某高速公路空心板梁橫向拓寬方案研究

劉敏劍

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司,廣東 廣州 510507)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展,大量早期修建的公路已難以滿足日益增長(zhǎng)的交通需求。對(duì)原有道路的改擴(kuò)建是解決這一問題的有效方式,而對(duì)橋梁的拓寬改造是道路改擴(kuò)建的難點(diǎn),一般可通過兩側(cè)加寬或者單側(cè)分離新建橋梁的方式實(shí)現(xiàn)。對(duì)于中小跨徑橋梁,由于工程規(guī)模小,拓寬方式服從路線總體布置,且單側(cè)分離新建需要改造橫坡、中央分隔帶等,故一般采用兩側(cè)加寬方案。

預(yù)制空心板結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)包括梁高低,能適應(yīng)各種斜度,預(yù)制、吊裝方便,對(duì)地面交通影響小,工程造價(jià)較低,施工便利等,因此在中小跨徑中被廣泛采用。但空心板梁在運(yùn)營(yíng)過程中普遍病害較多[1-2]:①鉸縫施工不便,施工質(zhì)量難以把控,同時(shí)重載車輛反復(fù)作用下易造成鉸縫脫落,導(dǎo)致空心板單板受力,這是空心板最常見也是最致命的病害;②底板尺寸較小,內(nèi)模定位困難,造成板底厚度不足,甚至預(yù)應(yīng)力筋露筋、腐蝕;③由于腹板、頂?shù)装宄叽巛^小,導(dǎo)致梁體產(chǎn)生縱向裂縫。上述病害的成因除部分施工因素外,空心板結(jié)構(gòu)自身也存在先天缺陷。

在橋梁改擴(kuò)建中,一般采用相同截面梁型進(jìn)行拼寬。但鑒于空心板的上述病害及自身缺陷,有必要對(duì)空心板結(jié)構(gòu)的拼寬梁型方案進(jìn)行深入優(yōu)化比選。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)相同截面梁的拼寬已有較為深入的研究及實(shí)踐,但對(duì)不同截面梁的拼寬研究較少[3],對(duì)此展開研究是十分必要的。本文以廣東省某高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目為背景,對(duì)空心板結(jié)構(gòu)的拼寬梁型提出了替代性方案,對(duì)該方案進(jìn)行了同深度的技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析,可為類似橋梁拓寬設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 預(yù)應(yīng)力砼空心板橋拼寬方

以24.5 m標(biāo)準(zhǔn)寬度、16 m跨徑空心板為例,對(duì)不同梁型與既有空心板拼接進(jìn)行對(duì)比分析。

1.1 拼寬梁截面比選

T梁為開口截面,施工簡(jiǎn)單,質(zhì)量容易控制,預(yù)制梁間采用濕接縫連接,施工可靠,整體性強(qiáng),受力性能好,且同等跨徑下較空心板增加不多,可作為比選梁型與空心板進(jìn)行拼接。為解決傳統(tǒng)T梁預(yù)制及運(yùn)輸效率低、施工前T梁自身穩(wěn)定性差的問題,選取雙T梁作為比選梁型。分別選取雙T梁、空心板與既有空心板進(jìn)行拼寬?？招陌辶翰捎脧V東省標(biāo)準(zhǔn)圖構(gòu)造,雙T梁結(jié)合經(jīng)驗(yàn)及剛度相近、形心相近原則,梁高取90 cm,腹板厚度取35 cm。拼寬梁跨中典型橫斷面見圖1。既有空心板及拼寬梁跨中截面特性詳見表1。

圖1 雙T梁、空心板跨中橫斷面

根據(jù)上述截面特性可知:拼寬空心板抗彎剛度最大,約為既有空心板的1.33倍,拼寬雙T梁抗彎剛度與既有空心板抗彎剛度接近,約為既有空心板的1.02倍;拼寬空心板、拼寬雙T梁形心位置與既有空心板的形心位置均有偏差,相差約6 cm。

