UHPC在T梁桥错孔拼宽湿接缝中的设计研究*

张志文,胡承泽,高洪波,杨运平,曹鸿猷

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北 武汉 430050;2.武汉理工大学土木工程与建筑学院,湖北 武汉 430070)

0 引言

在桥梁拼宽改造项目中,受桥位条件的制约,新旧桥桥墩无法对齐,存在新旧桥桥墩错孔布置,导致出现上部结构错孔拼接的情况。常规的普通混凝土纵向湿接缝在沉降、车辆等运营荷载作用下,由于新旧桥错孔产生的挠度差,会在接缝与普通混凝土的交界面产生较大的拉应力,导致接缝与桥梁普通混凝土的剥离和接缝结构的破坏,不能达到良好的连接效果。

与常规结构不同,错孔拼宽桥梁具有独特的横向受力行为:若新桥跨中位置对应旧桥侧支点位置,此时在新桥侧跨中作用车辆荷载,则新桥跨中下挠,旧桥受支点处的竖向约束,桥面板横向承受弯矩作用,上部受拉,下部受压;反之若旧桥侧跨中位置承受车辆荷载的作用,则旧桥侧桥面板横向承受正弯矩作用,上部受压,下部受拉。目前现浇箱梁错孔拼接已有较多成功的案例,但关于装配式结构桥梁错孔拼接的研究较少。这是因为T梁桥单梁刚度及整体性均远不及现浇箱梁,遇到类似错孔拼宽改造时一般采取拆除重建,对经济和社会有一定负面影响。

如今UHPC材料在桥梁改造中逐步得到运用,其优越的抗拉性能特别适用于小尺寸构件的补强加固,UHPC湿接缝浇筑过程中无须进行新旧桥横向钢筋搭接,因此施工方便。基于以上优点,本文结合某改扩建项目,对30m预应力混凝土T梁的错孔拼宽改造方案开展改进型拼接缝方案可行性研究。

1 T梁桥拼接方案

1.1 常规T梁对孔拼接方案

早期沪宁、合宁等高速公路改扩建项目T梁桥的对孔拼接方案主要采用以下两种。

1)刚性连接 T梁翼缘板、横隔板进行横向连接,新桥侧内边梁横隔板范围内增设预埋钢筋及两排预应力高强精轧螺纹粗钢筋,施工时先拆除原桥护栏,将旧桥边梁悬挑部分约50cm桥面铺装层和整体化层凿开,保留原有钢筋,对旧桥T梁对应位置横隔板肋身外侧植筋安装横隔板,布置整体化层加强钢筋,浇筑C50混凝土,如图1a所示。

图1 拼接方案

2)铰接连接 桥面板+T梁翼缘板连接主要通过翼缘板及桥面铺装层将新旧结构拼接起来,施工时凿除旧桥侧既有护栏,将旧桥边梁悬挑部分约50cm桥面铺装层和整体化层凿开,保留原有钢筋,待新桥架设完成后,连接翼缘板钢筋,布置整体化层加强钢筋,浇筑C50混凝土,如图1b所示。

采用刚性连接方案,新旧桥连接后横向刚度大大加强、结构整体性有显著改善,但拼接缝横向传力大,对旧桥受力影响较大,需对腹板进行植筋,对旧桥存在破坏风险,实际施工中可能会遇到拼接横隔板侧内的精轧螺纹钢无法施工,新旧横隔板无法对齐,接缝可靠性与现场工人的施工技术水平有很大关系;铰接连接施工较方便,拼接缝横向传力较少,对旧桥结构受力影响小,但在运营中会出现接缝开裂等病害。以上两种方案均未考虑错孔拼接中新旧桥挠度差对翼缘板受力的影响,不适用于错孔拼接。

1.2 T梁错孔拼接柔性湿接缝方案

某高速公路改扩建项目3×30m预应力混凝土连续T梁桥原桥梁高2m,单幅桥宽14m,拼宽7.5m,在T梁对孔拼接方案的基础上,研究在新旧结构间仅通过桥面板拼接方案。主要将新旧桥边梁翼缘板上部高应力区域的C50混凝土调平层凿除,并使用UHPC材料代替原有C50混凝土调平层。由于新旧桥梁截面发生变化,其竖向刚度不同,在荷载作用下高应力区域的范围不同,横桥向两侧桥梁翼缘板上需凿除的C50混凝土调平层宽度也不同,这样就形成了横向不等宽的UHPC湿接缝结构,如图2所示,运营荷载产生的高拉应力由抗拉强度较大的UHPC材料承担。

