大跨混凝土连续箱梁桥无缝拓宽受力分析与方案设计.pdf

Jun.2023Structural Engineers2023年6 月Vol.39,No.3第39 卷第3期师程构结大跨混凝土连续箱梁桥无缝拓宽受力分析与方案设计牛新华1，*陈冠飞2（1.洛阳市市政设施管理中心，洛阳47 1 0 0 2；2.上海天演建筑物移位工程股份有限公司，上海2 0 0 336）摘要桥梁拓宽作为线路改造升级中的重要节点和手段，其在工程中的应用越来越多，然而无缝拓宽时出现的纵缝开裂等问题却仍无法根治，大跨径桥梁这一问题更加严重。针对混凝土桥梁拓宽接缝纵向破坏病害问题，以某预应力混凝土桥梁为例，通过有限元分析既有桥梁原始受力状态和拓宽后整体受力状态的改变，探究桥梁无缝拓宽时在拼接缝处产生的不同应力及其影响，分析了相应的应力产生原因，并针对端部及跨中变形差较大导致应力较大区间的结构性能变化，提出了增加刚性梁过渡方案，可改善变形差和应力不利情况，相关成果可为今后桥梁拓宽接缝处理提供了参考。关键词混凝土连续梁桥，刚性拼接，无缝拓宽，拼接缝性能，收缩徐变Mechanical Analysis and Scheme Design of a Long-Span ContinuousBox Girder Concrete Bridge for Seamless BroadenNIU Xinhual.*CHEN Guanfei?(1.Luoyang Municipal Facilities Management Center,Luoyang 471002,China;2.Shanghai Evolution Building Shift Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 200336,China)AbstractBridge widening is an important engineering type in reconstruction and upgrading of road system,with increasing applications.However,the longitudinal crack in seam still cannot be solved completely and bemore serious in long-span concrete bridges.Focused on the disease of concrete bridge broaden without seam,along-span continuous concrete bridge was chosen as an example.By means of finite element analysis,exitingprestressed concrete bridges were studied before and after broaden without seam method,the stress state of themain sections and its effects were presented,and the causes of the corresponding stress were analyzed.In viewof the structural performance changes caused by the larger difference of deformation between the end and themiddle span,a solution with rigid cross beams was suggested to improve the deformation difference and stresssituation.The relevant conclusions can provide a reference for the bridge broaden in the future.Keywordscontinuous concrete girder bridge,rigid connection,seamless broaden,seam property,shrinkage and creep0引言为了适应快速发展的交通运输需求，我国每年都会有大量新建桥梁投人使用，而新建的桥梁无论在投资还是周期方面都面临巨大的压力，并且对环境也会造成不利影响。