余亞男

(安徽省路港工程有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230011)

1 模型和荷載工況

近年來，隨著交通量的增加，出現(xiàn)了大量的高速公路拓寬改建工程，有大量中小跨徑的簡支T梁橋需要加寬。此類工程中出現(xiàn)的一個比較突出的問題就是拓寬部分新建的基礎(chǔ)會發(fā)生沉降，而舊橋部分的基礎(chǔ)沉降則大多已經(jīng)全部完成，由此產(chǎn)生的沉降差會在拓寬后的上部結(jié)構(gòu)，尤其是新舊橋連接帶部位產(chǎn)生較為不利的橫向受力，嚴(yán)重時可能危及橫向聯(lián)系的有效性。本文針對該問題，以國內(nèi)某典型高速公路上的小跨徑裝配式簡支T梁橋拓寬工程為背景，采用大型通用有限元分析軟件ANSYS 10.0建立空間實(shí)體有限元模型，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測沉降值數(shù)據(jù)，分析新建基礎(chǔ)沉降對上部結(jié)構(gòu)受力的影響，并探討如何通過選取合理的新舊橋連接時機(jī)來減小新建基礎(chǔ)沉降對結(jié)構(gòu)的不利影響。

2 模型和荷載工況

2.1 模型建立

本文以某裝配式簡支T梁橋?yàn)楸尘?，原橋跨?4.8 m，分為上下行雙幅橋，每幅寬12 m。上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力T梁，橫向用橫隔板連接。下部結(jié)構(gòu)為雙柱式墩臺上接蓋梁，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁(見圖1)。

圖1 連接前全橋模型示意圖

拓寬方案:保留舊橋中梁和內(nèi)邊梁，拆除舊橋外邊梁并更換為新梁，同時在邊梁外側(cè)建新橋，新舊橋T梁之間采用懸臂剛性連接，下部結(jié)構(gòu)不連接。

結(jié)構(gòu)模擬:用ANSYS 10.0建立單幅橋單跨的有限元實(shí)體模型，使用Solid45單元模擬混凝土，采用Link8單元模擬預(yù)應(yīng)力鋼筋。

2.2 沉降值的確定

沉降終極值dy需要綜合考慮拓寬段的設(shè)計(jì)沉降值(5.0 mm)、現(xiàn)場觀測的沉降記錄值后確定。從圖2中可以看出，新橋建成后1年，沉降值穩(wěn)定在5.0 mm左右，與設(shè)計(jì)值一致，因此確定沉降終極值為5.0 mm。在確定了終極值以后，還需要用恰當(dāng)?shù)暮瘮?shù)擬合沉降曲線，以確定各個時間節(jié)點(diǎn)處的沉降值。擬合函數(shù)采用指數(shù)函數(shù)，擬合曲線方程為:

各工況計(jì)算中，用沉降終極值減去該時間節(jié)點(diǎn)處的已發(fā)生沉降值，即為上部結(jié)構(gòu)需要承受的沉降值。

圖2 沉降值時程曲線擬合

2.3 計(jì)算工況

為了研究不同連接時機(jī)下(即上部結(jié)構(gòu)承擔(dān)不同的沉降值時)結(jié)構(gòu)的受力情況，共計(jì)算五個工況，變量參數(shù)為施加在上部結(jié)構(gòu)上的沉降值，具體見表1。

表1 計(jì)算工況

3 新建基礎(chǔ)沉降對上部結(jié)構(gòu)的作用

原橋施工總說明建議的連接時機(jī)為新梁吊裝后60 d，因此本節(jié)以工況三為標(biāo)準(zhǔn)工況，對其計(jì)算結(jié)果(主要是應(yīng)力計(jì)算結(jié)果)展開分析。新建基礎(chǔ)沉降使新舊上部結(jié)構(gòu)發(fā)生豎向位移，因此在連接帶和靠近連接帶的T梁翼緣部分都會產(chǎn)生附加應(yīng)力，而其中又以橫橋向應(yīng)力為主。

