长联预应力混凝土连续梁桥拼接问题分析

陈康明，吴庆雄，陈宝春，黄汉辉

(福州大学土木工程学院， 福建福州350116)



长联预应力混凝土连续梁桥拼接问题分析

陈康明，吴庆雄，陈宝春，黄汉辉

(福州大学土木工程学院， 福建福州350116)

为研究长期荷载对拼宽长联桥变形的影响，以“新、旧桥梁的上部结构连接，下部结构不连接”为原则进行拓宽的三座长联预应力混凝土梁桥为研究对象，建立三维杆系有限元模型，分析了长期荷载对新、旧主梁纵、横桥向的影响，并对混凝土收缩和徐变引起的长联桥梁结构变形的实测结果与有限元结果进行了对比分析。分析结果表明：《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》的计算方法能较准确地计算混凝土收缩和徐变所引起的结构变形；长期荷载使沿纵桥向全部拼接后的主梁产生较大的横桥向位移，引起的结构变形最大值均出现在桥台或一联的过渡墩位置；由混凝土收缩引起的横桥向位移占选取的长期荷载产生的横桥向位移的68.58%。混凝土收缩是影响拓宽长联桥横桥向变形的最主要因素。

桥梁工程；长联预应力混凝土连续梁桥；拓宽拼接；长期荷载；现场实测

0　引　言

近年来，随着我国经济的快速发展以及公路交通量的迅速增加，对交通基础设施建设的要求不断提高。早期建设的高速公路大多数是国家经济发展的大动脉，以四车道为主，其通行能力已经不能满足经济发展的需求，因此，提高其通行能力成为当前一项重要而紧迫的任务[1]。与新建路线相比，对现有公路进行改扩建具有投资小、周期短、对环境影响小等优点，因此，更多高速公路采用拓宽改建的方式。

在桥梁拓宽中，大跨径、特大跨径桥梁不仅沉降控制难度比较大，而且很难保证新、旧桥桥面线形一致，拼接的技术难度比一般桥梁要高，在需要拼接的特殊情况下，也需要在新桥建成很长时间以后选择合适的时间进行拼接改造，因此较少对大跨径、特大跨径桥梁进行拓宽改造。对于中下跨径桥梁，常用的桥梁拓宽方法有以下三种：①新、旧桥上部与下部结构均不拼接；②新、旧桥上部结构与下部结构均连接；③新、旧桥上部结构连接、下部结构不连接[2]。除第一种拓宽方法外，其余两种拓宽方法都需要对新、旧桥梁的连接进行处理，在新、旧混凝土收缩和徐变差异或新、旧桥基础不均匀沉降作用下，新、旧桥上部结构连接处也会产生较大的附加内力，也有可能出现裂缝，从而影响桥梁美观与行车舒适性。对于长联预应力混凝土连续梁桥，新、旧混凝土收缩和徐变差异的影响更为突出。

目前，对于中小长度桥梁的拓宽拼接研究方面，王曦婧[3]以陆慕大桥为背景的研究结果表明，混凝土收缩、徐变和温度变化等荷载对拓宽后箱梁主梁及拼接部位翼缘板纵横向受力都有影响；徐志强[4]分析了新、旧主梁的混凝土收缩和徐变差异引起的拼宽T梁的内力变化，结果表明，新、旧主梁的混凝土收缩和徐变的差异主要使拓宽桥梁产生平面变形，其对拼接构造的影响最大；高岩等[5]分析了混凝土收缩、徐变对采用刚性连接的连续刚构桥的影响，表明新、旧桥主梁的混凝土收缩和徐变差异使拼接构造产生拉应力，拼接时间越迟，新、旧主梁的内力变化率越小；赵煜等[6]分析研究了不同桥梁拓宽方式对结构承载潜力的影响，从而确定桥梁最优拓宽方式供桥梁拓宽改建时参考。Kwan等[7]对旧桥不中断交通下施工拼接缝情况下新、旧桥主梁之间的变形差异进行分析，表明新、旧桥主梁之间的变形差异会推迟接缝处混凝土强度的形成，并影响新、旧桥桥面板的整体性。对于长联预应力混凝土连续梁桥的拓宽拼接研究方面，叶永城等[8]以一联8 m×30 m的等截面预应力混凝土连续箱梁桥的拓宽拼接为例，说明影响长联连续梁桥拓宽的关键影响因素有拓建荷载标准、混凝土收缩和徐变、扩建桥基础沉降和结构体系刚度等；刘桂红[9]分析了采用刚性拼接方式拓宽的长联空心板桥，认为新桥采用简支结构时可减少新、旧桥的混凝土收缩和徐变差，而对于联长较长的长联桥，新桥建成3年后方可拼接，否则不能确保拓宽后桥梁结构的安全性。

