混凝土空心板桥刚接拼宽设计及荷载试验.pdf

城市设施智慧化 混凝土空心板桥刚接拼宽设计及荷载试验陈尧三（华汇工程设计集团股份有限公司）【摘要】桥梁拼宽技术能有效提高既有桥梁的通行能力，已经在桥梁改造中得到广泛应用。为改善混凝土空心板拼宽桥梁的横向连接性能，文章结合实际工程背景，提出采用刚性连接构造替代铰缝连接，并对刚接空心板进行了优化设计。通过现场荷载试验对拼宽桥梁的整体受力性能进行了评估。结果表明：采用刚性连接桥梁横向联系可靠，可以避免铰缝连接后期的病害，拼宽后桥梁整体承载力和刚度满足设计荷载的要求。研究结果可为桥梁拼宽设计提供参考。【关键词】桥梁拼宽；空心板；刚性连接；设计；荷载试验中图分类号：U442.5 DOI：10.13655/ki.ibci.2024.02.052Rigid Connection Widening Design and Load Test of Concrete Hollow Slab BridgeCHEN Yao-san（Huahui Engineering Design Group Co.,Ltd.）【Abstract】Bridge widening technology can effectively improve the traffic capacity of existing bridges and has been widely used in bridge reconstruction.In order to improve the transverse connection performance of the concrete hollow slab widening bridge,this article proposes to use rigid connection structure instead of hinge joint connection based on actual engineering background,and optimizes the design of rigid connected hollow slab.The overall mechanical performance of the widened bridge is evaluated through the field load test.The results show that the transverse connection of the rigid connection bridge is reliable and can avoid the diseases in the later stage of hinge joint connection.The overall bearing capacity and stiffness of the widened bridge meet the requirements of the design load.The research results can provide reference for bridge widening design.【Keywords】bridge widening;hollow slab;rigid connection;design;load test1 引言为了有效利用尚能正常运营的老桥且有效提升桥梁的通行能力1-2，桥梁拼宽技术在桥梁改造中已是得到广泛应用3。目前，桥梁拼宽的研究主要集中在设计和承载力计算方面4-6，对其横向连接的研究还较少。混凝土空心板桥最主要的横向连接方式是铰缝连接，但铰缝是空心板梁桥的薄弱环节，一旦出现开裂，其性能会急剧下降，直接影响桥梁结构的横向传力特性，削弱结构整体受力性能。为提高拼宽桥梁的横向连接性能，本文以实际工程为背景，提出采用刚性连接替代铰缝，并对刚接空心板进行了设计。针对拼宽后的桥梁进行了荷载试验，以对其整体受力性能进行评估。所得结果对拼宽桥梁的设计具有指导意义。2 工程概况后童桥位于浙江绍兴杨渔线老路拼宽段，老桥上部结构采用2m20m简支先张法空心板，下部结构桥台采用肋板台。拼宽桥梁上部结构采用4片2m20m简支预应力混凝土空心板。桥面连续，下部结构桥台一字台。桥墩均采用桩柱式，墩台均采用桩基础。老桥设计荷载为汽-20。为提高拼宽部分与老桥的横向联系，避免铰缝连接造成的后期病害，拼宽部分空心板采用刚性连接方式。图1为桥梁拼宽改造的结构示意图。3 刚接空心板设计计算为提高混凝土空心板的受力性能，提出拼宽部分采用后张法预应力混凝土空心板，取消了传统铰缝构造，采用刚性连接，其截面形式如图2所示。空心板混凝土强度等级为C50，预应力钢绞线抗拉强度标准值 1860MPa。采用桥梁博士 V3.6.0.桥梁分析专用有限元程序，并以 公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2015）和 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG 3362-2018）为标准，按照A类预应力混凝土构件进行验算。单梁计算有限元模型如图3所示。图4给出了荷载基本组合下空心板正最大弯矩169 城市设施智慧化 和抗弯承载力。最大弯矩出现在跨中位置为2428.13kNm，空心板最大抗弯承载力为3716.64kNm。空心板各截面弯矩值均小于其抗弯承载力，正截面抗弯承载力满足规范要求。a 桥型立面图（单位：cm）b 桥梁横断面图（单位：cm）c 刚性连接构造（单位：mm）图1 拼宽桥梁结构示意图a 中板横断面图b 边板横断面图图2 刚接空心板截面形式图3 单梁有限元模型图4 空心板最大弯矩及其抗力图（kN m）表1和表2进一步给出了荷载短期效应组合和长效应组合下混凝土应力值。由表可知，在正常使用极限状态下，空心板上下缘的应力在允许范围内，结构抗裂性满足规范要求。