基础沉降差对连续梁桥拼宽的影响及控制

许 梁,邹黎琼

(湖北省交通规划设计院股份有限公司,湖北 武汉 430051)

我国在改革开放后建造了大量的高速公路,随着国家经济的快速发展,交通量也有显著的增加,部分高速公路的交通量已经达到建造时的远期预测[1,2],公路服务水平达到了三级,部分已经达到四级。为增加行车安全性及舒适性,对既有高速进行扩建,以增加其通行能力,提高交通服务水平是较为经济的一种选择。国内特别是广东地区对既有高速公路改扩建的需求日益增加[3]。

在扩建空间允许的条件下,在既有高速两侧进行拼宽以增加车道,提高通行能力是较为经济的选择[4～6]。该扩建方式下,存在大量的桥梁需要拼宽,拼宽方式的选择直接影响新旧结构的受力状态,从而影响结构的安全性。影响拼宽方式的因素较多,但受力影响是较为复杂,却十分重要的因素之一。

孙宁等[7]对高速公路桥梁改扩建中的空心板拼宽进行了计算分析,指出空心板桥梁宜在新建桥梁完工后6个月后再与既有桥梁上部结构连接,以减小新旧桥梁沉降差及收缩徐变对拼宽缝的影响。王阳等[8]对T梁拼宽工况进行了研究,对于允许的沉降差给出了建议值。李健翔[9]对现浇大箱梁的拼宽可行性进行了研究,主要探讨了收缩徐变和沉降差对拼接部位的影响。

然而,目前研究主要集中在简支结构的拼宽方式上[10,12],而连续结构在高速公路桥梁中占有相当大的比例,且连续结构一般为大中桥,里程长度更大,扩建方式研究的经济意义更大。同时,简支结构和连续结构拼宽后受力方式存在差异。为此,本文深入探讨基础变位对连续结构拼宽桥梁的影响规律,及相应的控制措施。

1 案例概况

广东某高速公路为双向六车道,于2000年通车,经过20年运营,日均汽车流量已经达到10万辆。服务水平较低,且位于城区,未来交通量预测更大,现有车道数难以满足通行需求。因此业主选择对其进行改扩建,以缓解现有交通压力,满足未来通行需求。

大桥为连续结构,跨径组合为3×30 m,原桥梁标准横断面为26 m宽,桥梁中线左右对称布置,桥梁上构为4块预制小箱梁,经过现场勘察,结合管线影响等信息,推选在两侧直接拼宽方案,最后形成的断面为4+4块预制小箱梁,如图1所示(图中仅示出1/2截面)。

图1 1/2标准拼宽横断面/cm

2 案例沉降影响分析

对于受力明确,传力路径明晰的模型,可以采用杆系单元建立结构模型[13,14],如梁单元、杆单元等。在研究简支结构跨中受力时,杆系单元与实际误差较小,满足工程精度。但对于D区(即不满足平截面假定的区域)实际结构受力情况与杆系有限元模型的误差较大。且对于探索性的、受力途径存在多种可能的区域或模型,采用实体单元可以观察实际传力路径和受力影响、变化范围和程度[15,16]。本文采用ANSYS软件建立三维实体有限元模型。主梁及横隔板等采用Solid45单元进行模拟,主梁与盖梁之间通过弹簧模型连接,通过调整弹簧刚度来模拟支座刚度的变化,通过对弹簧节点施加强制位移来模拟基础沉降[17]。模型共112374个节点,共28392个单元,三维有限元模型如图2所示。

图2 拼宽后桥梁有限元模型

2.1 基础横向整体不均匀下沉对结构受力影响

桥梁拼宽时,当采用新旧桥梁上部结构相连接,仅连接上构主梁,对盖梁不进行连接。具体连接方式为新建箱梁翼缘板预留钢筋,旧桥翼缘板凿除部分混凝土,然后新旧桥梁钢筋连接后浇筑混凝土。新旧桥梁仅翼缘板相连接,无新增横隔板。由于新旧结构沉降时间不同,既有结构已服役多年,基本沉降已经完成,而新的拼宽结构尚未完成沉降,因此两者会出现沉降差,该沉降差通过翼缘板传递。当新旧盖梁未连接时,该沉降差会直接影响上部结构的受力。以该桥为例,研究横向不均匀沉降对上构受力的影响。当新旧结构发生相同位移的沉降时,两侧不存在相对位移,不发生受力变化,因此研究时只设置新的拼宽结构发生不同等级的基础沉降。