综上所述，学者们已对中小跨径桥梁的拓宽拼接进行了一定的研究。已有的研究成果表明，混凝土收缩、徐变和温度变化等长期荷载是影响长联桥梁拼接的主要因素，采用延时拼接的做法可以减少长期荷载对拓宽拼接后的长联桥梁结构所产生的不利影响。但是长期荷载对长联桥梁结构的影响程度和影响关键部位均未见定性和定量的分析，各种长期荷载中哪个影响因素占主导作用尚未清楚，且在已有的研究计算中均采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[10]中的条文来分析混凝土收缩和徐变对拼宽长联桥梁的影响，没有对实桥混凝土收缩和徐变产生的变形进行实测，而规范条文是否适用于长联桥梁也有待验证。

1　长联桥梁简介及有限元模型

1.1长联桥梁简介

表1　三座长联桥的联跨组合Tab.1　The span distribution of three long-connected bridges

本文依托的三座长联桥拓宽拼接以“新、旧桥上部结构连接、下部结构不连接”为原则进行拓宽拼接，其新桥与旧桥的主梁沿纵桥向采用现浇混凝土湿接缝与横隔板进行拼接。工程中的三座长联桥拓宽所采用的新桥的上部结构形式与旧桥的相同，均为长联多跨装配式预应力混凝土连续箱梁桥，其联跨组合如表1所示。

三座长联桥的新、旧桥主梁均为单箱单室等高度箱梁，主梁之间通过现浇湿接缝与横隔板连接，新、旧桥间的现浇湿接缝采用C50补偿性收缩混凝土。旧桥上部结构由4片箱梁组成，梁高1.5 m，主梁采用400号混凝土，旧桥采用普通板式橡胶支座；新桥上部结构由3片箱梁组成，梁高1.6 m，主梁采用C50混凝土，新桥采用HDR系列高阻尼隔震橡胶支座。拓宽后上部结构的典型横截面如图1所示，其中，1#～4#为旧桥主梁，5#～7#为新桥主梁。新、旧主梁之间的现浇混凝土湿接缝的构造如图2所示。

1.2有限元模型

利用MIDAS/Civil有限元软件，采用梁格法[11-12]分别建立新、旧桥主梁不拼接与新、旧桥主梁沿纵桥向全部拼接的长联桥的空间有限元模型。将主梁作为纵桥向单元，根据实际横向刚度建立虚拟横梁与主梁连接。虚拟横梁只有刚度不计重量，由此实现现浇混凝土湿接缝的模拟。支座采用弹簧单元模拟其实际刚度[13-14]，主梁与支座连接方式为弹性连接中的刚接。

分别选取长联桥A、B、C中一联12跨、17跨和18跨的主桥作为分析对象建立有限元模型。以长联桥A中一联12跨的主桥为例，其有限元计算模型如图3所示，后续分析如无特殊说明，均以长联桥A中一联12跨的主桥为例。

如若细加划分，可以从三个方面来更立体地看待上述问题。从教师的角度而言，口语教学需要解决的问题是，如何激发并调动学生的学习积极性，如何有效平衡同一个教学班级内语言能力不同的学生对教学的预期及要求，课堂的口语练习方式老套、内容陈旧，但同时教师们在改进方面又缺乏相应的知识储备和训练，教师对自身语言能力的认知不令人满意。从学生的角度而言，学生对口语课堂活动的参与度较低，语言表现力也不够。从课堂的整体环境而言，没有一个很好的启发教学环境，班级人数较多，有限的教学资源，教学时间不充足。