1.2 新舊橋橋面拼接方案

橋梁拼寬一般采用上部下部均連接,或上部連接、下部結(jié)構(gòu)不連接的方式,少部分采用上部與下部均不連接的方式。3種拼接方式各有特點(diǎn):①上部、下部均連接:整體性好,能減少各種荷載作用下的不均勻變形,但結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力較大。②上部連接、下部不連接:新舊橋上部結(jié)構(gòu)連接為整體,下部結(jié)構(gòu)各自受力,不均勻沉降的附加內(nèi)力可通過先吊裝上部結(jié)構(gòu)壓重、延遲新舊橋接縫時(shí)間、增加樁長(zhǎng)等方法減小。③上部、下部均不連接:新舊結(jié)構(gòu)各自受力明確,但不均勻變形較大,路面易產(chǎn)生裂縫,影響行車安全舒適性,養(yǎng)護(hù)維修量大。

根據(jù)我國(guó)公路橋梁成熟的拓寬經(jīng)驗(yàn),本文采用“上部連接,下部不連接”的拼接方案[4]。舊橋單幅寬12.5 m,拓寬后單幅寬度21 m。本文方案一采用雙T梁拼寬方案,方案二采用空心板拼寬方案。拼寬后橫斷面見圖2、圖3。

圖2 方案一:預(yù)應(yīng)力砼雙T梁拼寬跨中橫斷面

圖3 方案二:預(yù)應(yīng)力砼空心板拼寬跨中橫斷面

圖4 新舊梁拼接構(gòu)造示意

圖5 16 m跨空心板拼雙T梁梁格模型

新舊梁之間采用弱連接方案:鑿除舊橋空心板邊板翼緣,并在空心板翼緣植筋,與新梁預(yù)埋鋼筋連接后,現(xiàn)澆混凝土相連。該連接方式從滬寧高速通車運(yùn)行情況看,新舊結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系較好,結(jié)構(gòu)的整體性好,運(yùn)營(yíng)后效果較好[5]。

為了進(jìn)一步對(duì)兩種方案進(jìn)行對(duì)比,本文選取既有空心板及新舊橋拼接帶作為研究對(duì)象,重點(diǎn)考察兩種方案拼接前后既有空心板的受力以及拼接帶的受力。

2 既有P.C.空心板梁內(nèi)力計(jì)算

2.1 計(jì)算模型

對(duì)于預(yù)制梁結(jié)構(gòu),可采用簡(jiǎn)化的橫向分布系數(shù)方法計(jì)算活載。但對(duì)于拓寬橋梁,新舊梁橫向連接構(gòu)造不一致,新舊梁梁體剛度甚至截面類型不一致時(shí),按照簡(jiǎn)化的橫向分布系數(shù)方法將產(chǎn)生較大誤差。同時(shí),既有空心板的內(nèi)力應(yīng)考慮溫度、收縮徐變及不均勻沉降等作用。

本文采用有限元分析軟件Midas Civil 2021建立空間梁格模型,對(duì)拼寬前后上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析。梁格模型采用如下假定和計(jì)算原則:①梁格模型中采用2片縱梁模擬預(yù)制雙T梁;②假定空心板鉸縫僅傳遞剪力和軸力,不傳遞彎矩,現(xiàn)澆濕接縫采用剛接;③結(jié)合實(shí)際情況,新舊橋齡期差取10年;④根據(jù)國(guó)內(nèi)項(xiàng)目實(shí)測(cè)及計(jì)算分析資料,結(jié)合本項(xiàng)目地質(zhì)情況,假定新舊橋間不均勻沉降2 mm[6-7];⑤根據(jù)跨中剪力影響線確定每一片梁的最不利車道數(shù)及加載位置。

2.2 既有空心板內(nèi)力計(jì)算

對(duì)既有空心板,分別考慮2種工況下的內(nèi)力變化規(guī)律:工況1為活載單項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)值;工況2為基本組合,考慮恒載、活載、混凝土收縮徐變、溫度、不均勻沉降等作用。表3列出工況1時(shí),分別采用兩種拼寬方案的既有空心板梁在拼寬前后的跨中彎矩值。表4列出工況2時(shí),分別采用兩種拼寬方案的既有空心板梁在拼寬前后的跨中彎矩值。

