2019年5月27日

  为了解决预应力混凝土T型刚构桥因悬臂端挠度较大,影响行车的舒适性及安全性的问题,以青银高速某特大桥为例进行拼宽加固技术研究,将新旧主桥悬臂板拼接,腹板间锚固焊接钢隔板,并对拉螺纹钢筋,完成原纵向拼接缝的整体刚接。仿真计算分析及荷载试验结果表明,该桥实现了新旧桥梁结构协同受力,证明该方法可行。 
  关键词T型刚构桥;拼宽;钢隔板;加固设计 
  中图分类号U445.7+2文献标志码B 
  Research on Widening and Reinforcement Technology for Prestressed Concrete Tshaped Rigidframe Bridge 
  WANG Ji 
  (CCCC First Highway Consultants Co., Ltd., Xian 7175, Shaanxi, China)
  Abstract In order to solve the problem that the prestressed concrete Tshaped rigidframe bridge is affected by the deflection of cantilever end, which compromises the comfort and safety of the drivers, a grand bridge of QingdaoYinchuan expressway was taken as an example to study the widening and reinforcement technology. The cantilevers on new and existent bridges were spliced; the steel plate was welded between the webs; the steel bars were connected, and the original longitudinal joints were rigidly coupled. The results of simulation and analysis and load tests show that the new bridge can realize the cooperative force of the old and new bridge structures, which proves the feasibility of the method. 
  Key words Tshaped rigidframe bridge; widening; steel plate; reinforcement design 
  引言 
  隨着中国交通路网的快速发展,过去修建的公路等级与现实的运营需求已逐渐不相适应。因此,近年来公路改扩建项目越来越多,旨在通过道路的拓宽和扩建,以高公路服务能力和水平15。然而,对于大跨径预应力混凝土结构桥梁来说,扩建时往往存在新旧桥梁混凝土收缩和徐变不一致、基础沉降不均等问题,从而造成新旧结构不能立即进行拼接,需采取设置接缝的方式。但是,这种方法又会使新旧桥运营过程中产生过大的挠度差,严重影响行车的舒适性及安全性611。 
  基于以上背景,本文以预应力混凝土T型刚构桥工程实例为研究对象,通过新旧主桥悬臂板拼接、腹板间锚固焊接钢隔板及对拉螺纹钢筋完成原纵向拼接缝的整体拼接,采取仿真计算分析验证该拼宽加固方式的相关数据。经试验验证,该方法可实现新旧桥梁结构协同受力,为同类型桥梁拼接加固设计供参考。 
  1工程概况 
  本文研究对象为青银高速上的1座特大桥梁,主桥为预应力混凝土T型刚构,跨径组成为6 m+5×9 m+6 m,挂孔为3 m预应力混凝土简支T梁。由于该桥所在公路由一级改为高速,旧桥相应需拓宽改建,即在原桥上、下游两侧各建设单箱单室同跨径、同结构体系的新桥,并对原桥桥面铺装及伸缩缝等进行改造。拼宽后新旧主桥之间预留2 cm宽的变形缝,桥面设纵向变形缝构造。大桥分左右幅,各单幅桥面宽为1725 m。典型桥跨立面布置如图1所示,横断面布置如图2所示。 
