错位横隔梁既有T梁拓宽设计、施工探究

袁 野，孟金懿

(中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004)

1 引言

随着社会经济的飞速发展，运输量的不断增加与现有公路通行能力不足的矛盾日益突出，对既有桥梁进行拓宽扩建是一个既能增加交通运输能力又能减少工程建设投资带来较大经济效益的最佳选择[1～4]。国内旧桥拓宽扩建大多采用“下部不连接，上部连接”的拼接方案，上部连接常用刚性连接[5]。因此，上部结构刚性连接是关系到拓宽工程成败的关键问题之一，上部结构为T梁的旧桥拓宽，除拓宽桥梁基础不均匀沉降对受力特性的影响、混凝土收缩徐变对受力特性的影响、拼接时机的选择、拼接施工工艺的控制等常规性问题外，由于既有桥梁大多按照前期交通部颁发公路桥梁通用图集进行修建[1]，旧桥横隔梁数量与新规范不一致，造成错位不等数量横隔梁的刚性连接施工技术成为T梁桥拓宽施工的关键[6]。

2 工程背景

既有青口互通为沈海和福银高速交通转换的半定向Y型立交桥梁群，随着交通流量的增加，为形成更好的交通流转换服务，2013年经交通运输部批准对该互通进行原位改扩建。扩建中将需既有福银高速青口互通段青口2#高架桥进行拓宽[7]，青口2#高架桥需拓宽长度为840 m，下部构造为柱式墩、钻孔灌注桩基础，上部结构为预应力混凝土简支T梁。原桥桥面宽度11 m，两侧设0.5 m防撞护栏，设计汽车荷载为汽车-超20，挂车-120。原桥采用5片30 m长预制混凝土T梁，梁高2 m，边梁翼板宽2 m。拓宽后根据线型要求，拓宽部分桥面净宽从5.8～16.4 m不等，对应T梁片数为2～7片，拓宽上部结构采用等跨径30 mT梁[8]。新旧桥上部结构刚性连接横隔梁内采用Φ32精轧螺纹钢进行连接(图1)。

3 拓宽原则及关键工艺

(1)连接形式确定。T型桥梁拓宽中，新旧桥之间的连接形式分为：①上下部结构均不连接，②上下部结构均连接，③上部结构连接，下部结构不连接3种形式。对比三种形式，从后期维护、桥面行车舒适度等角度考虑，采用上部结构连接，下部结构不连接的形式，上部采用刚性连接。

(2)新旧规范影响。在桥梁的拼宽设计中，旧桥采用的是旧的设计标准，新桥的设计标准应就高不就低。新旧规范的差异导致新旧桥T梁的拼接横隔梁除端横梁与中横梁一致外，其他横隔梁沿纵桥向相互错位，存在应力沿 Z形路径折线传递的问题[9]。考虑模板制造成本，施工工期等角度，确定最优的新、旧桥梁横梁拼接方式为新旧桥拼宽设计关键。

(3)新旧桥上部刚性连接工艺。新、旧桥拼接时，通过横隔梁的精轧螺纹钢连接，消除整体挠度差[10]。精轧螺纹钢在旧桥上的准确定位及高效快速安装是控制整个拓宽施工进度与质量的关键[11]。

(4)在施工时应采取必要管理与技术措施，合理控制拼宽时机，采用有效的基础处理、接缝材料选择等措施确保拼接施工质量[14]。

4 错位横隔梁拼接设计

4.1 研究方向

新、旧桥拼接时，通过横隔梁将新、旧桥主梁的腹板连接，消除整体挠度差。福银高速青口互通段青口2#高架桥旧桥截面形式为T梁桥，30 m预制T梁通过2片端横梁、1片中横隔梁和4片约在L/6处共计7片横隔梁将T梁横向联系在一起。新规范30 m预制T梁为5道横隔梁，除端横梁和中横梁外，其余三道横隔梁沿纵桥向相互错位，存在应力沿Z形路径折线传递的问题。通过详细的有限元分析来确认该拼宽技术的可行性及影响程度，确定旧桥梁横梁拼接方式[16]。

4.2 有限元模型分析

按主梁与支座用弹性连接模拟，主梁顶部中心节点和支座顶部节点用刚性连接模拟。采用桥梁专业软件 MIDAS/CIVIL进行分析计算，全桥共1082个节点，2666个梁单元。

