安景峰 马永磊 王继林
(1.江苏省交通工程建设局,江苏 南京 210000;2.华设设计集团股份有限公司,江苏 南京 210000)
某桥位于京沪高速公路,由于交通量日益增长,原有的道路设计已无法满足交通需求,因此需要扩建。大桥原设计荷载标准为汽-超20,挂车-120,拼宽后设计遵循现行荷载规范,设计荷载标准为公路-I级荷载。拼宽采用上部结构刚性连接、下部结构不连接的方案。
新、旧桥上部结构均为7×25m先简支后连续部分预应力混凝土组合箱梁。下部结构采用双柱式桥墩、肋板式桥台,基础均为钻孔灌注桩。桥梁立面图及横断面如图1、图2所示。
图1 某大桥立面图(单位:cm)
图2 拼宽后大桥横断面图(单位:cm)
大桥的拼宽分析采用ANSYS有限元分析软件,并以左幅桥梁为例建立全桥有限元模型如图3所示,分析时不考虑纵横坡影响。小箱梁、湿接缝及现浇层采用Solid45实体单元模拟;预应力钢绞线采用Link8单元模拟,并采用施加初应变的方式模拟预加力;沥青混凝土桥面铺装层仅考虑其质量效应,忽略其刚度贡献,采用Mass21单元对沥青铺装层的质量分布进行模拟;支座采用combine14弹簧单元模拟。
验算位置选取接缝中部,并分析沿纵桥向的横向弯矩分布情况,具体如图4所示。
桥梁所受作用考虑恒载作用、汽车荷载作用和支座不均匀沉降作用。
接缝浇筑前,新旧桥均已经完成施工,且旧桥一侧翼缘已部分凿除。因此,结合该施工过程,将桥梁恒载作用分为3个阶段:
1.杀死接缝及二期恒载单元,计算新旧桥分离下的作用效应;
2.激活接缝单元的质量及刚度;
3.激活二期恒载的质量单元。
图3 有限元模型
图4 验算位置示意图
图5 荷载横向布置(单位:mm)
汽车荷载作用考虑不同的横向布置。车道荷载横向与纵向布置分别如图5、图6所示。根据荷载布置情况,计算工况如表1所示。
支座不均匀沉降仅考虑新建箱梁发生沉降,并认为支座沉降沿横桥向呈线性变化。设置的2个沉降计算工况具体如下:
1.Case sub1支座最大沉降量为3mm;
2.Case sub2支座最大沉降量为5mm。
以上各工况所得结果均为作用效应标准值(其中汽车荷载已考虑冲击系数),参考《公路桥涵通用设计规范》(JTG D60-2015)的相关要求,对各作用效应进行组合,并根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)验算抗弯承载能力和裂缝宽度。
根据规范组合各作用效应,对比验算位置的横向弯矩包络图和抗力计算结果,验算位置满足正截面抗弯承载力要求,结果如表2所示。
图6 荷载纵向布置(单位:m)
表1 汽车荷载工况
表2 验算位置效应抗力对比
图7 接缝的裂缝宽度
依据规范提供的计算公式,结合有限元模型的内力计算结果,可以得到横向弯矩作用下验算位置纵向裂缝宽度的分布情况,其中第一跨各验算位置结果如图7所示。
根据计算结果,跨中各截面验算截面2处最大裂缝宽度为0.012mm,小于最大裂缝宽度限值。因此,横向受力情况下,接缝位置能满足《公路混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中关于裂缝宽度的要求。需注意计算裂缝宽度时未考虑混凝土现浇层及接缝处箍筋的贡献,因此接缝处的实际裂缝宽度会进一步减小。