预应力连续T梁桥改扩建拼宽设计

2016-04-15■谢莉

福建交通科技 2016年1期

关键词：老桥内力隔板

■谢　莉

(福建省交通规划设计院，福州　350004)

预应力连续T梁桥改扩建拼宽设计

■谢莉

(福建省交通规划设计院，福州350004)

摘要中小跨径预应力拼宽T梁桥是高速公路改扩建的主要桥型,本文依托漳龙高速扩建工程项目,采用结构空间有限元法分析了拼宽后T梁拼接部位的受力状况,计算和比较了其在汽车荷载、新旧桥差异沉降荷载、温度荷载以及收缩徐变作用下的静力性能，对改扩建拼宽T梁的设计具有一定的指导意义。

关键词拼宽T梁桥沉降差温度荷载收缩徐变设计

0　引言

近年来随着经济社会的发展，现有道路的设计通行量日趋处于饱和状态，新建和扩建等级公路的社会需求越来越强烈。高速公路改扩建是今后我国公路建设的重要任务之一，国内很多同仁在桥梁拓宽方面都进行了有益的探索。交通部针对高速公路改扩建工程的特点颁布实施了《高速公路改扩建设计细则》(JTG/T L11-2014)，用来规范和指导高速公路改扩建工程的设计。

桥梁拼宽有以下几点需要注意：(1)新桥与旧桥之间基础差异沉降。(2)新旧桥之间差异混凝土龄期引起的附加内力对整个结构的影响。(3)拼接部位的构造、新旧桥之间连接方法的选择。本文结合福建漳龙高速扩建工程一座T梁的拼宽设计，对以上设计难点进行了设计分析。

1　桥梁拓宽方案设计

1.1工程概况

漳龙高速扩建工程福建省项目路线起于漳州天宝枢纽互通，终于龙岩龙长高速上杭下道湖枢纽互通。项目扩容建设方案采用老路扩建、新建复线(桥梁29773m/71座、隧道37400m/22座，桥隧比54％)。永丰溪1#大桥原设计为2×(4×25m)的准连续T梁，桥梁采用左右幅分离的型式，双向4车道，单幅总宽12m。下部结构采用柱式墩配桩基础，肋台配桩基础。桥梁设计荷载为汽-超20，挂-120。

本次拓宽方案是左右幅均外侧拓宽7.7m，拓宽后的前面总宽为19.7m，每半幅增加4片预制T梁，梁高与原设计同取1.75m。新旧桥之间下部结构分离，上部结构连接。拼宽新桥汽车荷载等级：公路-I级。该桥拓宽后的断面如图1所示。

1.2拼接结构设计

桥梁拼宽一般采用上部与下部结构均连接，上部结构连接、下部结构不连接，少部分采用上部与下部结构均不连接。该桥设计采用上部结构连接、下部结构不连接的方式。这种方式的特点是新建部分与既有桥梁上部形成整体，但下部各自受力，新桥上部与既有桥梁之间因材料差异、基础不均匀沉降等因素会产生附加内力，必须采取必要的措施减少附加内力。

新旧桥梁采用刚性连接的方式，即在拼接部位新、旧T梁之间设置横隔板。由于原桥外侧未设置横隔板，所以需在原桥边梁横隔板位置钻孔，新预制的边梁腹板对应的位置预留孔洞，当梁吊装完成相应工作后，通过孔洞穿两排钢筋，立模板浇筑混凝土。拼接之前将翼缘板凿除70cm，保留横向钢筋，再与新梁的预留钢筋进行焊接来实现，湿接缝共宽70cm。连接示意图见图2～图3。

2　桥梁静力特性分析

2.1有限元模型

有限元模型采用Midas建立，全桥共2494个梁单元。全桥有限元模型见图4。上部结构和下部结构采用弹性连接，分施工阶段来模拟桥梁的建设过程。新旧桥之间横隔板数量与原桥横隔板数量相同，即为全部横隔板模型。由于收缩徐变引起的接缝横向应力相差不大，同时最不利受力主要体现在新、旧桥拼接中梁梁底纵向应力及接缝横向应力。本文分析中仅对活载、新旧桥基础沉降差、温度荷载、作用引起的拼接桥梁这些部位受力进行组合分析。