图2 不等宽UHPC柔性湿接缝结构局部示意(单位:m)

2 UHPC接缝有限元模型

2.1 计算参数及荷载

桥梁改扩建、旧桥拼接是在新桥建成之后进行的,此时新旧桥的自重荷载、桥面现浇层及铺装荷载均已施加完毕,所以对拼接后新旧桥梁结构体系影响较大的荷载因素包括:车辆(车道)荷载、新桥侧基础沉降和温度荷载。

1)车辆荷载 公路级别为Ⅰ级(车辆荷载标准值550kN)。荷载布置为三跨连续梁中跨满布,车轮横向布置按受力最不利的原则将车轮侧沿UHPC湿接缝与旧桥侧翼缘板的交界面布置。

2)温度荷载 整体升温荷载按升温20℃计算。

3)沉降 新旧结构不均匀沉降差5mm。

2.2 错孔15m接缝模型

2.2.1连续T梁模型建立

针对装配式T梁半跨错开(错孔15m)的情况,通过MIDAS FEA NX软件建立新旧3跨连续装配式T梁的有限元精细化实体模型,主梁采用C50混凝土,新旧两桥相邻边梁翼缘间距为30cm,横断面如图3所示。

图3 30m装配式T梁拼宽桥横断面

2.2.2旧桥侧UHPC接缝范围确定

湿接缝厚度与桥面C50调平层厚度相同,为10cm。在顺桥向旧桥桥墩处,UHPC湿接缝与C50混凝土翼缘板连接处在运营荷载作用下会存在较大的横向拉应力,因此需在旧桥墩顶位置附近凿除一定范围的C50混凝土调平层,UHPC材料代替C50混凝土去承担横向拉应力,并降低UHPC材料与C50混凝土调平层交界面上的主应力。在运营荷载组合作用下,旧桥侧结构受力最不利,所以在已建立的原桥T梁模型基础上,建立在旧桥边梁翼缘板上UHPC调平层宽度0～240cm范围的UHPC湿接缝模型,研究其在旧桥桥墩位置,在运营荷载组合作用下旧桥能否满足受力要求。

在车辆荷载最不利位置时,旧桥墩顶处UHPC湿接缝与C50调平层交界面处最大主应力如表1所示。

表1 旧桥侧车辆荷载作用下湿接缝交界面最大主应力

由表1可知,随着桥面上UHPC调平层宽度从0增加至240cm,UHPC调平层与C50调平层交界面处最大主应力逐渐减小,由8.40MPa减小至1.67MPa。因此旧桥侧在桥梁支座附近UHPC调平层的宽度拟选为240cm。

由于三跨连续T梁结构的竖向刚度随跨度变化,在靠近桥墩位置刚度大,在运营荷载作用下变形小,应力大;在跨中位置刚度小,在运营荷载作用下变形大,应力小,所以T梁在跨中位置所需要的UHPC调平层宽度应远小于T梁端部靠近支座处。为了确定UHPC调平层在旧桥侧的纵向长度,假定旧桥侧UHPC调平层宽度为0,取T梁跨中位置到梁端的十等分点,令车辆荷载沿桥梁纵向移动,经过计算得出桥梁纵向各点的应力影响线,基于T梁的对称性最终得出1跨长度(30m)的最大主应力包络图,如图4所示。

图4 旧桥侧最大主拉应力包络图

若某点在荷载组合下最大主应力低于C50混凝土抗拉设计值,则认为该点不需要凿除C50混凝土调平层。根据图4可判断,旧桥侧1跨范围(30m)内,UHPC调平层的纵桥向长度应选择15m。

2.2.3新桥侧UHPC接缝范围确定

与旧桥侧UHPC湿接缝范围确定方法类似,取车辆荷载作用位置于对新桥侧受力最不利位置,建立在新桥边梁翼缘板上UHPC调平层宽度为0～100cm的UHPC湿接缝模型。

由于在荷载组合中,新桥沉降带来的影响会与车辆荷载相抵消,确定新桥侧UHPC调平层范围最不利荷载采用车辆荷载,车辆荷载最不利位置时,新桥桥墩处UHPC湿接缝与C50调平层交界面处最大主应力如表2所示。

表2 新桥侧车辆荷载作用下湿接缝交界面主应力

由表2可知,随着桥面上UHPC调平层宽度从0增加至100cm,UHPC调平层与C50调平层交界面处最大主应力逐渐减小,由3.70MPa减小至1.23MPa。C50混凝土抗拉强度设计值为1.83MPa,因此新桥侧在桥墩处附近UHPC调平层的宽度拟选为80cm。同旧桥侧确定UHPC调平层纵向长度的方法类似,得出新桥侧中跨1跨长度的最大主应力包络图如图5所示。

