公路斜桥拓宽施工阶段力学分析

李鸿鑫，葛玉梅，刘羽宇

(西南交通大学，四川成都610031)

随着国民经济的快速发展，我国已修建的许多公路桥梁交通流量持续上升，公路服务水平逐渐下降，已不能满足经济发展的需要，改建扩容的必要性较为紧迫。公路桥梁在改建过程中往往要受到周边已有建筑物的影响，为减少已有建筑物对加宽桥梁的影响，有时需采用斜交桥墩的设计方案，避免按正交桥墩设计影响其它建筑物。在预制拓宽桥主梁时，关于预制梁的存梁养护时间已有相关的设计研究［1］［2］，并得出具有参考意义的结论。但目前对于拓宽斜桥在拼接前后新桥位移内力变化的研究甚少，大多是对于拓宽直线桥拼接前后桥梁内力变化的研究［3］。

该桥为全长760.5 m的先简支后连续公路桥。本文取大桥第三联为分析对象，因拓宽桥梁受到周边已有道路限制，桥梁第三联部分桥墩采用斜交方式布置，斜交部分T梁长度也随之发生变化。本文对拓宽桥预制梁的存梁时间，拓宽的新桥在与老桥拼接成整体前后的位移内力变化进行计算分析，得出有实际意义的存梁时间，并判断新桥在拼接前后的位移、内力变化是否满足设计要求，计算结果可供类似桥梁设计时参考。

图1 桥型布置

1 桥梁概况

桥梁上部结构采用装配式先简支后连续预应力混凝土连续T梁结构，由8×30 m的10片T梁构成，下部采用圆柱式桥墩。加宽后桥宽为20.5 m=0.75 m(防撞栏)+19.25 m(行车道)+0.5 m(防撞栏)。拓宽桥结构形式及桥跨布置与原桥基本一致，依然采用先简支后连续T梁结构，拓宽桥下部结构与老桥不相连。主梁高度2.00 m，梁间距分别为2.1 m和2.2 m。主梁跨中肋厚0.2 m，马蹄宽为梁两端部均匀加厚段0.6 m、中部均匀段0.46 m。预制主梁预应力钢束采用φs15.2－6、φs15.2－7、φs15.2－8钢绞线。主梁、翼缘板、横隔板、湿接缝、现浇连续段均采用C50混凝土，原桥和加宽桥拼接部分湿接缝及现浇横隔板采用C50的补偿收缩混凝土。桥墩采用GJZ350×550×87板式橡胶支座;加宽桥采用相同类型支座。大桥第三联桥下有一市政道路下穿，为了避免拓宽桥侵入市政道路，相应的桥墩采取正交转斜交的布置方式，斜交部分桥墩分别与T梁成19°、38°、38°、19°交角，见图1。

2 有限元计算模型及计算工况

采用Midas/Civil建模计算，在整体坐标系下X为沿桥纵向，Y为沿桥横向，Z为竖向，桥墩编号从左至右依次排序，全桥模型如图2。桥梁上部结构T梁间由现浇纵向湿接缝连接，考虑建模方便，采用梁单元和板单元相结合建立结构空间模型。建立计算模型时，在不影响计算精度的前提下对计算模型进行简化，对桥梁进行纵横向空间分析时，不考虑纵横向坡度。计算存梁时期T梁位移和内力时，取T梁跨中最不利截面进行分析。由于徐变、收缩在施工过程中会引起结构产生较大的变形和内力重分布［4］，因此在计算荷载工况中根据JTG D62－2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范考虑了收缩徐变荷载。本文计算分析了桥梁不同施工阶段的受力情况:为了保证桥梁成桥线形及受力状态符合设计要求，确定各施工阶段的线形是施工中最重要的任务之一，而决定上部结构T梁每一待浇节段的预拱度尤其重要［2］。因此，必须通过合理的计算方法和理论分析使每片梁在拼接后预拱度的发展在合理的范围。T梁预制后以简支状态存放，此阶段T梁受力状况和边界条件为:计算荷载是梁自重+预加力+混凝土收缩及徐变;边界条件是左端约束竖向DZ(位移)、RX(转角)和右端约束DZ、DX、RX。本文计算分析了该桥存梁阶段正交段标准梁(下称标准梁)，斜交段最长的梁(下称加长梁)，以及斜交段最短梁(下称最短梁)在不同存梁时期典型截面的最大位移和应力值。

存梁6个月之后，架设T梁，浇筑T梁间纵向湿接缝和梁端现浇连续段，张拉负弯矩筋，桥梁完成由简支状态向连续状态的过度。为减小T梁预拱度的继续发展以及张拉负弯矩筋后在桥墩处引起的负弯矩，对加宽桥进行均载预压，预压值为3.3 kN/m2，预压放置半年，并在新旧桥拼接完毕后卸除预压荷载。此阶段连续梁的受力状况和边界条件为:计算荷载是梁自重+预加力+混凝土收缩及徐变+等载预压;边界条件是1号墩边梁和9号墩边梁的约束为DY、DZ、RX，5号固定墩边梁的约束为DX、DY、DZ、RX，其余支座的约束为DZ、RX。此时新老桥尚未拼接成整体，此阶段重点考虑桥墩正交转斜交对上部结构的影响。

