基础沉降对连续空心板梁拓宽影响研究

2011-06-05郝付军武电坤

河南城建学院学报 2011年5期

郝付军，武电坤

(1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南714000;2.中交第二公路勘察设计研究院院有限公司，湖北武汉430056)

我国早期修建的高速公路大都为双向四车道，如沈大、京津塘等。随着经济快速发展导致车流量激增，这些高速公路需要进行拓宽来适应交通发展的需要，相应的，高速公路上大量的桥梁需要拓宽。在混凝土梁式桥的拓宽中新旧桥的连接主要有三种:上下部结构均不连接、上下部结构均连接、上部结构连接下部结构不连接。当前国内采用较多的是上部结构刚性连接下部结构不连接的方案。其中，新旧桥主梁的横向连接又可分为三种:柔性连接、刚性连接和半刚性连接。一般来讲，旧桥在使用多年以后，基础的沉降已基本完成，而新桥基础的沉降还没完成，新、旧桥之间存在竖向不均匀沉降，桥梁拓宽后地基不均匀沉降会引起新、旧梁的变形不一致，从而导致混凝土中的应力重分布，当不均匀沉降值超过某一限值时将产生较大的应力甚至会引起主梁的开裂，控制拓宽部分沉降值是桥梁拓宽能否成功的最关键问题之一。考虑不均匀沉降对结构的影响时，不仅要分析其对结构的内力影响，还需要特别关注靠近接缝处的主梁支座是否会脱开，并对拼接后的桥梁加强监测，发现支座脱空，及时采取措施。沪宁高速拓宽工程提出桥梁拓宽新旧桥墩顶的沉降差应控制在毫米级以内，并经过实际验证，能够达到要求。对于不同地区、不同结构、不同跨度的桥梁其沉降控制值需要经过综合分析后确定，并采用合理的措施控制沉降差在允许范围之内。以某9×20 m预应力混凝土连续空心板梁为例，在该桥的拓宽改造过程中，对新旧桥梁不均匀沉降进行了研究，提出合适沉降差限值，按此为控制进行设计和施工。

1 桥梁拓宽基础沉降差

1.1 避免沉降差导致接缝开裂的处理方法

由于旧桥的沉降已基本完成，而新桥的基础沉降尚未完成，故拓宽后，新旧部分会产生沉降差，这会对拓宽后桥梁的上部结构带来不利影响，超过范围的沉降差甚至会导致结构的开裂，影响结构的安全使用。

对于采用上部结构连接，下部结构不连接的结构来说，避免产生较大沉降差在工程上常用如下两种处理方法:

(1)采用分离结构

在进行桥梁拓宽时，新旧部分可以采用分离式结构。该方法的缺点是没有消除新旧结构之间的挠度差而导致新原桥梁连接部位出现啃边现象。

(2)控制新旧结构沉降差

在进行旧桥拓宽设计时对桥梁新建部分的基础进行一定的处理以保证其沉降值在一个许可的范围之内，并进行沉降控制计算，根据结构计算进行结构配筋以抵抗其它不利因素。

上述两种方法中，控制地基沉降差具有一定的优越性，是比较成功的。案例工程位于平原地区，地层单一，属于第四系全新系、上更新统和粘性土及砂，冲冲洪积成因，沉降明显。从地基情况和岩层埋深来看，需要研究新旧基础沉降差对上部结构的影响，然后采取综合工程措施把新旧基础沉降差控制在工程允许范围内。案例工程基础沉降差研究的关键在于拼接构造的处理，既要保证新旧结构一起工作，又需确保新旧空心板之间的沉降差不会对上部结构产生较大的影响。故需通过分析确定出沉降差的控制值和相应的消除沉降差的措施。

1.2 沉降差的控制值

新旧结构基础之间的沉降差大小直接对上、下部结构拼接部位产生作用。在拼接结构型式、材料已知的条件下，新旧结构基础之间的沉降差值在多大的数值范围内，拼接部位不会发生破坏或使用性能丧失，这个沉降差的最大值就是沉降差的控制值。

通过桥梁拓宽基础沉降差与时间的关系曲线可了解某时刻的沉降差值，并可根据关系曲线特征确定沉降差的最大值，研究该最大值对拓宽桥梁的受力可确定沉降差的控制值。基础沉降涉及的影响因素较复杂，计算理论和试验测试方法并不完善，工程上应用较困难。目前常用假定的控制值进行数值模拟的方法来实现:根据桥梁结构布置、拼接类型及材料特性，建立近似的有限元计算模型，考虑结构荷载、收缩徐变和沉降差值作用，对拼接部位进行受力分析，得到拼接部位的沉降差控制值。

2 桥梁拓宽沉降差影响分析

某高速公路上多跨长联混凝土连续空心板梁其中一联的跨径为9×20 m，属于多跨长联结构，以该桥上部结构拓宽工程为例，研究桥梁基础沉降差对桥梁拓宽的影响，桥梁跨中横截面如图1所示。