图1　拓宽后上部结构的横截面

图2　新、旧箱梁之间的拼接缝构造图

由于本研究旨在研究长联桥新、旧主梁不拼接和沿纵桥向全部拼接时，在各项长期荷载作用下桥梁结构的平面变形，而结构自重及预应力荷载由拓宽拼接前各主梁承担，汽车荷载和新桥不均匀沉降主要使主梁产生沿纵桥向的竖直面内的曲率变形，因此，本研究仅选取混凝土收缩、徐变、温度梯度和整体升降温4种长期荷载来分析其对拓宽后长联桥的影响。有限元模型中的混凝土收缩和徐变等长期荷载均按《公路桥涵设计通用规范》[15]和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[10]的相关规定取值。由于新、旧桥主梁拼接时旧桥已运营相当长的一段时间，旧桥的混凝土收缩和徐变产生的变形已基本完成，因此，不考虑旧桥的混凝土收缩和徐变产生的变形，只考虑新桥及新、旧桥纵桥向接缝混凝土的收缩和徐变对拓宽后长联桥的影响，混凝土收缩和徐变的结束时间取成桥后10年。根据依托工程的环境温度资料，取桥梁结构整体升温30 ℃和整体降温-30 ℃。

2　实桥观测与对比分析

2.1实桥观测方案

在各长联桥梁进行新、旧桥主梁的拼接缝施工前，进行三座长联桥的实桥观测，观测其由混凝土收缩和徐变引起的结构变形。观测内容主要包括：①新、旧桥主梁纵桥向位移；②新、旧桥主梁横桥向位移；③桥址处大气温度。由于现有理论对计算温度荷载产生的变形较为成熟，因此，通过桥址处实际大气温度的测量，可在有限元模型中计算得到在实际整体升降温荷载作用下主梁的纵、横桥向理论变形，将实测主梁纵、横向总位移扣除有限元模型计算得到的温度荷载作用下的理论纵、横桥向位移，可得到在混凝土收缩和徐变作用下实桥主梁的结构变形。

使用精密全站仪，对主梁观测点的三维坐标进行观测。三座长联桥的纵、横桥向位移测点布设位置相同，测点在纵桥向和横断面的布置如图4所示，各桥均布设4个测试断面，每个测试断面有4个测点，全桥共有16个测点。实桥中各观测点采用L型单棱镜，通过膨胀螺栓固定于主梁，如图4(c)所示。

(a) 纵桥向测点布置断面示意图

(b) 测点横断面布置示意图

2.2实测结果与有限元计算结果的对比分析

以长联桥A中第37跨的测点2为例，纵桥向位移的实测值与有限元计算值对比如图5所示，纵桥向位移增量如图6所示。可以看出，在测试期间内，由混凝土收缩和徐变引起的主梁纵桥向变形有限元计算值、实测值及其增量的趋势一致，且在同一数量级上，实测值比有限元计算值略大。

通过有限元计算值与实测值的对比分析，说明本文有限元模型中采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[10]中规定的混凝土收缩和徐变计算方法能较准确地计算由混凝土收缩和徐变引起的长联桥梁纵桥向位移，也说明本文中有限元的分析结果可靠。

图5主梁纵桥向位移实测值与有限元值的对比

Fig.5Comparison between measured and computed longitudinal incremental displacement of the beam

图6主梁纵桥向位移实测增量与有限元增量的对比

Fig.6Comparison between measured and computed longitudinal displacement of the beam

3　长期荷载对长联桥梁变形的影响分析

分别对比分析在新、旧桥主梁不拼接时和新、旧桥主梁沿纵桥向全部拼接时由选取的4种长期荷载引起的新、旧桥主梁在纵、横桥向产生的变形。以结构变形最大主梁处的纵、横桥向变形的计算结果为代表，负值表示变形方向与所规定的正方向相反。图7、图9、图11和图12中横坐标为桥梁一联起点的桥墩(台)至终点的桥墩(台)依序编号1，2，3，…。