表2顯示了工況三中各個應(yīng)力較大區(qū)域的應(yīng)力極值，表中正數(shù)表示拉應(yīng)力，負(fù)數(shù)表示壓應(yīng)力。從表中可以看出，在新建基礎(chǔ)沉降作用下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布有以下特點(diǎn):

1)應(yīng)力較大的部位均分布在新舊橋連接帶兩側(cè)的2號梁和3號梁，且均分布在靠近支點(diǎn)處的端橫梁附近，這是因?yàn)槎藱M梁提供了很大的剛度，從而約束了結(jié)構(gòu)的豎向變形。

表2 工況三各處最大正應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表 MPa

2)正應(yīng)力較大的區(qū)域都沿新舊橋分界線對稱，均為一側(cè)受拉另一側(cè)受壓，且對稱區(qū)域的應(yīng)力極值基本一致。

以下針對三個方向的正應(yīng)力分別分析:

1)橫橋向正應(yīng)力。

3號梁近支點(diǎn)處翼緣板的橫向拉應(yīng)力極值達(dá)到了8.42 MPa，且相當(dāng)大的一片區(qū)域內(nèi)的拉應(yīng)力都達(dá)到了3 MPa以上，說明在新建基礎(chǔ)沉降作用下，該部位的翼緣板非常容易產(chǎn)生縱向裂縫，為確保結(jié)構(gòu)安全應(yīng)該配備比常規(guī)更多的橫向鋼筋來限制混凝土開裂和裂縫的發(fā)展。與之相對的是2號梁翼緣板近支座處橫向受壓，壓應(yīng)力極值也達(dá)到了8.33 MPa，這兩片應(yīng)力較大的區(qū)域一個受拉一個受壓，沿新舊橋分界線對稱，是由對稱的橋面板橫向彎曲變形產(chǎn)生的。另外一個受新橋基礎(chǔ)沉降作用影響較大的部位是靠近新舊橋連接處的端橫梁底部。端橫梁的橫向受力也是沿著新舊橋分界線對稱，但換成了新橋側(cè)受拉舊橋側(cè)受壓。新橋側(cè)2號梁端橫梁的橫向拉應(yīng)力極值達(dá)到了11.51 MPa。由此可以推斷，靠近新舊橋連接部位的端橫隔板對新橋基礎(chǔ)沉降非常敏感，需要配備比常規(guī)更多的受拉鋼筋，以保證橫向連接系的完整性。否則結(jié)構(gòu)的橫向連接系一旦遭到破壞，縱向受彎的安全性能也無法得到保障。

2)豎向正應(yīng)力。

新建基礎(chǔ)沉降在絕大部分區(qū)域都沒有產(chǎn)生豎向附加應(yīng)力，但是靠近新舊橋連接帶的端橫隔板與T梁腹板交界處局部出現(xiàn)了較大的應(yīng)力，新橋側(cè)(2號梁)為拉應(yīng)力，應(yīng)力極值為6.69 MPa，舊橋側(cè)(3號梁)為壓應(yīng)力，應(yīng)力極值為6.52 MPa。雖然這兩處的豎向應(yīng)力極值較高，但高應(yīng)力水平的區(qū)域范圍都很小，又處在剛度最大的區(qū)域，因此對結(jié)構(gòu)的安全性沒有太大的危害。

3)縱橋向正應(yīng)力。

新建基礎(chǔ)沉降在絕大部分區(qū)域都沒有產(chǎn)生縱橋向附加應(yīng)力，只有靠近新舊橋連接帶的翼緣板近支座部位和端橫梁底部有部分縱向正應(yīng)力產(chǎn)生。在翼緣板頂部，舊橋側(cè)(3號梁)受拉，應(yīng)力極值為1.92 MPa，新橋側(cè)(2號梁)受壓，應(yīng)力極值為 1.96 MPa。在端橫梁底部，新橋側(cè)(2號梁)受拉，應(yīng)力極值為2.42 MPa，舊橋側(cè)(3號梁)受壓，應(yīng)力極值為2.39 MPa。可見，翼緣板頂端和橫隔板底部的受力方向正好相反，這正是由于沉降產(chǎn)生的豎向錯位變形產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)空間扭轉(zhuǎn)效應(yīng)造成的。