2.1 桥梁拓宽方案布置

桥梁拓宽采用上部结构连接，下部结构不连接的方法，通过植筋及现浇混凝土铰接连接，拓宽部分采用与旧桥同跨径、同类型的预应力混凝土空心板。详细方案为原桥空心板结构保留，凿除其边梁边缘混凝土防撞栏，与新建空心板之间预留0.25m的后浇接缝段，后浇接缝段为掺UEA的钢纤维混凝土，通过植筋和锯缝形成铰缝，最后形成双向8车道的桥梁结构(图1只显示半幅结构)，图1为拓宽空心板桥梁横截面示意图，图2为拼接接缝部位细部构造。

该桥梁拓宽基础沉降差研究的重点是确定控制沉降差，并提出设计和施工建议，使拼接构造既可保证新旧桥梁可作为一个整体共同工作，又要确保沉降差不会对新旧桥梁造成较大的损害。

2.2 参数选取和模型建立

图2 上部结构拼接构造示意图cm

图3 拓宽截面梁格划分示意图

图4 计算模型平面示意图

利用有限元软件MIDAS CIVIL7.41对该桥拓宽后整体空心板桥进行网格划分。图3为拓宽空心板截面梁格划分示意图，其中1#～9#纵向构件为旧桥的纵梁，10#～14#纵向构件为新桥的纵梁。图4为拓宽后空心板整体网格划分的模型示意图。根据有限元建模原则和结构特征，模型中考虑了预应力钢筋的作用，将拓宽桥划分为7588个单元。所用材料特性根据设计采用:混凝土强度等级为C50，容重取26 kN/m3，弹性模量取3.5×104MPa，预应力筋采用高强低松弛270级钢绞线，公称直径φj15.24 mm，弹性模量为1.95×105MPa，张拉控制力采用与旧桥相同的张拉控制力。

拓宽桥梁接缝部位的模拟是通过对该位置新旧空心板接缝横梁来实现的。在处理拼接部位节点约束时采用铰接拼接构造的特点，模拟铰接构造，释放了新原空心板接缝横梁端节点的角位移，使该位置能够转动，不传递弯矩。

2.3 工况选择

根据桥梁实际情况，结合分析的目的，以支座处产生沉降模拟结构的沉降差，假定旧桥不发生沉降，分别只考虑新桥线性沉降4 mm、5 mm、6 mm、7 mm时，计算新旧桥梁接缝处的应力结果。沉降分析工况如图5所示。

图5 基础沉降工况模拟示意图

2.4 桥梁拓宽沉降差影响分析

基础沉降5mm时全桥位移和接缝上下缘应力分布的有限元分析结果见图6～图8，不同沉降差引起的接缝混凝土上、下缘应力见表1。

图6 基础沉降5 mm全桥位移

图7 基础沉降5 mm接缝上缘应力分布

图8 基础沉降5 mm接缝下缘应力分布

表1 沉降差引起的接缝混凝土上下缘应力

通过图6～图8及表1可知，当桥梁拓宽后，发生基础整体沉降差时，将在新旧桥梁连接接缝处产生较大的应力，如沉降差5 mm时，拉应力最大值可达7.67 MPa，压应力最大值可达6.29 MPa，这可能会导致接缝部位的开裂。这要求我们不仅要设置沉降差控制值，而且要采取措施尽可能的减少沉降差，从而确保桥梁拓宽结构的正常功能和耐久性。考虑的施工现状和结构特征，本工程将沉降差控制值设为5 mm，通过设计和施工进行沉降差控制。

3 减少不均匀沉降的措施

在确定了桥梁拓宽的沉降差允许值之后，应采取措施，使得沉降差尽可能的减小，最大不能超过沉降差允许值，鉴于本结构地处平原地区，地基主要为粘性土及砂，沉降较大，岩层较深，需采用多种措施来综合解决地基沉降问题，在实际工程中，参考类似工程经验，主要采用如下措施来降低沉降差。

(1)采用合理的基础类型，降低沉降值

不同的基础类型，其沉降量不同，为降低沉降量，本工程选用钻孔桩基础，适当增大桩长和桩径，从结构上来降低沉降差。并在沉降难于控制的地段采用后压浆技术，并适当增大群桩间距，同时，在基础施工时，严格控制质量，减小沉渣厚度，从而降低沉降差。

(2)选择合理的接缝拼接时间和施工顺序

由于墩台施工完成后，即将发生沉降，而且一般随着时间的推进，沉降速率越来越慢，在前三个月，沉降速度最快。因此，拓宽过程中建议尽早将预制的板梁架设到已经施工完毕的墩台上，如果此时梁体未预制好，可以采取临时材料压重的方式促使沉降尽早进行。架梁完毕后，应该选择合理的时间，尽早完成混凝土层的施工，使绝大部分沉降完成，最后再进行接缝的施工。

(3)对于接缝部位，由于构造特殊，并且受力较大，特别是墩顶接缝位置，极有可能出现裂缝，故对接缝部位进行防裂设计，采用钢纤维混凝土，减少裂缝。