图5 新桥侧最大主应力包络图

若某点在荷载组合下的最大主应力低于C50混凝土抗拉设计值,则认为该点不需要凿除C50混凝土调平层。根据图5可判断,新桥侧一跨范围内,UHPC调平层的纵桥向长度应选择9m。根据以上计算结果,建立全桥整体结构模型如图6所示。

图6 全桥结构模型

3 计算结果分析

3.1 单项荷载作用下应力分析

对于采用UHPC材料的错孔15m(半跨错开)拼接湿接缝,研究运营荷载作用下湿接缝结构最不利节段的应力,主要包括车辆荷载、温度荷载及沉降。

由于篇幅受限,仅列出在车辆荷载作用下湿接缝结构最不利节段应力结果图,车辆荷载作用于旧桥最不利位置时,旧桥侧湿接缝最不利节段位置及应力如图7～9所示。车辆荷载作用于新桥最不利位置时,新桥侧湿接缝最不利节段位置及应力如图10～12所示。

图7 车辆荷载下旧桥侧受力最不利节段位置

图8 车辆荷载下旧桥侧UHPC结构主应力

图9 车辆荷载下旧桥侧交界面主应力

图10 车辆荷载下新桥侧受力最不利节段位置

图11 车辆荷载下新桥侧UHPC结构主应力

图12 车辆荷载下新桥侧交界面主应力

由图7～12可知,在车辆荷载作用下,旧桥侧UHPC结构上最大主拉应力为3.45MPa,UHPC材料与C50混凝土调平层交界面上最大主拉应力为0.82MPa,新桥侧UHPC结构上最大主拉应力为6.59MPa,UHPC材料与C50混凝土调平层交界面上最大主拉应力为1.49MPa。

在温度荷载作用下,UHPC结构上最大主拉应力为8.49MPa,UHPC材料与C50混凝土调平层交界面上最大主拉应力为1.89MPa。

在沉降作用下,UHPC结构上最大主拉应力为5.54MPa,UHPC材料与C50混凝土调平层交界面上最大主拉应力为1.23MPa。

3.2 运营荷载基本组合作用下的应力结果

运营荷载组合中车辆荷载作用于旧桥最不利位置时,旧桥侧湿接缝最不利节段应力结果如图13～14 所示。运营荷载组合中车辆荷载作用于新桥最不利位置时,新桥侧湿接缝最不利节段应力如图15～16所示。

图13 荷载组合作用下旧桥侧UHPC结构主应力

图14 荷载组合作用下旧桥侧交界面主应力

图15 荷载组合作用下新桥侧UHPC结构主应力

图16 荷载组合作用下新桥侧交界面主应力

由图13～16可知,在运营荷载组合作用下,旧桥侧UHPC结构上最大主拉应力为9.55MPa,旧桥侧UHPC材料与C50混凝土调平层交界面上最大主拉应力为1.77MPa;新桥侧UHPC结构上最大主拉应力为5.65MPa,新桥侧UHPC材料与C50混凝土调平层交界面上最大主拉应力为0.98MPa。UHPC结构上的最大主拉应力和UHPC材料与C50混凝土材料交界面上的最大主拉应力分别小于UHPC材料与C50材料的抗拉强度设计值,该方案可行。

4 结语

1)本文以一座三跨30m T梁桥错孔拼宽改造方案为例,对装配式T梁横向拼接湿接缝进行方案设计研究,提出一种应用于错位拼宽结构中的UHPC湿接缝柔性拼接方案,通过凿除桥面原有C50混凝土调平层并替换为UHPC调平层的方式,令抗拉强度更大的UHPC材料代替C50混凝土承担由运营荷载带来的较大拉应力,同时通过调平层相连的方式避免了UHPC材料与翼缘板直接刚性连接,形成了受力更优越的柔性结构。

2)采用有限元分析研究了30m T梁最不利错孔拼宽15m情况下的柔性拼宽受力性能,考虑新旧桥拼接后的竖向刚度差异,计算得到UHPC结构和UHPC结构与梁体交界面上的主拉应力均能满足要求,因此方案可行。

3)针对沉降产生的单项应力不利工况,在实际拼宽桥梁施工过程中,采取新桥架梁后,沉降基本稳定的情况下延迟拼接管理措施以消除沉降影响。