(qū)域溫差進行控制。文中所述的體系為一種簡單的支撐體系，其自身的溫度波動不會產(chǎn)生任何的內(nèi)力，因此不需要計算其內(nèi)部的溫差。

2.2.3 幾何尺寸

（1）中空結(jié)構(gòu)的簡支中空板—簡支中板的基礎(chǔ)模式。原橋是一座20 m長的簡支中空板橋梁，橋梁寬度9 m，采用8根中空板梁柱，采用上段連接，下段不相連。擴容橋梁在擴容時，采取與原橋同樣的中空鋼板，并在兩端增加50 cm寬的橫向隔梁，兩側(cè)梁翼上插入一根鋼筋。

（2）簡支T梁+簡支T梁。原橋采用T型單層T梁，跨度20 m，寬度8.6 m，包括6個T形梁，采用上下不連接的形式進行加寬。擴容時采用同一T形梁，在原橋側(cè)梁的側(cè)向側(cè)梁后插入鋼筋，并在兩端和中間各增設(shè)30 cm寬的橫向隔梁，間隔為4.8 m。

2.3 拓寬橋梁拼接部分在沉降荷載下的受力

2.3.1 截面配筋

從圖3可以看出，在加勁比條件下，加勁度對加勁性的影響具有類似的特征。結(jié)果表明：兩種不同類型的橋式拼裝形式，不同的截面配筋比對其上部邊緣的拉伸強度均有一定的作用，并且其規(guī)律是一致的。隨著截面配筋度的增大，連接構(gòu)件上邊緣的張應(yīng)力也相應(yīng)減小。但區(qū)別在于，對于中空板橋梁，其加勁度與其受力部位的關(guān)系密切，其最大應(yīng)力量為4個跨距，且在從支撐向跨中方向運動時，其應(yīng)力量會隨梁向梁中部方向的變化而降低。但在T梁橋加寬過程中，其張應(yīng)力與斷面的位置沒有明顯的相關(guān)性，其應(yīng)力值只有跨中部位的1.3倍。一方面，當截面配筋比例增大時，連接構(gòu)件的中線軸線會逐步向上移動；在簡支梁橋加寬實驗中，支架對梁體豎向位移的限制從支撐到跨中的限制作用是逐步減小的，這將有助于擴大橋梁的主框架，使其在不同的變形情況下減小不均衡的沉降[8]。另外，跨梁的布置提高了橋梁的橫向剛性，從而使其上部的張應(yīng)力增大。在加寬中空板橋梁實驗中，承臺與中梁的受力情況存在很大差異。通過對T梁橋加寬實驗的分析，發(fā)現(xiàn)在橫向梁的作用下，其上邊緣的張應(yīng)力沒有發(fā)生明顯的改變。

圖3 不同橋梁拓寬拼接部分在不同配筋情況下的應(yīng)力值

2.3.2 拓寬寬度

結(jié)果表明，在不同加寬條件下，連接梁上邊緣的張應(yīng)力的取值與計算結(jié)果一致。在T梁橋與中空板橋梁加寬實驗中，加寬對連接構(gòu)件的受力有很大相似之處。隨著加寬的增加，連接件的上邊緣的拉伸強度會降低。在相同的沉陷條件下，隨擴大寬度增大，對應(yīng)的傾角位移也隨之降低，上邊緣的張應(yīng)力也隨之降低。

2.3.3 拼接部分寬度

新橋的連接線寬度對其產(chǎn)生的張應(yīng)力數(shù)值如圖4所示。結(jié)果表明：隨著接縫的寬度的增大，黏合部分的上邊緣張應(yīng)力將會降低。然而，T梁橋與中空板連接處的粘結(jié)長度的改變對其上邊緣的張應(yīng)力有很大的差異。當剖面的位置不一樣時，這個差異也會隨之改變。特別是在兩種斷面的橋面連接處，由于連接的寬度對上邊緣張應(yīng)力的作用是從支架到中間的。在加寬中空橋梁時，支架位置的受力是中間段的4.7倍[9]。在T梁橋?qū)嶒炛?，只?.7個百分點?？梢?，在各種加寬的橋面連接處，拼裝寬度對上邊緣的拉伸強度有顯著的作用[10]。而連接截面的寬度對橋面的彎曲系數(shù)有很大的影響，因此，增大橋面的接縫寬度會使橋面的彎矩增大，從而使橋面的張應(yīng)力也隨之減小。另外，由于新橋橫橋在剪力墻上存在著一些位移，因此，搭接截面的寬度會影響到橫橋的拉應(yīng)力。T梁橋與空心板橋在各部位受拉應(yīng)力的作用差異很大。

圖4 不同橋梁拼接結(jié)構(gòu)在不同拼接部分寬度下的應(yīng)力值

3 結(jié)論

該文運用有限元分析技術(shù)，重點討論了橋梁拓寬工程中截面配筋、拓寬寬度、接縫寬度等3項影響因素，并提出如下建議：

（1）隨著搭接截面寬度和截面配筋比例增大，上緣拉應(yīng)力減小。在中空板橋梁結(jié)構(gòu)中，由于各部位的作用對其產(chǎn)生的作用也各有差異，且從中間到另一端的作用強度均有較大的變化。

（2）參考有關(guān)資料，所選擇的地基沉陷數(shù)值是5 mm。結(jié)果表明，在5 mm的沉陷條件下，連接構(gòu)件上邊緣所引起的橫橋拉應(yīng)力沒有超出標準水平。對于20 m直徑的簡支中空梁橋，在不均沉陷小于5 mm的情況下，可以確保其正常工作。