  2主病害及原因分析 
  大桥左右幅变形缝均出现严重病害,主表现为变形缝凹凸不平,高差较大;锚固区混凝土出现裂缝、剥落及大面积破损现象,锚固构件松动、损坏;型钢脱落、破损、失效;橡胶条老化、剥离、脱落,内部垃圾堵塞。变形缝病害如图3、4所示。 
  通过搜集资料,结合大桥病害特征,分析病害成因。大桥于22年进行拓宽设计,当时考虑新建桥梁与原有旧桥间存在竖向变形差异,故采取悬臂相互分离方案,并在两者之间设置预留缝。但由于纵向伸缩缝与横向伸缩缝相交,整幅桥从结构上实际被分为4个部分,重车从内侧行车道通过时,内侧桥梁悬臂端下挠,外侧桥没有相应的变位,使新桥与旧桥产生过大的挠度差,影响行车的舒适性及安全性。桥面挠度差较大处为边跨牛腿与挂梁连接位置,易发生主梁间错位和不协调变形,长期作用下造成桥面变形缝及伸缩装置损坏。 
  另外,新旧桥混凝土收缩徐变不同步造成新旧桥存在沉降差。桥梁在空载时存在高差,差值在纵向拼接后逐年增大,在新桥沉降和收缩徐变完成后逐步稳定122。 
  通过以上分析可知,大桥在建设期间未采取新旧桥梁结构拼接是因为不具备拼接条件;而现阶段新旧主桥沉降和变形都已经稳定,具有实现结构拼接成功的条件和基础。 
  3拼接前挠度差计算 
  新旧桥按车道数最不利布置,即旧桥偏载布置2.5个车道,新桥偏载布置1.5个车道,在单侧悬臂反对称布载(汽车活载)工况下,牛腿处的最大挠度差为42 mm,大于试验值(35.3 mm)。新桥偏载工况下结构变位如图5所示。
  4拼宽加固设计 
  本桥旧桥与拓宽新桥在车辆通过时悬臂端桥面挠度差较大,影响行车的舒适性和安全性。在23年大桥拓宽时,采用设置纵向变形缝形式拼接,结构相互分离,未对新旧桥实施结构连接,而仅做构造即接缝的连接,主考虑新桥和旧桥之间沉降差以及收缩徐变差会影响新旧桥整体和接缝局部受力。目前新桥已建成11年,沉降以及收缩徐变基本完成,从结构受力特性上分析,大桥目前具备实施拼接的条件。因此本次加固设计的重点是连接旧桥与新桥,使新旧桥协调变形,改善结构受力,保证桥面平顺和行车安全3。 
  4.1主桥悬臂板拼接 
  由于新桥、旧桥的悬臂间存在刚度差异,因此设计时通过“补弱”方式实现新旧桥翼缘刚度匹配。施工时旧桥悬臂根部加高至5 cm,倒角同新桥悬臂板。凿除新桥翼缘板悬臂端部分混凝土,使悬臂端部厚度为3 cm。通过两翼缘钢筋连接后的整体浇注实现连接。具体设计内容如下。 
  分别切割或凿除新旧主桥两相邻悬臂板翼缘部分的混凝土,切割旧桥顶板悬臂翼缘5 cm范围,再沿切断线继续向悬臂板根部方向人工凿除3 cm,凿除过程中保留悬臂板内原有钢筋,不伤及横向主筋,以备悬臂板拼接时使用。原旧桥悬臂板根部高度为25 cm,设计通过竖向、纵向植筋并浇注混凝土使悬臂板根部加高至55 cm,同时使悬臂板下缘由根部到端部的倒角为7 cm×25 cm。人工凿除新桥悬臂板翼缘至28 cm,端部高度至3 cm,悬臂板下缘同样倒角为7 cm×25 cm,新旧桥两悬臂端部等高段为3 cm,长55.5 cm。保留新旧桥悬臂板内原有钢筋,并增设横向钢筋与桥悬臂板预留钢筋焊接。如既有钢筋不足,则需在新旧桥悬臂板上植筋。最后整体浇注C5补偿收缩混凝土,使新旧主桥悬臂板形成连接。新旧主桥悬臂板拼接如图6所示。 
  4.2牛腿部位连接隔板拼接 
  在T构悬臂端牛腿处,旧桥原设计为实心断面,现设计采取在主桥牛腿部位利用连接隔板实施拼接。新增隔板为2道间距为4 cm、厚度为2 cm的Q345钢板,2道隔板中心距牛腿“L型”突变段的距离为55 cm。新旧主桥牛腿隔板拼接如图7所示。 
  4.3其他部位连接隔板拼接 