2.2基础差异沉降分析

2.2.1沉降量选择

由于旧桥已使用多年，下部基础的沉降基本完成，其基础沉降已趋于稳定，而新拼宽桥梁的基础沉降仍在进行中，从而形成了旧桥与拼宽桥基础之间的沉降差。由于沉降差的存在，为保证拼接部位的结构内力和混凝土应力不致过大而使混凝土开裂，应通过对桥梁的上部结构不同拼接情况进行受力分析，确定新旧桥梁基础沉降容许值。

通过对沉降差△在2～ 8mm范围内的多个工况计算,旧桥与拼宽桥梁基础沉降差在5mm以内时，横隔板受力满足要求,故本文中沉降差取值为△= 5mm。假定旧桥沉降为0，由于拼宽桥梁与旧桥采用刚性连接，老桥对越靠近老桥的梁约束越大，反之对越远离老桥的T梁约束越小，为简便起见，拼接中梁沉降量按照线性关系计算。外边梁沉降量为△。计算模式如图5所示。

2.2.2沉降差对截面应力的影响

表1列出了在5mm沉降作用下各个截面最不利的应力情况。从表1可以看出：差异沉降对支座位置拼接隔板应力的影响大于对跨中附近拼接隔板应力的影响；差异沉降在拼接隔板内产生的应力大于在主梁内产生的应力；差异沉降在墩顶产生的横向应力大于跨中产生的横向应力。因此，施工中要引起重视并采取适当的措施进行差异沉降的控制。

表1　截面最大应力(单位：MPa)

产生上述现象的原因主要是新旧桥在支点位置产生沉降差后,拼接隔板的两侧将产生一定的变形,支点附近拼接隔板两侧变形较大,而跨中拼接隔板两侧的变形较小,相应地在横隔板内引起的内力也表现为支点处较大、跨中较小的趋势。

2.3汽车荷载分析

漳龙高速扩建工程设计车速80km/h，车道设计宽度为3.75m，该桥拓宽后单向净宽18.7m，包含应急车道单向共5车道。

分析结果表明：拼宽桥梁上部虽然自重及二期恒载有所增加，且车道数也增加2个，但是由于拼宽后桥梁横向分布系数的减小，在汽车荷载作用下，老桥的部分梁体受力情况得到了一定的改善。拼接部位相邻主梁产生较大应力，新主梁最大应力为1.75MPa，旧桥主梁最大应力为1.5MPa；横隔板上缘最大拉应力为2.4MPa，下缘最大拉应力为1.93MPa。

2.4温度荷载分析

根据桥规，温度效应的计算包括3方面:日照温差、降温及年温差变化,年温差变化考虑结构整体升温25°C、降温23°C的情况。根据以往的经验，整体升、降温对新老桥的作用较小，因此,主要分析温度梯度作用下桥梁的受力状况。对于不同位置梁底最大正向应力及接缝处下缘最大应力见表2。

表2　日照温差作用下不同位置应力(单位：MPa)

由此可见，温度梯度作用产生的梁底纵向和拼接处下缘横向应力在支座处较大,跨中截面较小。

2.5徐变变形差分析

由于既有桥梁已通车运营多年，其收缩徐变已基本完成，拼宽桥与老桥间必然存在收缩徐变变形不一致，从而必将引起新老桥梁体内力重分布。

结合国内外高速公路改扩建中桥梁拼接的实际施工情况,新桥主梁按照存梁45d计算,则从新、旧梁拼接到通车运营3年(1000天)后徐变变形差在横接板内产生的内力如表3所示。T梁拼宽后收缩徐变差异引起端横隔板的受力较大，对其他横隔板影响较小。在收缩徐变作用下,主梁和接缝的纵横向应力差异不大。

表3　徐变变形产生的截面最大应力(单位：MPa)

2.6组合作用下验算

在基础差异沉降、车辆荷载和徐变变形差等因素的影响下横隔板的应力均大于主梁，从既有T梁的病害来看湿接缝是T梁较为薄弱的部位，为了结构的安全必须对湿接缝处的承载能力进行分析。承载能力中考虑结构自重、二期恒载、基础差异沉降、车辆荷载和收缩徐变差。验算结果见表4。从表4可以看出桥梁各关键部位在加宽后承载能力满足规范要求，说明设计是合理的。