如果将原有道路实施拓宽改造，提升交通流量，则能够在节约较多工收稿日期：2 0 2 2-0 1-1 3基金项目：河南省公益性行业科研专项（2 0 2 0 0 1 1 8）联系作者：牛新华（1 9 6 6.1 0-），男，高级工程师，从事市政道路与桥梁管养与咨询。E-mail：36 35 7 9 41 2 2 q q.c o m174Structural EngineersVol.39,No.3EngineeringConstruction程投资的同时，减少动迁和土地占用问题。桥梁拓宽是旧桥改建经常采用的有效方法，在旧桥的一侧或两侧新建桥梁拼接加宽，不仅可以增加旧桥使用周期，而且可以实现交通通行能力增加的目的，降低工程项目的经费支出。桥梁拓宽是在道路拓宽基础上开展，如果桥梁拓宽过程中不能沿道路拓宽，而是采用和原有桥梁分离式拓宽，带来的问题就是新桥和旧桥间需要设置间隔。考虑到新建桥梁基础的施工，这一间隙距离较远，加上新旧桥梁的栏杆及路肩等空间尺寸，车道中心线需要从道路中心线偏离约2.0m，从而使得车辆沿拓宽道路行驶到拓宽桥梁处需要改变方向进人新建拓宽的桥面。这不仅增加了行车安全风险，同时也导致桥梁段总平面宽度。因此，更多桥梁拓宽工程希望保持和接线道路拓宽段相一致的无缝拓宽。上部结构尤其是桥面部分采用了整体连接，不设置缝隙的拓宽称为无缝拓宽2 。本文所述和研究的桥梁拓宽均是针对桥面连接的无缝拓宽。桥梁拓宽在形式上分单边拓宽和双边拓宽，单边拓宽一般是平行原桥另建一座新的桥跨结构；双边拓宽主要有增设独立边梁作为人行道，以及增设大边梁来拓宽旧桥桥面和提高旧桥承载力3。横向连接方式有：上部结构与下部结构均不连接，该连接方案消除了连接的技术问题4；上部与下部结构均连接，该方案将拓宽桥、原桥连成整体，桥梁整体性较好5 ；上部结构连接、下部结构不连接，这种方案中拓宽桥与原桥的下部构件内力相互不产生影响4。这些设计方案既能够保证接缝平整，又能保证新旧桥共同受力，同时也能避免下部结构刚性连接对于桥梁的不利影响不同桥梁拓宽方式产生的问题也不相同。对于桥梁无缝拓宽，拓宽后桥梁接缝处会产生较大的应力，这种应力的存在会降低桥梁耐久性、缩短桥梁的使用寿命、影响桥梁美观、不利于车辆行人通行,以及增加安全隐患。已有研究表明5-6 ,对于中小跨径梁桥的拼接缝，新旧桥间按缝受力主要受到车辆荷载作用，受其他作用如沉降、混凝土徐变等导致的新旧桥变形差异则较小。然而对于大跨径桥梁,新旧桥的变形差异则相反，主要因素是基础沉降和混凝土徐变等长期作用导致的变形,其次则是车辆作用的影响，这要从大跨径桥梁截面形式与构造布置来决定。大跨径桥梁多为箱形预应力连续梁桥，当采用无缝拓宽时，通常只能将翼缘板部分连接，一旦新旧桥间变形差较大，导致的问题可能是从接缝内部破坏,甚至可能导致翼缘板受力破坏，这在无横向预应力箱梁中容易出现。本文选择某一预应力梁桥为工程背景，借鉴刘亮等7 针对大跨径桥梁无缝拓宽因素分析，研究预应力混凝土桥梁进行无缝拓宽后接缝性能变化，为制定相应的拓宽设计、结构构造处理、接缝受力改善措施提供基础数据1背景工程及原始状态分析1.1背景工程状态本文选择的分析对象桥梁为三跨变截面预应力混凝土连续箱梁，跨径组合8 5 m+125m+85m，全长2 9 5 m，每幅桥宽均为1 2.7 5 m（图1）。85.000125,0008500055.00080000(a)桥梁立面图12.750150012.75012750150012.750StoStoSt8St80050Q0221000(b)中墩剖面图(c)边墩剖面图图1桥梁布置与关键截面构造Fig.1Bridge layout and key sections道路等级为一级公路，设计车速为1 0 0 km/h，设计荷载取汽车超-2 0 级，验算荷载取挂车-1 2 0。