表3 拼寬前后既有空心板活載單項(xiàng)彎矩 單位:kN·m

表4 拼寬前后既有空心板基本組合彎矩 單位:kN·m

由表3、表4可知:①拼寬后,既有空心板的跨中最大正彎矩均有明顯降低。越靠近拼接帶,主梁的跨中彎矩降幅越大,說明舊橋拓寬對(duì)既有空心板的受力是有利的。②拼寬結(jié)構(gòu)的剛度越大,既有空心板梁內(nèi)力改善越大。對(duì)比方案一,采用方案二時(shí)既有空心板梁內(nèi)力降幅更大,為15.6%。③拼寬對(duì)靠近拼接帶的3片梁內(nèi)力改善幅度較大,其余遠(yuǎn)離拼接帶的梁改善幅度較小。④遠(yuǎn)離拼接帶的1#、2#梁內(nèi)力改善幅度較小,控制拼寬設(shè)計(jì)。無論是采用雙T梁或是空心板拼寬,1#、2#梁的跨中彎矩值相差不大,工況二下1#、2#梁跨中彎矩相差0.3%。

綜上分析,兩種拼寬方案均能改善既有空心板的受力狀況,對(duì)于靠近拼寬側(cè)的既有空心板,方案二減載效果更好;對(duì)于遠(yuǎn)離拼寬側(cè)的既有空心板,兩種拼寬方案的減載效果相差不大。在拼寬設(shè)計(jì)中,兩種方案拼寬后既有空心板關(guān)鍵截面的控制內(nèi)力相差不大。

3 新舊橋拼接帶內(nèi)力計(jì)算

對(duì)于拼接帶,分別考慮3種工況作用下的內(nèi)力情況:工況1為活載單項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)值,活載采用車道荷載滿布于新橋側(cè)或舊橋側(cè);工況2為新舊橋不均勻沉降單項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)值,新舊橋不均勻沉降取2 mm;工況3為基本組合,考慮恒載、活載、混凝土收縮徐變、溫度、不均勻沉降等作用。提取梁端、1/4L及跨中關(guān)鍵位置拼接帶內(nèi)力見表5。

表5 拼寬前后關(guān)鍵位置拼接帶內(nèi)力

由表5可知:①工況1作用下,新舊梁由于剛度不一致產(chǎn)生撓度差,從而在拼接帶中產(chǎn)生彎矩。由新舊梁截面特性可知,拼寬空心板抗彎剛度為既有空心板的1.33倍,拼寬雙T梁的剛度為既有空心板的1.02倍。在工況1下,方案二的拼接帶彎矩較大。②拼寬雙T梁設(shè)置有端橫梁,承擔(dān)了大部分的不均勻沉降內(nèi)力。而拼寬空心板無端橫梁,預(yù)制梁間依靠鉸縫傳遞剪力。因此,在工況2下,方案一的拼接帶內(nèi)力較小,方案二的拼接帶內(nèi)力較大,且在梁端附近存在內(nèi)力集中。③在工況3下,拼接帶內(nèi)力呈現(xiàn)兩端小中間大的特征。采用方案一拼寬時(shí),拼接帶內(nèi)力較小,比方案二拼接帶的受力更為有利。

4 材料用量對(duì)比

表6列出雙T梁與空心板的主要材料用量對(duì)比。根據(jù)表中數(shù)據(jù),采用雙T梁拼寬方案,除鋼絞線用量稍多于空心板,吊裝自重較大外,混凝土及鋼筋材料均顯著少于空心板,整幅上部重量減小12%,能相應(yīng)減小下部結(jié)構(gòu)的尺寸。經(jīng)濟(jì)性上,雙T梁明顯優(yōu)于空心板結(jié)構(gòu)。

表6 雙T梁與空心板主要材料指標(biāo)對(duì)比表

5 結(jié)論

(1)鑒于空心板自身受力特點(diǎn)及運(yùn)營(yíng)過程中出現(xiàn)的病害現(xiàn)狀,對(duì)于舊橋采用空心板的橋梁,在改擴(kuò)建時(shí)宜考慮替代性的拼寬梁方案,盡量避免采用空心板結(jié)構(gòu)。

(2)預(yù)應(yīng)力砼雙T梁作為開口截面,施工簡(jiǎn)單,質(zhì)量容易控制,預(yù)制梁間采用濕接縫連接,整體性強(qiáng),受力性能好。對(duì)比空心板梁拼寬,采用雙T梁拼寬同樣能改善舊橋空心板受力狀況,且新舊橋間拼接帶受力更優(yōu)。

(3)對(duì)比空心板梁,雙T梁除鋼絞線用量稍多,其余主要材料均顯著少于空心板,上部結(jié)構(gòu)自重較空心板梁降低12%,能相應(yīng)減小下部結(jié)構(gòu)尺寸。雙T梁更具經(jīng)濟(jì)性。