4 連接時機(jī)的選取

表3列出了各計(jì)算工況下橫橋向應(yīng)力極值。當(dāng)0 d連接時，全部沉降差都由結(jié)構(gòu)承擔(dān)，因此連接帶附近拉應(yīng)力很大，大片區(qū)域超過了5 MPa，應(yīng)力極值超過了16 MPa，而連接時機(jī)推遲到60 d時，拉應(yīng)力超過5 MPa的區(qū)域已經(jīng)很小了，但應(yīng)力極值仍然超過了8 MPa，局部仍可能開裂。180 d以后，沉降大部分已經(jīng)發(fā)生完畢，此時再連接，產(chǎn)生的拉應(yīng)力已經(jīng)很小了。

表3 各工況橫橋向應(yīng)力極值統(tǒng)計(jì)表

總體來看，可以認(rèn)為，如果需要完全消除沉降的影響，至少要等到半年以后連接，而結(jié)構(gòu)可以承受的最快的連接時間在60 d左右。

綜合考慮結(jié)構(gòu)安全性能和施工的經(jīng)濟(jì)性，對于該橋來說，新梁吊裝后2個月～3個月之間應(yīng)該是較為合理的連接時機(jī)。

5 結(jié)語

1)對于20 m左右跨徑的裝配式簡支T梁橋來說，新建基礎(chǔ)沉降會在靠近連接帶的T梁翼緣和端橫隔板局部區(qū)域產(chǎn)生較大的橫橋向拉應(yīng)力，局部地區(qū)可達(dá)5 MPa～10 MPa，足以使結(jié)構(gòu)開裂。沉降產(chǎn)生的豎向和縱橋向應(yīng)力較小，沒有明顯危害。

2)對于該類橋梁，必須通過地基預(yù)壓或延后連接時機(jī)等方式，把沉降量控制在2.5 mm以下，否則結(jié)構(gòu)難以承受沉降的作用，會出現(xiàn)明顯的開裂病害。對于處理后沉降量仍較大的，則需要加強(qiáng)橫向配筋。

3)對連接時機(jī)的研究表明，新建基礎(chǔ)沉降的影響隨著連接時機(jī)的推遲而迅速減小。對該橋來說，新梁吊裝后2個月～3個月之間是較合理的連接時機(jī)，該結(jié)論對跨徑和結(jié)構(gòu)體系類似的橋梁具有一定的適用性，但具體應(yīng)用時，沉降終極值和沉降曲線的選取必須結(jié)合工程實(shí)際確定。

［1］錢 江，艾 軍，張麗芳.不同拓寬連接方式對舊橋受力狀態(tài)的影響分析［J］.交通與計(jì)算機(jī)，2008(3):123-126.

［2］葉 生.舊橋整體加寬中若干問題的研究［D］.合肥:合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006.

［3］趙 偉，張家兵.舊橋加寬橋面接縫處縱向裂紋的成因與防治［J］.公路工程與運(yùn)輸，2008(143):34-36.

［4］羅志文，宗周紅，夏樟華.預(yù)應(yīng)力混凝土T梁橋拓寬性能分析［A］.全國既有橋梁加固、改造與評價會議論文集［C］.2009:426-433.

［5］葛俊穎，王立友.基于ANSYS的橋梁結(jié)構(gòu)分析［M］.北京:中國鐵道出版社，2007.

［6］周建庭.城市橋梁加固拓寬研究［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，9(3):25-31.