采用Midas/Civil有限元程序进行分析。拼接缝设置过宽不利于接缝的稳定和受力，拼接缝设置过窄则会使得因收缩徐变和温度效应产生的伸缩受到限制，考虑各方面因素设置拼接缝为1.5 m，即拼接宽度为1 5 0 cm，拼接厚度2 0 cm。1.2拼接前桥梁状态分析根据已有文献7 可知，大跨径桥梁接缝受力因素主要表现为基础沉降、混凝土收缩徐变等。由于旧桥在和新桥拼接前,已存在收缩徐变、基础沉降等差异性，新桥拼接后会发生相应应力的变175结构工程师第39 卷第3期工程施化；在双桥拼接后相当一段时间后，如1 0 年收缩徐变期，新旧桥状态有了多大的变化，为了明确接缝受力大小从而开展针对性措施，需要对原桥前后1 0 年的状态进行分析，得出结果后还要进行同一因素下的差值对比。根据背景工程的施工图纸和实际情况，旧桥地质良好且实际沉降可忽略，为减少因素干扰，分析中不再考虑基础沉降，也不考虑下部结构连接方式。根据该工程的复核报告6 进行参数取值，即体系升温+30；体系降温-30；桥面板局部升降温：按桥面板升降温5 考虑、混凝土收缩应变终极值和徐变系数，按参考文献8 第5.2.1 1 条取用；各个阶段混凝土收缩应变和徐变系数，按参考文献8 附录四提供的方法计算,其中应力的组合按照参考文献8 的短期效应进行组合。由此建立的有限元模型如图2 所示。图2 旧桥成桥模型图Fig.2Model diagram of existing bridge采用Midas/Civil杆系梁单元建立模型，共1 8 2个单元、2 0 1 个节点。考虑到实际应力状态为是分析目标，而施工过程与时间是重要影响因素，故模型建立分不同施工步完整模拟了桥梁建造过程中的时间。连续梁桥杆系模型为常规有限元模型，其模拟步骤和建模过程不再描述，重点介绍与接缝相关过程的计算结果原桥成桥状态和成桥后1 0 年的梁下缘应力沿桥梁纵向的分布如图3所示，其中负数表示为压应力。成桥应力成桥1 0 年应力23456-8-9-10050100150200250300桥梁纵向位置/m图3原桥成桥与成桥1 0 年最大应力差Fig.3Stress difference between completed constructionand after 10 years从图3看出原桥两种状态都只有压应力，压应力两端小，靠近支座处变大，桥梁两种状态的最小压应力（即最容易出现拉应力的地方）都出现在距离桥梁端点的5 7 m处。符合正常桥梁设计状态。通过计算进行成桥状态应力读取，原桥刚建成和建成后1 0 年的梁上缘应力沿桥梁纵向的分布如图4所示。关注上缘的应力目的是为分析拼接后接缝的受力情况。02一成桥应力一成桥1 0 年应力46-8-10-12050100150200250300纵桥向位置/m图4原桥成桥和成桥1 0 年梁上缘应力分布Fig.4 Stress on the upper edge of section betweencompleted construction and after 10 years从图4看出，原桥两种状态都只有压应力，但压应力两端较小，跨中区间压应力较大，保持了较好的压应力状态，在靠近支座处出现较小的区间，即只有6.0 MPa。图5 是相同位置上缘截面压应力在成桥与成桥1 0 年后的差值。0.20-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0050100150200250300纵桥向位置/m图5 原桥成桥与成桥1 0 年后梁上缘应力差Fig.55Stress difference on the upper edge of section betweencompleted construction and after 10 years从图5 可以看出从原桥刚建立到原桥建立1 0年之间，全桥截面上缘压应力的改变主要集中于中支座附近，其中中支座附近截面出现有0.9 MPa左右的应力差，而中跨跨中的应力差表现并不明显，且从支座往跨中截面方向，应力逐渐减小。