表1 短期效应组合抗裂验算表项目正应力主应力上缘最小下缘最小最小荷载效应/MPa0.88（压）0.76（压）-1.8110-2允许值/MPa00-1.5910-2表2 长期效应组合抗裂验算表项目正应力上缘最小下缘最小荷载效应/MPa0.63（压）3.12（压）允许值/MPa00持久状况的结构计算采用荷载的标准组合，空心板混凝土应力计算结果如表3所示。由表可知，空心板上下缘混凝土应力均小于允许值。最大预应力筋拉应力1180MPa，表明结构应力满足规范要求。表3 持久状况混凝土应力验算表项目混凝土正应力混凝土主应力预应力筋应力上缘最大下缘最大最大最大荷载效应/MPa12.248.7312.24-1180允许值/MPa16.216.219.4-12104 静载试验4.1 计算分析由于后童桥为简支梁桥，采用Midas Civil中对其中1跨进行静力分析。为有效反映桥梁横向受力特点，采用梁格法建立有限元模型，两端边界条件为简支，如图5所示。图6为设计移动荷载作用下的弯矩包络图。由图可知，在移动荷载作用下，混凝土空心板最大弯矩为332.5kNm，出现在简支梁跨中。依据桥跨结构的活载内力包络图并结合现场试验条件，确定第2跨跨中截面为测试截面。图5 桥梁有限元模型170 城市设施智慧化 图6 移动荷载工况桥梁弯矩包络图4.2 测点布置在测试截面每片梁底布置1个应变测点和挠度测点，分别布置于空心板梁底缘。全桥共布置应变和挠度测点各12个，如图7和图8。为消除试验过程中环境温度变化的影响，按要求布置温度补偿应变片。竖向挠度采用全站仪观测。除跨中截面外，在简支梁两端分别布置相同数量的位移测点，用于修正试验过程中支座变形对挠度测试结果的影响。501250501#2#3#4#5#6#7#8#9#10#11#12#应变测点图7 应变布置示意图（单位：cm）501250501#2#3#4#5#6#7#8#9#10#11#12#挠度测点图8 测试截面挠度测点布置（单位：cm）4.3 加载工况根据 公路桥梁承载能力检测评定规程（JTG/T J21-2011），静力试验荷载的效率系数q取值范围为0.95q1.05。q=SS/S（1+）（1）式（1）中：SS为静力试验荷载作用下，跨中最大计算弯矩，kNm；S为设计荷载下跨中控制截面最不利弯矩值，kNm；为冲击系数值。为保证测试截面加载效率达到规范要求，根据Midas Civil计算分析，采用4辆总重为380kN的加载车进行加载。试验车辆按跨中截面弯矩最不利位置进行布载，横桥向分为中载和偏载两个工况。如图9所示。6000号台1号墩工况1，21号台II1000a 纵桥向布置 50380180130180380501#2#3#4#5#6#7#8#9#10#11#12#b 横桥向中载布置 5050501#2#3#4#5#6#7#8#9#10#11#12#c 横桥向偏载布置图9 试验荷载横桥向偏载布置（单位：cm）各工况中试验荷载对测试截面产生的荷载效应和标准荷载效应的最大值如表4所示。表4 荷载试验效应与设计荷载效应的对比工况12项目中载偏载试验弯矩M1/（kNm）333.9341.3设计弯矩M2/（kNm）332.5332.5t1.001.035 静载试验结果5.1 应变图10是两种工况下各混凝土空心板梁底应变理论值和实测值的对比。由图可知，无论是中载还是偏载工况，空心板梁应变分布与荷载作用形式较为吻合，各梁应变变化平顺，在拼宽处未出现明显突变，拼宽桥梁横向联系可靠，结构整体受力较好。在中载荷载工况下，空心板最大实测应变为79，出现在5#梁。各梁应变校验系数为0.50-0.69。偏载工况最大应变出现在边梁，为67，各梁应变校验系数为0.610.83。在卸载后，桥梁相对残余应变最大为5.43%。应变测试结果表明，拼宽的4片矮箱171 城市设施智慧化 梁与原有空心板的强度均满足设计要求。a 中载布置b 偏载布置图10 应变理论值与试验值比较5.2 挠度图11是两种工况下各混凝土空心板竖向挠度理论值和实测值的对比，可知在中载工况，老桥6#、7#、8#空心板的挠度较大，分别为 7.2mm、6.9mm、6.6mm，但仍小于理论值，中载挠度校验系数0.530.76。偏载工况最大挠度也出现在边梁，为6.5mm，各梁挠度校验系数为0.610.83。卸载后，桥梁相对残余应变最大为5.56%。挠度测试结果表明，拼宽桥梁整体处于弹性工作状态，其刚度满足设计要求。6 结语本文以实际工程为背景，提出采用刚性连接替代铰缝，并对刚接空心板进行了设计。制定了桥梁荷载试验方案。通过现场荷载试验对拼宽桥梁的整体受力性能进行了评估。可以得到以下结论。提出的刚接空心板的承载能力和抗裂性能满足规范要求。试验测得空心板梁应变和挠度与荷载作用形式较为吻合，各梁应变和挠度变化平顺，在拼宽处未出现明显的突变，表明桥梁横向联系可靠，结构整体受力较好。实测应变校验系数在0.500.83之间，挠度校验系数为0.470.78，表明结构强度和刚度均满足设计要求。与传统混凝土铰缝相比，刚性连接横向受力性能良好，且可避免铰缝后期开裂等病害，具有较好的技术优势。a 中载布置b 偏载布置图11 应变理论值与试验值比较参考文献1 张耀元.长平改扩建工程板式梁桥的拼宽设计与研究D.长春：吉林大学，2010.2 文俏壮.高速公路改扩建工程中的桥梁拼宽和加固技术J.中国公路，2022（11）：154-155.3 杨希祥.新旧桥梁拼宽湿接缝预防开裂施工技术研究J.铁道建筑技术，2022（3）：99-101+119.4 赵备.桥梁拼宽设计施工关键技术研究D.石家庄：石家庄铁道大学，2019.5 刘双喜，余江，马学军.从莞高速公路互通区桥梁拼宽设计与施工工艺J.公路交通科技（应用技术版），2015，11（3）：181-183.6 秦肖，刘钱，李悦.甬台温高速公路中小跨径桥梁拼宽方法研究J.公路交通科技（应用技术版），2014，10（2）：109-112.172