预制结构桥梁拼接湿接缝受力性能分析及荷载试验

2021-03-31何小军余茂峰叶建龙

四川建筑 2021年1期

何小军，余茂峰，叶建龙

(浙江省交通规划设计研究院有限公司，浙江杭州310006)

随着经济发展，交通流量持续增长，一些既有公路设计服务水平已经不能满足需求。近年来，国内相继在广佛、沪杭甬、沪宁、沈大、杭金衢和甬台温复线等多条高速公路开展了拼宽改造建设，其中新老桥梁结构的拼宽处理，是改扩建工程中必须解决的关键问题。预制结构桥梁在高速公路桥梁中占据很大的比重，如何对种类繁多的预制结构桥梁进行合理的拼宽处理显得尤为重要。但目前对于桥梁拼接施工工艺，国内还没有较为成熟的配套规范与标准。本文通过杭金衢、甬台温复线高速改扩建工程的设计工作，对多种形式的预制结构桥梁拼宽连接形式作一总结，并采用梁板组合模型分析拼接处湿接缝的受力性能，结合荷载试验情况进行验证分析，以期为今后改扩建工程中预制结构桥梁的拼宽设计提供参考。

1 预制结构桥梁拼宽连接形式

根据上部结构梁板形式的不同，预制结构梁板间的连接形式分为空心板梁间的连接、组合I梁(T梁)间的连接、小箱梁间的连接、I梁(T梁)或小箱梁与空心板梁的连接等。

1.1 空心板梁间的连接

因空心板梁结构在早期公路工程中采用较多，其拼宽连接形式经历了较长时间的实践和改进，空心板间的连接根据其应用发展历程可分以下三种：

(1)在老桥边板上(带悬臂的边板先凿除悬臂部分)种植螺栓，安装已焊接上横向连接钢筋的钢板，钢板与老桥边板外侧通过螺栓和环氧树脂紧密牢固地连接在一起，新板的预埋钢筋与老桥边板上已安装的横向连接钢筋通过焊接连接(图1)。

图1 空心板间连接构造形式(一)

(2)新老梁板采用植筋连接，N1钢筋种植采用环氧树脂粘胶，湿接头采用钢纤维混凝土，植筋孔应避开普通钢筋和预应力钢筋。本图适用于6 m、8 m、10 m空心板新老梁板间横向连接构造(图2)。

图2 空心板间连接构造形式(二)

(3)新老梁板采用自攻型锚定螺栓连接。通过机械设备先在混凝土相应位置钻出配套的螺纹孔，然后将锚定螺栓直接攻入孔内，切削齿自切入混凝土，与混凝土机械咬合，从而将荷载传递至混凝土内。本图适用于13～30 m空心板新老梁板间横向连接构造(图3)。

图3 空心板间连接构造形式(三)

早期旧桥拼宽工程中，新旧桥接缝多采用焊接植筋和化学植筋。钢筋焊接对植筋胶锚固力影响较大，普通植筋胶无法满足焊接要求，须采用特制植筋胶才能保证钢筋焊接后的锚固力。由于施工质量无法保证，易造成拼接缝病害。后在杭金衢高速改扩建工程中开始采用“自攻型锚定螺栓”，验证了该锚固方法具有植入深度小、抗拉拔强度高、施工方便、不受焊接影响等特点，能解决传统植筋方法存在的问题，并在该项目中得到推广。

1.2 组合I梁(T)梁间、I梁(T梁)与空心板梁的连接

在老桥边板上种植钢筋，浇筑单侧横隔梁，新浇筑的横隔梁与新板上的预制横隔梁间预留空隙并通过钢板进行连接，如图4、图5所示。

图5 T梁与空心板间连接构造

1.3 小箱梁间、小箱梁与空心板梁的连接

拆除老桥外侧防撞护栏、边梁的部分挑臂及部分混凝土桥面铺装，保留挑臂内钢筋。增设桥面板钢筋和桥面铺装层钢筋，与老桥挑臂钢筋和新桥边梁的预埋钢筋进行连接，整体现浇湿接头与桥面铺装混凝土，形成刚性连接(图6、图7)。

图6 小箱梁间连接构造

图7 小箱梁与空心板间连接构造

2 多种拼宽连接形式有限元计算及荷载试验

针对上节所述预制结构桥梁拼接的多种连接形式，为明确梁板间刚性连接的受力机理和传力效果，本节将选取具有代表性的几种板间刚性连接形式，建立空间梁板组合有限元模型，并结合实桥荷载试验进行分析验证。

2.1 空心板梁间连接计算及荷载试验

以一座5孔13 m跨径的简支空心板梁桥为例。结构形式：13 m预应力混凝土空心板简支梁。连接形式：新板梁与老板梁采用刚性连接。拼宽结构为7块13 m跨度的预应力混凝土空心板，拼宽断面如图8所示。

图8 空心板拼宽桥断面布置

荷载加载情况：为与荷载试验进行对比，有限元计算的荷载考虑与荷载试验的加载车辆相同；试验荷载采用解放牌载重车，前轴到中轴3.25 m，中轴到后轴1.45 m。试验车总重30 t，其中前轴重6 t，后轴加中轴重24 t；计算加载工况同荷载试验工况，考虑多个轮位的加载，对拼宽接缝来说最不利的轮位为4轮位。以4轮位跨中荷载为计算荷载工况(图9～图11)。

图9 空心板拼宽桥轮位及测点断面布置

图10 最不利轮位位移

图11 最不利轮位应力

通过有限元计算，拼宽后结构在荷载作用下变形连续，无突变变形，新旧结构跨中挠度分配合理，处于共同受力状态；实桥荷载试验测试表明，连接处板梁间无明显应变差异，梁体下缘应变测试和挠度测试的结果均进一步反映出新旧结构共同受力状态良好；试验荷载作用下梁的最大拉应力为0.87 MPa，接缝处的混凝土最大拉应力为0.49 MPa，压应力为1.47 MPa，混凝土具有足够的安全贮备(表1)。

表1 空心板拼宽结构有限元计算与荷载试验结果对比

2.2 组合I梁(T梁)间连接计算及荷载试验

以一座5孔25 mI型梁为例。结构形式：老桥为5片梁的简支I型梁，新板梁与老板梁采用刚性连接。拼宽桥为4片I型梁(图12)。

图12 I型梁拼宽桥断面布置

荷载加载情况：试验荷载采用解放牌载重车，前轴到中轴3.25 m，中轴到后轴1.45 m。大桥试验车总重35 t，其中前轴7 t，后轴加中轴重28 t。考虑多个轮位的加载，对接缝来说最不利的轮位为4轮位。以4轮位跨中荷载为计算荷载工况(图13～图15)。

图13 I型梁拼宽桥轮位及测点断面布置

图14 最不利轮位位移

图15 最不利轮位应力

通过有限元计算，拼宽后结构在荷载作用下挠度分布平滑连续，无突变现象，新旧结构处于共同受力状态；实桥荷载试验测试表明，连接处板梁间无明显应变差异，梁体下缘应变测试和挠度测试的结果均进一步反映出新旧结构处于共同受力状态；试验荷载作用下最大拉应力出现于接缝处横隔板，为0.73 MPa，混凝土具有足够的安全贮备(表2)。