这176Structural EngineersVol.39,No.3EngineeringConstruction一结果提醒今后的拓宽应关注的不仅仅是跨中，也应关注负弯矩区段2拼接桥梁受力状态分析根据桥梁施工过程，先完成新桥施工，再与旧桥实现接缝拼接，相关分析需要模拟对应过程。模拟过程中，根据实际可能的施工工期，开展阶段性模拟,以正确获得时间因素的影响。其中新桥施工模拟为独立过程，与第2 节中成桥状态分析相同，此处省略相关内容，只对接缝阶段进行介绍。拼接部分采用实体单元，其节点与原桥采用刚性连接。拼接后有限元模型断面图如图6所示。图6 亲新旧桥拼接后的断面图Fig.6Section of the existing and new bridge after connection2.1桥梁无缝拼接整体分析双桥合拢后由于新桥和接缝处的收缩徐变以及新桥的基础沉降等会对原桥产生较大影响，特别是由于新旧桥连接处混凝土由于收缩徐变作用，新建桥梁部分的竖向、横向和纵向会发生变形6.9 为了研究各种因素影响程度，需要把各种因素的影响结果进行对比。在上文所建模型的基础上建立一座新桥,并在梁桥之间设置拼接缝。为了模拟真实状态，取旧桥成桥后半年才进行新桥的施工，此时旧桥的收缩徐变基本稳定,并且其基础沉降已趋于稳定1 0-1 2 。新桥的收缩徐变早期部分也已产生。其中相应的收缩徐变计算根据规范中的混凝土收缩徐变系数由程序自动计算。图7 是双桥拼接完成半年后上缘应力沿桥梁纵向的分布。从图7 可以看出，桥梁拼接后最大应力差沿顺桥方向变化变化规律明显。在边跨离边支座10m位置附近旧桥与新桥间存在近1.0 MPa差值，而在中支座附近则出现反转；往中跨向跨中方向，在跨中截面又出现大于1.0 MPa的应力差在拼接后1 0 年时，新旧桥的上缘应力差值较大，处于3.5 MPa的截面较多，除边支座附近受约0.40.2/0-0.2-0.4-0.6-0.8-1.0-1.2050100150200250300纵桥向位置/m图7 桥刚拼接完成应力差Fig.7Stress difference of the bridge after connection束影响外，应力差值基本处于2.0 5.0 MPa（图8），而这一截面的应力差必然导致拼接缝的受力不利。这也间接证明了现有的接缝施工方案出现纵向缝是十分常见的6-8-10-12050100 150200250300纵桥向位置/m图：#拼接完成1 0 年后应力差Fig.8Stress difference after ten years of connection2.2拼接前后变形情况桥梁拼接完成后，由于上文中提到的各种因素不仅会对原桥产生影响，也会导致桥梁节点间的变形不一致，其差异性是导致接缝开裂的主要原因。图9 所示为拼接前后受双桥共同影响，旧桥截面节点在横桥向D、顺桥向D和竖向D.三个方向的变形分布从图9 中可以看出，顺桥向变形D整体向桥梁中部压缩，横桥向D则受新桥收缩徐变影响，导致边跨向新桥一侧弯曲1 3mm，而竖向变形D,则表现为跨中被拉高约2 0 mm。从图1 0 中可以看出，边跨在拼接缝处产生的纵向剪力和竖向剪力叠加引起拼接缝受力不利，而中跨则主要受竖向剪力作用，其作用大小与中跨跨度长短有直接关系。177结构工程师第3 9 卷第3 期工程施2015Du/1050-5-10-15050100150200250300节点位置/m图9旧桥拓宽前后变形差Fig.9Deformation difference before and after broaden ofexisting bridge30-DxDu/20-Dz100-10-20050100150200250300节点位置/m图1 0新桥拓宽前后变形差Fig.10Deformation difference before and after broaden ofnew bridge从图1 0 可以看出，新桥自身受拓宽的影响较旧桥更为明显，一方面是受自身的影响，另一方面受拓宽后旧桥对其影响。受拓宽接缝的连接作用,其变形规律基本一致。从整体受力控制可知，两者的差值即是按拓宽缝要克服的变形量。图1 1 所示为新旧桥在拓宽前后的三个方向的变形差值。