3.1混凝土收缩对变形的影响

长联桥由混凝土收缩引起的新、旧桥主梁在纵、横桥向变形如图7所示。由图7可知，新、旧桥主梁不拼接时，混凝土收缩只引起的新桥主梁较大的纵桥向变形和微小的横桥向变形，纵、横桥向变形最大值分别为53.88 mm和0.91 mm；新、旧桥主梁沿纵桥向全部拼接时，混凝土收缩引起新、旧桥主梁纵、横桥向均产生较大变形，纵、横桥向变形最大值分别为37.70 mm和43.00 mm。新、旧桥主梁不拼接和全部拼接后主梁的最大纵、横桥向变形均发生在桥台或一联的过渡墩位置。上述分析结果表明，新、旧桥沿纵桥向全部拼接后，纵桥向拼接缝的存在使得混凝土收缩引起新桥主梁纵桥向变形受到旧桥主梁的约束，导致结构在横桥向发生弯曲变形。有限元模型中新、旧桥主梁沿纵桥向全部拼接时的横桥向变形如图8所示。

(a) 拓宽后新、旧主梁纵桥向变形

(b) 拓宽后新、旧主梁横桥向变形

图7混凝土收缩引起的主梁平面变形

Fig.7Plane deformation caused by concrete shrinkage

图8　全部拼接时混凝土收缩引起主梁横桥向变形图

3.2混凝土徐变对变形的影响

长联桥由混凝土徐变引起的新、旧桥主梁在纵、横桥向变形如图9所示，有限元模型中新、旧桥主梁沿纵桥向全部拼接时的横桥向变形如图10所示。由图9可知，与混凝土收缩的影响相似，新、旧桥主梁不拼接时，混凝土徐变只引起新桥主梁纵向产生变形，最大纵桥向变形发生在桥台或一联的过渡墩位置，纵桥向变形最大值为1.80 mm；新、旧桥主梁沿纵桥向全部拼接时，由于纵桥向拼接缝的存在使得混凝土徐变引起的新桥主梁纵桥向变形受到旧桥主梁的约束，导致结构在横桥向发生弯曲变形，最大纵、横桥向变形均在桥台或一联的过渡墩位置，纵、横桥向变形最大值分别为1.57 mm和12.60 mm。

(a) 拓宽后新、旧主梁纵桥向变形

(b) 拓宽后新、旧主梁横桥向变形

图9混凝土徐变引起的主梁平面变形

Fig.9Plane deformation caused by concrete creep

图10　全部拼接时混凝土徐变引起主梁横桥向变形图

3.3温度效应对变形的影响

①整体升降温对变形的影响

长联桥由整体升降温引起的新、旧桥主梁在纵、横桥向变形值如图11所示。由图11可看出，在整体升降温荷载作用下新、旧主梁同步产生相同纵桥向位移，相互之间不存在相互制约，因此，新、旧桥主梁不拼接和全部拼接时，纵桥向变形最大值均为-52.13 mm，最大纵桥向变形均在桥台或一联的过渡墩位置。新、旧桥主梁不拼接和全部拼接时，整体升温均引起新、旧桥主梁横桥向变形，新、旧桥主梁沿纵桥向全部拼接后，随着结构的横桥向宽度增大，由整体升降温引起的结构横桥向变形增加，横桥向变形最大值由不拼接时的-1.39 mm增大至-2.86 mm。

(a) 拓宽后新、旧主梁纵桥向变形

(b) 拓宽后新、旧主梁横桥向变形

图11整体升温引起的主梁平面变形

Fig.11Plane deformation caused by the whole temperature rise (fall)

②温度梯度对变形的影响

长联桥由温度梯度引起的新、旧桥主梁在纵、横桥向变形如图12所示。由图12可看出，新、旧桥主梁不拼接时，温度梯度只引起新、旧桥主梁纵桥向变形，且由于旧桥主梁片数较多，温度梯度使旧桥产生的纵桥向变形较新桥大，最大值纵桥向变形为3.00 mm；新、旧桥主梁沿纵桥向全部拼接时，旧桥主梁纵桥向变形受到新桥主梁的约束，纵桥向变形减小至1.10 mm，且引起横桥向弯曲变形，最大横桥向变形值为4.24 mm。新、旧主梁拼接前后，最大纵桥向或横桥向变形均位于桥台或一联的过渡墩处。