通过植筋、浇筑横隔梁、张拉新老桥间预应力连接筋将新旧主梁连接在一起，采用这种方法也可以较好地避免桥面由于新老梁的收缩徐变差异而产生变形差，保持桥面的平整和行车的舒适。此时新建桥梁的混凝土收缩徐变继续发展，新桥结构变形受到老桥的约束，会在新桥部分中产生约束力，同时老桥会受到大小相同的反力。此阶段连续梁的受力状况和边界条件为:计算荷载是新桥重力+老桥结构重力+预加力+混凝土收缩及徐变;边界条件是老桥5号墩上的支座约束为DX、DY、DZ、RX，其余支座的约束为DZ、RX。新桥边界条件与连续阶段相同。同时因为由于老桥已建成10年左右，收缩徐变基本完成，结构处于相对稳定状态，所以本文重点分析拼接前后由于收缩徐变的继续发展和老桥对新桥的约束及在新桥部分引起的内力变化。

3 计算结果与分析

3.1 不同存梁阶段位移内力分析

图2 桥梁结构空间模型

经计算分析得出了不同存梁时间(3月、6月、9月、12月以及2年、3年)最大位移量及最大应力的数值，计算结果如表1。表中位移向上为正，向下为负，拉应力为正，压应力为负。DX为桥梁纵向位移，DY为桥梁横向位移，DZ为桥梁竖向位移，DXYZ为桥梁在X、Y、Z方向矢量位移的组合值。桥梁T梁在Y方向的位移为零，表1中未列出。由表1数据分析可知180 d时梁的跨中挠度已达到3年跨中挠度的比例分别为91.2%(标准梁)、86.3%(加长梁)、90.0%(最短梁)，跨中应力比值分别为91.8%(标准梁)、89.7%(加长梁)、91.5%(最短梁)，而3年后混凝土的收缩徐变已基本完成，这一点在文献［6］中也得到了证实。从表1可知梁在前6个月位移和应力增长最快，6个月和9个月时的位移和应力值较接近，以后存梁阶段梁的位移和应力变化速率更加趋缓。因此，选择将梁简支状态存放6个月再架设，可有效避免在混凝土收缩徐变量发生最大的时间里对梁产生过大的变形和内力重分布，也可有效将梁架设后的预拱度发展控制在设计规定的值内。所以在实际施工过程中以应提前预制混凝土梁，以确保施工质量。

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3.2 体系转换阶段位移内力分析

新老桥拼接前后新桥部分的位移和内力情况见表2、表3、表4。分析表2可得，新桥在新老桥拼接后除Y方向由于拼接后横向位移只能向新桥一侧发展位移增加了50%左右外，其余方向以及组合位移的位移变化增加值都在15%以内。由表3数据分析可见，拼接前后新桥的应力、弯矩、扭矩无论是在数值和位置发生的变化都很小，大小变化平均在5%左右。分析表4可知，在拼接前新桥支座纵、横向受到的力很小，由于拼接成整体后变形受到老桥的约束，新桥固定支座纵、横向受力分别增加340 kN和670 kN，1号和9号墩受力增加了500 kN左右，但都满足支座的设计要求。

通过以上对表2、表3、表4新桥部分位移和内力情况的对比分析，可以发现由于收缩徐变的继续发展，老桥对新桥变形的约束作用，新桥部分在拼接成整体前后最大位移、应力、弯矩、扭矩在数值和发生的位置上都产生了一定的变化。由于在拼接前T梁已经存放了6月之久，T梁的收缩徐变已完成了绝大部分，所以在拼接前后新桥部分的位移和内力值虽发生了变化，但都在可控范围内，不会对桥梁的结构安全造成影响。

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4 结论

通过对拓宽斜桥存梁阶段和新桥拼接成整体前后阶段考虑收缩徐变对桥梁的影响分析得出如下结论。

(1)随着时间的增长，结构收缩徐变作用逐渐减弱，结构位移和内力的变化也逐渐趋于停止，2年后位移和内力数值变化率均小于5%。

(2)在180 d时收缩徐变已完成了全部收缩徐变的90%左右，因此我们建议实际施工中主梁吊装过程不要太仓促，让主梁保持在简支状态的时间不宜少于180 d，这样混凝土有足够的时间完成大部分的收缩徐变，从而使后续的成桥阶段受到很小的收缩徐变的影响，不至于出现拼接桥梁在拼接部分常出现的混凝土开裂现象［6］。在本文桥梁拼接前后的位移内力对比分析中此方法也得到了很好的印证。

［1］徐庆军，郭海昕．简支转连续桥的收缩徐变分析［J］．黑龙江交通科技，2009(10):104－107

［2］匡烨．混凝土收缩和徐变影响因素分析［J］．山西建筑，2008，34(1):173－174

［3］李波，吴文清．旧桥拓宽中拼接形式对旧桥受力的影响分析［J］．现代交通技术，2009，6(5):28－31

［4］周履，陈永春．收缩、徐变［M］．北京:中国铁道出版社，1994

［5］JTG D62－2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］

［6］沈玉强，咸淼．混凝土收缩徐变对连续桥梁体系转换的影响［J］．山西建筑，2009，35(15):313－314

［7］温庆杰，叶见曙．新旧钢筋混凝土梁横向拼接的收缩徐变效应分析［J］．东南大学学报，2006，36(4):596－600