按设置9个横隔梁进行建模分析。新、旧桥主梁间横隔梁一一对应拼接，共需9片横隔梁，分别布置于支点处、 L/6、L/3、L/2、2L/3和 5L/6处。利用模型分析作用于新桥汽车荷载横桥向布载最不利工况后，进行承载能力极限状态与正常使用极限状态验算，确定横隔梁连接个数及形式(图2)。

4.2.1 汽车荷载横桥向布载方式

根据 MIDAS/CIVIL计算得到新桥 7#T梁(即与旧桥拼接的 T梁)跨中影响线，并按规范沿横向布设汽车荷载，分别布设 2车道、3车道和 4车道，计算得到 2车道、3车道和 4车道的汽车轮载影响线竖标总和分别为 0.889、0.882和 0.852，由于 3车道和 4车道需要考虑横向折减系数。新桥 7#T梁最不利汽车荷载工况是 2车道布载形式(图3)。

4.2.2 承载能力极限状态验算

按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[2]第 5.2.2条规定进行抗弯承载力验算。在承载力极限状态下，预应力不作为荷载，而作为结果抗力的一部分。正截面抗弯承载力验算、斜截面抗剪承载力验算如图4、图5所示，均能满足要求。

图4 正截面抗弯承载能力

图5 斜截面抗剪承载能力

4.2.3 正常使用极限状态验算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)，使用阶段预应力混凝土受弯构件在标准荷载组合作用下σkc+σpt≤ 0.5fck=16.2 MPa，使用阶段预应力混凝土的斜截面主压应力应满足σcp≤0.6fck=19.44 Mpa，在消除结构自重产生的长期挠度后梁式桥主梁的最大挠度处不应超过计算跨径的1/600，最小容许挠度值为50 mm。经计算新桥T梁正截面法向压应力、斜截面主压应力及结构刚度均满足要求(图6、图7、图8)。

图6 正截面法向压应力

图7 斜截面主压应力

图8 正常使用状态下主梁挠度包络图

4.3 横隔梁受力验算

根据MIDAS/CIVIL计算得到9片横隔板拼接时新、旧桥跨中拼接横隔板影响线[4]，按照《公路桥梁横向荷载分布计算》(第二版)及偏心压力法原理进行横隔板内力计算，沿横向按2车道布设汽车荷载。

计算弯矩效应时：Poq=1/2×(280+10.5×5)=166.3 kN。

计算剪力效应时：Poq=1/2×(366+10.5×5)=194.3kN。

2车道弯矩计算：M=(1+μ)ζPoq∑η=1.168×1×166.3×(0.77+0.26+0.1-0.03)=214 kN·m，所受剪力值，偏安全考虑，假定拼接横隔板不传递剪力，此时拼接横隔板所受最大剪力为194.3 kN。

经验算，抗剪承载力偏安全考虑，不考虑T梁间的混凝土连接，仅计算预应力精轧螺纹钢筋，剪应力为178 MPa小于预应力精轧螺纹钢筋容许剪应力 270 MPa；承载能力极限状态下，弯矩效应值分别为 425 kN·m，小于拼接截面抗弯承载能力值 514 kN·m，故拼接横隔梁抗剪、抗弯承载能力均满足规范要求。

4.4 横隔梁确定

新、旧预应力混凝土 T梁桥采用 9片横隔梁进行拼宽连接，横隔梁内设4根Φ25的精轧螺纹钢进行连接。进行新桥和旧桥全桥受力分析时，较为不利的汽车荷载横向布载方式为 2车道，承载能力极限状态下，新桥 T梁正截面抗弯承载力和斜截面抗剪承载力满足要求；正常使用极限状态下，新桥 T梁正截面法向压应力、斜截面主要应力和结构刚度验算均满足要求。

5 精轧螺纹钢施工

新旧桥连接横隔梁的预应力精轧螺纹钢施工包括旧桥钻孔、清孔，预应力精轧螺纹钢穿孔，施作梁体防变形的预楔紧装置，预应力精轧螺纹钢张拉，注浆封孔固化养护。

5.1 楔紧装置

对于T形梁桥的拓宽，在原边T梁和新拓宽T梁之间必须设置刚性连接，刚性主要通过增设内置预应力高强度精轧螺纹钢的连接横隔梁实现[13]。本工程预应力高强精轧螺纹钢筋采用Φ25的15Mn3SiB，单个横隔梁设4根，配套JLM25型锚具一孔共72套。待加宽桥各T梁架设完毕并预压空置半年后，张拉预应力高强精轧螺纹钢筋，预应力高强度精轧螺纹钢在张拉前为防止预制T梁梁体变形，常规采用对扣[25]槽钢加两端各设1 cm厚钢板进行抄垫楔紧的结构[12]。