(a) 拓宽后新、旧主梁纵桥向变形

(b) 拓宽后新、旧主梁横桥向变形

图12温度梯度引起的主梁平面变形

Fig.12Plane deformation caused by temperature gradient

3.4各项长期荷载对变形影响的对比分析

以长联桥A中一联12跨主桥为例，新、旧桥主梁沿纵桥向全部拼接时，4种长期荷载引起1#桥墩(台)位置上的横桥向位移计算值如表2所示。表2中的比重γ=计算值i/合计Σ。其中，计算值i指单项长期荷载引起拓宽后结构的最大横桥向变形值，合计Σ为选取的4种长期荷载计算值之和。由表2可知，混凝土收缩引起拓宽长联桥的旧桥支座横桥向位移值所占的比重γ最大，高达68.58%，说明混凝土收缩是影响拓宽长联桥横桥向变形的最主要因素。

表2　各项长期荷载引起拓宽后主梁支座的最大横桥向位移Tab.2　The lateral displacement of the support caused by the long-term load after widening

4　结　语

①通过混凝土收缩和徐变引起的长联桥结构变形的实测结果与有限元结果的对比分析表明，《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中规定的混凝土收缩和徐变计算方法能较准确地计算混凝土收缩和徐变产生的长联桥梁纵桥向位移，也验证了本文的有限元分析结果的可靠性。

②当新、旧桥主梁沿纵桥向全部拼接，在混凝土收缩和徐变、温度梯度和整体升降温4种长期荷载作用下，长联桥将产生横桥向变形，最大值均出现在桥台或一联的过渡墩位置。

③混凝土收缩使旧桥支座产生的横桥向位移占4种长期荷载产生的横桥向位移的68.58%，说明混凝土收缩是影响拓宽后长联桥横桥向变形的最主要因素。

下一步需要针对拓宽拼接的长联预应力混凝土连续梁桥进一步研究缩短其拼接时间的对策，并提出合理的拼接构造措施。

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(责任编辑唐汉民裴润梅)

Research on splicing of long pre-stressed concrete continuous beam bridge

CHEN Kang-ming, WU Qing-xiong, CHEN Bao-chun, HUANG Han-hui

(College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China)

In order to study the effect of long-term loading on the deformation of widened long pre-stressed concrete continuous beam bridges, three long pre-stressed concrete continuous beam bridges that are widened by “connecting upper structures of new and old bridges, and not connecting their lower structures” are taken as research objects, and the effect of long-term loading on the longitudinal and transversal deformations of the girders was analyzed by establishing three-dimensional finite element (FE) models. The measured structural deformation of the bridges caused by concrete shrinkage and creep were compared with FE results. The results indicated that the analytical method can accurately calculate the deformation caused by concrete shrinkage and creep according to the design code for highway reinforced concrete and pre-stressed concrete bridges and culverts. The widened long pre-stressed concrete continuous beam bridge showed biggish deformation in the transverse direction, and the maximum values appeared in the abutments or the piers at the end of one continuous segment. The transversal deformation of the girders caused by the shrinkage of concrete was responsible for 68.58% of the total deformation due to long-term loading, and the major factor that affected the transverse deformation of the widened long pre-stressed concrete continuous beam bridges was the shrinkage of concrete.

bridge engineering; long and pre-stressed concrete continuous beam bridge; widening and splicing; long-term loading; field measurement

2016-05-11；

2016-06-18

教育部“新世纪优秀人才支持计划”资助项目(NCET-13-0737)；河北省交通运输厅2011年度科技计划项目(Y-2011023)

吴庆雄(1973—)，男，福建南靖人，福州大学研究员，工学博士，博士生导师；E-mail: wuqingx@fzu.edu.cn。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1238

U442.5

A

1001-7445(2016)04-1238-08

引文格式：陈康明，吴庆雄，陈宝春，等.长联预应力混凝土连续梁桥拼接问题分析[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(4)：1238-1245.