简支T 梁桥拓宽连接后新建基础沉降的作用分析

余亚男

(安徽省路港工程有限责任公司，安徽 合肥 230011)

1 模型和荷载工况

近年来，随着交通量的增加，出现了大量的高速公路拓宽改建工程，有大量中小跨径的简支T梁桥需要加宽。此类工程中出现的一个比较突出的问题就是拓宽部分新建的基础会发生沉降，而旧桥部分的基础沉降则大多已经全部完成，由此产生的沉降差会在拓宽后的上部结构，尤其是新旧桥连接带部位产生较为不利的横向受力，严重时可能危及横向联系的有效性。本文针对该问题，以国内某典型高速公路上的小跨径装配式简支T梁桥拓宽工程为背景，采用大型通用有限元分析软件ANSYS 10.0建立空间实体有限元模型，结合现场实测沉降值数据，分析新建基础沉降对上部结构受力的影响，并探讨如何通过选取合理的新旧桥连接时机来减小新建基础沉降对结构的不利影响。

2 模型和荷载工况

2.1 模型建立

本文以某装配式简支T梁桥为背景，原桥跨径14.8 m，分为上下行双幅桥，每幅宽12 m。上部结构为预应力T梁，横向用横隔板连接。下部结构为双柱式墩台上接盖梁，基础为钻孔灌注桩(见图1)。

图1 连接前全桥模型示意图

拓宽方案:保留旧桥中梁和内边梁，拆除旧桥外边梁并更换为新梁，同时在边梁外侧建新桥，新旧桥T梁之间采用悬臂刚性连接，下部结构不连接。

结构模拟:用ANSYS 10.0建立单幅桥单跨的有限元实体模型，使用Solid45单元模拟混凝土，采用Link8单元模拟预应力钢筋。

2.2 沉降值的确定

沉降终极值dy需要综合考虑拓宽段的设计沉降值(5.0 mm)、现场观测的沉降记录值后确定。从图2中可以看出，新桥建成后1年，沉降值稳定在5.0 mm左右，与设计值一致，因此确定沉降终极值为5.0 mm。在确定了终极值以后，还需要用恰当的函数拟合沉降曲线，以确定各个时间节点处的沉降值。拟合函数采用指数函数，拟合曲线方程为:

各工况计算中，用沉降终极值减去该时间节点处的已发生沉降值，即为上部结构需要承受的沉降值。

图2 沉降值时程曲线拟合

2.3 计算工况

为了研究不同连接时机下(即上部结构承担不同的沉降值时)结构的受力情况，共计算五个工况，变量参数为施加在上部结构上的沉降值，具体见表1。

表1 计算工况

3 新建基础沉降对上部结构的作用

原桥施工总说明建议的连接时机为新梁吊装后60 d，因此本节以工况三为标准工况，对其计算结果(主要是应力计算结果)展开分析。新建基础沉降使新旧上部结构发生竖向位移，因此在连接带和靠近连接带的T梁翼缘部分都会产生附加应力，而其中又以横桥向应力为主。

表2显示了工况三中各个应力较大区域的应力极值，表中正数表示拉应力，负数表示压应力。从表中可以看出，在新建基础沉降作用下，结构的应力分布有以下特点:

1)应力较大的部位均分布在新旧桥连接带两侧的2号梁和3号梁，且均分布在靠近支点处的端横梁附近，这是因为端横梁提供了很大的刚度，从而约束了结构的竖向变形。

表2 工况三各处最大正应力统计表 MPa

2)正应力较大的区域都沿新旧桥分界线对称，均为一侧受拉另一侧受压，且对称区域的应力极值基本一致。

以下针对三个方向的正应力分别分析:

1)横桥向正应力。

3号梁近支点处翼缘板的横向拉应力极值达到了8.42 MPa，且相当大的一片区域内的拉应力都达到了3 MPa以上，说明在新建基础沉降作用下，该部位的翼缘板非常容易产生纵向裂缝，为确保结构安全应该配备比常规更多的横向钢筋来限制混凝土开裂和裂缝的发展。与之相对的是2号梁翼缘板近支座处横向受压，压应力极值也达到了8.33 MPa，这两片应力较大的区域一个受拉一个受压，沿新旧桥分界线对称，是由对称的桥面板横向弯曲变形产生的。另外一个受新桥基础沉降作用影响较大的部位是靠近新旧桥连接处的端横梁底部。端横梁的横向受力也是沿着新旧桥分界线对称，但换成了新桥侧受拉旧桥侧受压。新桥侧2号梁端横梁的横向拉应力极值达到了11.51 MPa。由此可以推断，靠近新旧桥连接部位的端横隔板对新桥基础沉降非常敏感，需要配备比常规更多的受拉钢筋，以保证横向连接系的完整性。否则结构的横向连接系一旦遭到破坏，纵向受弯的安全性能也无法得到保障。

2)竖向正应力。

新建基础沉降在绝大部分区域都没有产生竖向附加应力，但是靠近新旧桥连接带的端横隔板与T梁腹板交界处局部出现了较大的应力，新桥侧(2号梁)为拉应力，应力极值为6.69 MPa，旧桥侧(3号梁)为压应力，应力极值为6.52 MPa。虽然这两处的竖向应力极值较高，但高应力水平的区域范围都很小，又处在刚度最大的区域，因此对结构的安全性没有太大的危害。

3)纵桥向正应力。

新建基础沉降在绝大部分区域都没有产生纵桥向附加应力，只有靠近新旧桥连接带的翼缘板近支座部位和端横梁底部有部分纵向正应力产生。在翼缘板顶部，旧桥侧(3号梁)受拉，应力极值为1.92 MPa，新桥侧(2号梁)受压，应力极值为 1.96 MPa。在端横梁底部，新桥侧(2号梁)受拉，应力极值为2.42 MPa，旧桥侧(3号梁)受压，应力极值为2.39 MPa。可见，翼缘板顶端和横隔板底部的受力方向正好相反，这正是由于沉降产生的竖向错位变形产生的结构空间扭转效应造成的。

4 连接时机的选取

表3列出了各计算工况下横桥向应力极值。当0 d连接时，全部沉降差都由结构承担，因此连接带附近拉应力很大，大片区域超过了5 MPa，应力极值超过了16 MPa，而连接时机推迟到60 d时，拉应力超过5 MPa的区域已经很小了，但应力极值仍然超过了8 MPa，局部仍可能开裂。180 d以后，沉降大部分已经发生完毕，此时再连接，产生的拉应力已经很小了。

表3 各工况横桥向应力极值统计表

总体来看，可以认为，如果需要完全消除沉降的影响，至少要等到半年以后连接，而结构可以承受的最快的连接时间在60 d左右。

综合考虑结构安全性能和施工的经济性，对于该桥来说，新梁吊装后2个月～3个月之间应该是较为合理的连接时机。

5 结语

1)对于20 m左右跨径的装配式简支T梁桥来说，新建基础沉降会在靠近连接带的T梁翼缘和端横隔板局部区域产生较大的横桥向拉应力，局部地区可达5 MPa～10 MPa，足以使结构开裂。沉降产生的竖向和纵桥向应力较小，没有明显危害。

2)对于该类桥梁，必须通过地基预压或延后连接时机等方式，把沉降量控制在2.5 mm以下，否则结构难以承受沉降的作用，会出现明显的开裂病害。对于处理后沉降量仍较大的，则需要加强横向配筋。

3)对连接时机的研究表明，新建基础沉降的影响随着连接时机的推迟而迅速减小。对该桥来说，新梁吊装后2个月～3个月之间是较合理的连接时机，该结论对跨径和结构体系类似的桥梁具有一定的适用性，但具体应用时，沉降终极值和沉降曲线的选取必须结合工程实际确定。

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