连接横隔梁的施作存在悬空作业、操作空间狭窄等施工难度，预应力高强度精轧螺纹钢张拉前的新旧桥T梁防变形预楔紧施工工艺往往成为制约工程安全、质量与进度的关键点。常规工艺用钢量大、施工进度缓慢、材料消耗量高、预楔紧强度不够、负重悬空作业安全风险高等施工难点。福银高速青口互通段青口2#高架桥既有T梁拼宽新旧桥连接横隔梁精轧螺纹钢张拉时防止梁体变形设备采用可调杆件体系临时支撑结构，整个体系由主要受力构件盘扣支架立杆，抄垫预楔紧钢板以及可调顶托组成，主要受力构件采用3根盘扣支架立杆，通过连接钢筋与抄垫钢板将构件形成一个整体，通过可调顶托调整整个支撑体系长度，是新旧梁体有效连接，以满足预应力高强度精轧螺纹钢在张拉前为防止预制T梁梁体变形的预顶紧刚度要求。该可调杆件体系临时支撑结构具有现场拆卸方便，新旧梁体楔紧刚度高，用钢量少，可循环使用次数高，大幅度降低安全风险，节约施工工期和成本的优点(图9、图10)。

图10 可调杆件体系临时支撑结构楔紧装置布设

5.2 旧桥钻孔

旧桥连接横隔梁预应力精轧螺纹钢钻孔前，采用电磁感应法检测旧桥T梁预应力钢绞线位置，结合旧桥竣工图详细绘制旧桥钢绞线位置图，并在旧桥T梁腹板面弹出波纹管位置，用红油漆精确标明孔道的位置。由于钻孔孔壁的粉尘可致胶体与基材隔离作用，将降低粘结性，影响精轧螺纹钢传力效果，所以钻孔后清孔非常重要。

5.3 张拉及固化养生

待加宽桥各T梁架设预压完毕后，张拉预应力高强精轧螺纹钢筋。张拉前检查梁体之间的楔紧装置，张拉过程中应监测梁体的变形，张拉控制应力按0.4fpk=0.45×540=216 MPa控制，每根JL32高强精轧螺纹钢筋锚下控制张拉力为173.3 kN。张拉完成后，向原桥、加宽桥腹板孔道内注入喜利得HY-150化学胶封孔，再立模浇筑补偿收缩混凝土，现浇混凝土强度达到80%后方可拆除新旧桥梁体之间的楔紧装置，横隔板连接施工完成后需在锚具上涂上环氧树脂[18]。

5.4 横隔梁混凝土浇筑

拼接横隔梁及湿接缝均采用C50UEA补偿收缩混凝土。先进行新旧桥连接横隔板混凝土浇筑，再进行湿接缝混凝土浇筑。在普通水泥混凝土中掺入UEA膨胀剂，拌水后早期生成大量膨胀性结晶水化物(钙矾石)，在混凝土内导入一定的膨胀应力即压应力，部分或全部补偿混凝土干缩、冷缩产生的拉应力，从而阻止或减小混凝土的收缩，避免混凝土的收缩值超过混凝土的极限拉伸值，防止或减少混凝土的开裂，达到抗裂防水目的。

6 结论及展望

(1)既有桥梁拓宽改造中新旧桥梁纵向连接因新旧规范的差异，出现横隔梁错位、数量不等，导致应力沿 Z形路径折线传递的问题[15]，接缝类型、横隔梁连接形式、横隔梁选择等是决定桥梁拓宽纵向连接成败的关键，采用9道横隔梁连接能有效处理该情况。

(2)对于T形梁桥拓宽上部结构刚性连接，通过增设内置预应力高强度精轧螺纹钢的连接横隔梁实现[17]。采用用于既有T梁拓宽新旧桥连接横隔板精轧螺纹钢张拉时防止梁体变形的可调杆件体系临时支撑结构对新旧桥梁体进行楔紧，相比常规25C槽钢对扣施工工艺，减少钢材用量，加快工作效率，减少高空作业施工隐患，大范围减少施工成本。

(3) 考虑收缩徐变对接缝受力的影响选择收缩补偿混凝土作为接缝材料，选择6个月作为合理的存梁时间 (预制桥梁 )和静置时间能有效解决梁体不均匀沉降及纵向裂缝问题。