  在牛腿至墩顶根部区段范围内共增设3道连接隔板实施拼接,隔板间纵向间距分别为88、78 m,新增隔板是2道间距为25 cm、厚度为1 cm的Q345钢板。在新旧桥箱室内对应的新增钢横隔板位置增设钢筋混凝土加强隔板,加强隔板设计为空心断面,构造型式为顶、底、腹板环形设置,加强隔板高度为4 cm,厚度为25 cm。在顶、腹板与底、腹板交接处采用倒角过渡,通过种植钢筋与构造钢筋连接,使新老混凝土形成整体。同时在每道新增隔板下底面位置,横向对拉2根Φ32 mm精轧螺纹钢筋,分别锚固于新旧桥内侧边腹板上。新旧主桥其他部位连接隔板拼接如图8所示。 
  5拼接加固后计算分析 
  为了分析新桥、旧桥拼接时新浇注的混凝土对原结构和新浇部分混凝土局部应力的影响,对拼接加固后的结构受力进行计算分析。计算按照以下2个阶段予以考虑。 
  第1阶段新浇注的拼接段混凝土未达到强度标准值,新旧桥按原构件截面计算,荷载加固时应考虑包括原结构自重在内的恒载及施工荷载。该阶段仅分析新浇混凝土作为新增恒载对原结构局部应力的影响。 
  第2阶段新浇注的拼接段混凝土达到强度标准值,构件按拼接后整体截面考虑,荷载考虑结构自重及使用阶段的可变作用。该阶段分析在最不利工况下拼接段新浇混凝土与原结构混凝土的局部应力情况。 
  5.1第1阶段计算 
  建立新旧桥拼接段混凝土实体模型,赋予理论容重值,但不赋予刚度,新旧桥新增横向应力计算结果如图9所示。 
  原结构新增横向拉应力最大值为.22 MPa,发生在新桥T构墩顶顶板区域;原结构新增横向压应力最大值为.21 MPa,发生在新桥T构墩顶顶板下翼缘局部区域。 
  5.2第2阶段计算 
  考虑新增隔板后浇混凝土结构自重以及使用阶段的可变作用,按拼接后全桥四车道加载,选择汽车荷载偏载布置在最不利工况下,对T构箱梁横向拼接后取结构局部应力进行分析,应力分布如图1~12所示。经计算悬臂板拼接部位最大主拉应力为1.96 MPa,发生在距墩顶中心线1 m区域范围内的顶板位置;原结构混凝土最大主拉应力为2.96 MPa,发生在牛腿处新增隔板靠近下缘区域。 
  5.3新增隔板计算分析 
  本文對主桥拼接的设计采用新旧主桥每个T构之间新增设横隔钢板进行连接,在考虑反对称加载(汽车活载)工况下,新旧结构具有最大的变形差值。因此,在计算横隔钢板局部应力时,主指标包括每道新增横隔钢板横桥向最大正应力及最大剪应力,采用逐道横隔钢板增设并组合的方式取计算结果,确定隔板的增设数量及隔板尺寸。 
  经计算,隔板最大剪应力发生在牛腿新增隔板处,最大剪应力值为67 MPa,隔板横桥向最大拉应力发生在牛腿新增隔板处,最大拉应力值为186 MPa。新增隔板通过 
  Ф16 mm锚固螺栓锚固在新旧桥箱梁外侧腹板上,最大作用荷载为2.8 kN,小于其承载力标准值6 kN,故锚固螺栓承载能力均满足求。 
  5.4拼接前后应力及挠度对比分析 
  新旧主桥T构横向拼接,对应力或挠度曲线对比进行分析。 
  (1)拼接后新旧桥挠度分布曲线较拼接前平顺、圆滑,曲线形状由Z形过渡为斜向直线。拼接前新旧桥挠度在接缝处存在突变,拼接后新旧桥的突变基本消失。 
  (2)除墩顶断面应力外,拼接后新旧桥应力分布曲线较拼接前均有较大变化。其中L/2断面拼接前后应力峰值由317 MPa降低至143 MPa。新旧桥拼接部位两侧腹板最大主拉应力发生在悬臂板根部,拼接前后应力峰值由2.42 MPa降低至1.44 MPa。
  6结语 
  经试验检测,大桥主桥拼接加固施工各项指标均满足规范求。本次设计遵从结构安全、耐久适用、经济合理的原则。 
  (1)新旧桥梁在混凝土收缩、徐变及基础沉降基本完成的前下,完成原纵向拼接缝的整体刚接,改善新旧桥梁协同变形与整体受力,高行车舒适性与安全性。 
  (2)新旧桥梁腹板间对拉螺纹钢筋并锚固焊接钢隔板,以高新旧桥梁横向传力与分担桥面荷载的能力。 
  (3)箱内浇筑混凝土隔板,以增加箱梁横向刚度与稳定性。本文针对预应力混凝土T型刚构桥的拼宽加固出了切实可行的加固设计措施,供业内人士参考。 
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