在模型中设置既有结构保持不变,新的拼宽结构分别发生3，5，8 mm不同程度的整体沉降,结构的位移及等效应力云图如图3所示,结构跨中处各主梁位移曲线如图4所示,主梁梁底最大等效应力曲线如图5所示。

图3 横向整体不均匀沉降下结构位移、应力云图

图4 横向整体不均匀沉降下结构跨中位移

图5 横向整体不均匀沉降下结构跨中应力

提取结构最大等效应力及位置,总结如表1所示。

表1 横向整体不均匀沉降下结构最大应力

从图中可以看出：当拼宽侧桥梁发生整体沉降时,拼宽桥外侧小箱梁较内侧位移大,从内(拼宽处)向外呈线性增长趋势。由于盖梁的影响,原桥桥墩处受拼宽桥沉降影响较小,位移较小,而两跨之间位移影响范围逐渐增大。尽管拼宽桥外侧的位移最大,但由于受原桥边界约束较小,因此产生的应力也较小,而内侧由于原桥约束,特别是桥墩处约束更强,因此最大应力也产生于此。新旧桥顶板拼接处存在一定的较小等效应力,在该处的现浇材料选择上具有一定自由度。

2.2 基础横向局部不均匀下沉对结构受力影响

对比部分情况,新旧结构的基础沉降虽发生时间长短不同,但不一定会引起沉降差。如当地质情况较好,既有结构和拼宽结构均采用嵌岩桩基础时,由于嵌岩作用,基础沉降值较小,因而新旧结构的沉降差不大,对受力影响较小。又或者，当既有结构采用摩擦桩基础,而新结构采用嵌岩桩基础时,或者既有结构服役时间不长等情况时,均会引起沉降差较小或无沉降差。然而在此情况下,可能会出现部分桩基础下的地质发生突变,如新旧结构均采用嵌岩桩,但部分桩基础下存在溶洞,导致拼宽侧部分桩基础沉降过大,引起上部结构局部或者整体受力变化,从而引起结构安全隐患。为此有必要探讨不同局部基础发生变位对结构的受力影响。

设置桥梁边跨附近发生不同程度的位移,结构的受力云图如图6所示,结构跨中处各主梁位移曲线如图7所示,主梁梁底最大应力曲线如图8所示。

图6 拼宽侧桥头沉降下结构位移、应力云图

图7 桥头不均匀沉降下结构跨中位移

图8 桥头不均匀沉降下结构跨中应力

提取结构最大应力及位置,总结如表2所示。

表2 桥头沉降下结构最大应力

从图6中可以看出,当桥头发生沉降时影响范围较小,仅在纵桥向约15 m,横向20 m的扇形范围内有一定影响。从图8可以看出,沉降引起的应力在新旧桥拼宽处有突变。最大应力出现在拼宽侧外边板的底板处,且随着沉降值的增大,最大应力成线性增长趋势。相比整体沉降,发生相同位移的沉降时,桥头沉降产生的应力幅值仅为整体沉降的5%。主要是因为该处边界约束较小,其中一端完全释放,导致位移得到一定程度的释放。

设置桥梁中跨附近发生不同程度的位移,结构位移和内力响应云图如图9所示,结构跨中处各主梁位移曲线如图10所示,主梁梁底最大应力曲线如图11所示。

图9 中跨不均匀沉降下结构位移、应力云图

图10 中跨不均匀沉降下结构位移

图11 中跨不均匀沉降下结构应力

提取结构最大应力及位置,总结如表3所示。

表3 中跨沉降下结构最大应力

同时在配置预应力钢束时,调节钢束面积、钢束线型及张拉应力,使得结构在预应力作用下产生的主压应力为30 MPa,则按照JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第6.3.1条规定,在拼宽侧沉降约6 mm时,结构产生组合应力将超过第6.3.1-7条规定。

图9显示,当中跨基础发生沉降时,位移传递范围为邻近两跨,未越过盖梁影响到较远跨径,且位移在原桥内的传递范围较小。应力传递范围与整体沉降时相近,但仅作用在中跨盖梁处,沿桥梁纵向传递范围较小,最大应力出现在拼宽侧内边板底板处。从图10可以看出位移通过翼缘板传递后,在旧桥远侧边板引起向上位移,因此在结构设计时需要特别注意,以防止支座脱空。从图11可以看出最大应力出现位置不随沉降大小而改变,最大应力幅值呈线性增长趋势,且在旧桥外侧边板和拼宽桥内侧边板处引起较大应力,该处相对位移差最大,故引起较大应力,而较远处主梁由于位移差逐步释放,应力较小。纵桥向,相较于桥头沉降,中跨沉降时受到原桥的边界约束更大,发生相同大小的沉降时,产生的最大应力值为桥头沉降的20倍左右,与拼宽桥发生整体沉降的最大应力幅值相近,但出现的点位仅在沉降发生处。将该处应力显示范围调整为5～50 MPa,得到局部等效应力云图如图12所示。