从变形规律来，影响最小的是横向变形D，其次是纵向变形D，影响最大的是竖向变形D。这可从连续梁桥的实际变形规律受收缩徐变影响中发现8D6DD.420-24050100150200250300节点位置/m图1 1新旧桥拓宽前后变形差Fig.11Deformation difference before and after broaden ofnew and exsting bridges对应的横向正应力、竖向剪应力、纵向剪应力的分布结果，得出结论是在综合考虑自重、收缩徐变等因素下，最大纵向剪应力达到3.0 MPa，最大横向拉应力1.1 MPa，位于边跨区间。直接原因是因为新桥成桥后的纵向预应力损失、混凝土徐变、支座变位导致新旧桥纵向变形差增加。2.3受力改善方案为了进一步改善上述拓宽后接缝区间的变形差所导致的应力可能引起的纵向缝的不利现象出现。参考现有无缝拼接的柔性和刚性拼接方案的研究成果 1 0-1 1,提出图1 2 所示的三种技术方案，分别是植筋方案（a）、粘贴方案(b)和植筋基础上加跨中横梁的方案（c）。考虑到大跨径箱梁翼缘板悬臂较长，尤其是跨中变形差仍然有7 mm，仅翼缘板下粘结法提供的竖向抗剪能力有限，加厚的接缝板在植筋连接下较好，综合考虑选择通过植筋将翼缘板连接，并在跨中通过刚性横梁连接，同时借助横向预应力方法将新旧桥完全连接，如图12(c)所示。结合前述应力分析结果，对于边跨由于顺桥向变形差导致的横向拉应力同样可采用图1 2(c）的方案将新旧桥连成一整体，而不仅仅完全由接缝受力。通过在原来拼接计算模型中得到边跨端横梁和跨中增加刚性横梁形式，计算结果如图1 3 所示。比较可知，除D,自身变化较小外，D和D分别在边跨端部和跨中均降低约5 0%。可见增加端横梁对于降低顺桥向的变形差十分有效，而增加跨中横梁对于降低两主跨竖向变形差同样有效。33丝结论（1）桥梁拼接后最大应力差沿顺桥方向变化变化规律明显，在中支座附近则出现反转；中跨跨中截面出现较大的应力差。（2）受新旧桥相互约束影响，新旧桥间的变形影响包括横桥向，最不利影响是竖向变形,且位于中跨跨中截面。（3）新旧桥间间最大竖向变形差主要是收缩徐变导致，在拼接后1 0 年，新旧桥的上缘应力差会导致拼接缝的破坏。产生的竖向剪切作用是引起其纵向裂缝的主要因素，依靠常规钢筋混凝土178EngineeringConstructionStructural EngineersVol.39,No.3先凿除混凝土拼接箱梁50100伸出钢筋植筋后浇混凝土搭接单面焊原箱梁拼接箱梁(a)植筋拼接拼接箱梁先凿除混凝土50100伸出钢筋后浇注混凝土粘贴钢板或碳纤维布原箱梁拼接箱梁(b)粘贴拼接150植筋预应力筋后浇刚性横梁横梁纵筋植筋(c)植筋+横梁图1 2箱梁拼接方案比选Fig.12Connection plan for girder bridge86u/420-2-4050100150200250300节点位置/m图1 3增设横梁优化受力结果对比Fig.13Stress comparison with additional cross beam无法避免其开裂。（4）考虑到新旧桥跨中截面不利竖向变形及应力状态，结合刚性横梁并借助预应力在跨截面将新旧桥连接一体，可有效改善跨中截面接缝受力。（5）顺桥向的变形差表现出的纵向剪力主要位于边跨两端，同时会与竖向剪力作用叠加引起拼接缝受力破坏。建议在桥梁端部设置端横梁克服新旧桥间纵向变形导致的接缝纵向不利受力。（6）收缩徐变的影响都是相当显著的,降低新旧桥间的收缩徐变差是最有效的措施。可采取的措施是在新桥成桥一段时间如半年之后再进行桥面拼接施工参考文献1 Li Fa n g y u a n,X i e Zh e n g y u a n,G u o X i a o-s h u a i.Literature reviews and summary of concrete bridgeseamless broaden technology J.Applied Mechanicsand 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