图12 局部应力分布图/MPa

从图12中可以看出,应力传递的途径主要为横隔板和小箱梁底板。当基础发生沉降时,相邻两跨的支座成为主要约束,跨中承受最大弯矩,箱梁底板及横隔板处出现最大应力。应力通过拼接处顶板传至原桥,原桥横隔板与底板相交处出现最大应力。

3 沉降差影响下结构拼接控制

根据沉降差的影响分析可知,当新建结构与既有桥梁沉降差大于6 mm时,结构最大应力将超过JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》第6.3.1条之规定。对于新建结构,除了可以通过调整桩长来控制新旧结构的沉降差大小外,还可以通过在新老主梁之间增设横向联系来调控主梁之间的连接刚度[18],从而降低沉降差的不利影响。

依托上述案例,在各跨跨中主梁之间增设一道横隔板及在各跨内平均增设2～3道横向联系(图13),以加强新旧主梁之间的连接刚度。具体施工方式为：对于既有桥梁侧,需在主梁腹板上钻孔植筋；对于新建桥梁侧,可选用带有横隔板的中板作为边板,也可在边板预埋钢筋。新旧桥梁钢筋连接后浇筑混凝土形成横隔板。不同横向联系方式下主梁结构效应如图14,15所示。

图13 既有结构与新建结构横向联系位置示意

图14 增加横向联系后结构位移

图15 增加横向联系后结构应力

从图14，15可以看出,增加横向联系后,既有结构的位移和应力具有不同程度的减小。说明通过增加横向联系,结构整体性增加,位移和应力更加协调。当新建基础沉降控制较难或成本较大时,可以通过增加新旧桥梁之间的横向联系来减小结构响应,提高承载能力。增加横向联系后,既有桥梁和拼宽桥梁之间的相对位移关系不变,既有结构外侧边板的位移仍为向上,但相较于未增加横向联系时有所减少,边梁支座脱空的风险有所降低。

增加横向联系后,拼宽侧主梁1与主梁2之间的相对位移有所增加,这是由于增加的横向联系提高了主梁1的边界条件约束,因此两片主梁之间的相对位移增加,相应的主梁1与主梁2之间翼缘板的应力也相应增加。同时可以看出,新旧两片相连主梁处应力较大,但相邻主梁的应力水平较低,应力下降明显,这是由于拼宽主梁之间,既有主梁之间均无横隔板,横向联系较差,导致应力无法均匀分布在较远处主梁。建议在增加拼接处横向联系的基础上,对既有结构和拼宽结构的主梁之间也增加横向联系。

4 结 论

以一座3×30 m连续小箱梁桥的拼宽设计研究了当拼宽桥发生不同程度、不同位置的沉降时,拼宽桥和原桥受位移和应力的影响。通过研究得出以下结论：

(1)当拼宽侧桥梁发生整体沉降时,原桥的影响范围为原桥宽度的25%,即位移传递不会越过原桥第一根主梁。最大应力出现在原桥内边板底板处,拼宽桥底板应力较大。随着沉降值的增大,最大应力出现的位置未发生改变,幅值呈线性增长趋势；

(2)当拼宽桥仅发生桥台沉降时,位移及应力影响范围远小于中跨桥墩发生沉降的影响范围。桥台沉降引起的最大应力幅值仅为拼宽侧全桥沉降及中跨发生沉降时应力幅值的5%；

(3)当拼宽桥发生沉降时,由于原桥的边界约束,拼宽侧最大应力产生于内侧边梁的底板处。应力通过新旧桥拼接顶板传至原桥,在原桥底板处产生全桥最大应力。在拼宽桥及原桥内部,横向传递途径主要为横隔板,顶板贡献很小；

(4)基于结构线性假设,当新桥沉降超过6 mm时,结构最大应力将超过规范规定,既有结构抗裂承载能力不足,需对既有结构进行抗裂加固,或通过加大新建桥梁的桩长来减少结构的沉降差；

(5)增加新旧桥之间横向联系,可以增加结构整体性,减少结构的位移和应力响应,从而提高结构承载能力。