不同跨径下收缩徐变对拓宽桥梁的影响

郭 森, 孟凡镇, 孟园英, 孙延飞

(1. 长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064;2. 深圳高速工程顾问有限公司, 广东 深圳 518049)

随着我国交通量的剧增,交通组成不断改变,出现了大量的旧桥改扩建工程[1].在工程实践中,沪宁高速、广佛高速等公路桥梁改扩建工程中积累了大量宝贵的设计、施工经验,在新旧桥梁拼接方式、混凝土收缩徐变的长期效应、新旧桥梁基础不均匀沉降等方面进行了积极的研究与探索[2].

F.Benboudjema等[3]研究分析了徐变与开裂之间的相互作用.曹旭华等[4]研究分析了箱梁桥施工阶段的收缩应力与开裂现象之间的关系,研究表明,有限元逐步增量法与工程实际情况逼近较好.孙文智等[5]、申世峰等[6]研究分析了新旧桥梁拼接缝的处理、拼接时间等问题,认为减少收缩徐变差异产生的裂缝,应严格控制拼接缝的施工质量.余家俭等[7]翻译介绍了日本旧桥改扩建的研究成果,认为预应力T梁刚性连接下,新旧桥梁拼接施工应在预应力筋张拉6个月后进行.温庆杰等[8]第一次采用代数法研究分析了拓宽后桥梁的收缩徐变的影响规律,研究表明,从水平方向和竖直方向上分别考虑混凝土收缩徐变效应是合理的.黄叙钦等[9]研究了随着运营时间的增长,混凝土的收缩徐变使得结构产生一定的形变,且与运营年限有密切关系.王曦婧[10]研究了拓宽后桥梁在收缩徐变差异影响下产生附加力大小及其变化规律.拓宽后桥梁受徐变影响较大,应根据实际施工情况选择合适的拼接时间,这样能够减小收缩徐变差异对结构的影响.

综上所述,国内外专家、学者对混凝土收缩徐变进行了深入研究,并取得了一系列重要的研究成果.他们提出了诸多计算模型,但是由于混凝土收缩徐变的机理十分复杂,仍有很多问题没有完全解决,而且不同计算模型的计算结果差别非常大[11-12].本文通过分析收缩徐变差异在新旧主梁、新旧桥梁拼接缝产生的内应力变化规律及其与跨径的关系,确定新旧桥梁拼接的合理时机,为实际施工提供理论指导.

1 混凝土桥梁收缩徐变特征分析

本文依托工程中典型的旧桥横截面布置图,以及拓宽后桥梁横截面布置(图1)进行分析.

拓宽后桥梁结构收缩徐变差异主要存在新旧桥梁之间、新旧桥梁结构与后浇拼接缝之间两种变形.为了精准分析收缩徐变对拓宽桥梁的影响,现以20 m简支T梁桥为例,建立有限元模型,分析收缩徐变产生的位移(图2).

从图2位移变形结果可知,收缩变形主要发生在水平面上,包括纵向、横向变形,在竖向上不发生变形.徐变主要发生在竖向上.因此,对轴力(Fx)、横向剪力(Fy)进行收缩效应分析,对轴力(Fx)、竖向剪力(Fz)、纵向弯矩(My)进行徐变效应分析. 拓宽后桥梁结构收缩徐变差异主要存在新旧桥梁之间、新旧桥梁结构与后浇拼接缝之间两种变形差异.

图1 简支T梁桥截面及拓宽前后桥梁横截面布置图(单位:cm)Fig.1 Cross-section layout of simple T-beam bridge and bridge before and after widening (unit: cm)(a)—拓宽前旧桥横截面布置图; (b)—拓宽后桥梁横截面布置图.

图2 20 m简支T梁桥位移变形图Fig.2 Displacement and deformation of 20 m simply supported T-beam bridge(a)—收缩变形; (b)—徐变变形.

在所建立的T空间梁格模型中,结构简化为纵横相交的梁格系[13],主梁为纵向单元,横桥向采用虚拟横梁将各主梁连接成整体,根据桥梁拓宽不同的拼接方式(铰接、半刚接、刚接、刚接+横隔梁等)对接缝处单元的自由度进行释放,已达到设计意图.其中,虚拟横梁只计入刚度,忽略其自重作用.通过建立简支T梁桥Midas Civil有限元分析模型,分析拼接缝处新旧主梁在混凝土收缩作用影响下的轴力、剪力、弯矩变化情况.

2 不同跨径下收缩徐变对简支T梁桥的影响分析

2.1 不同跨径下混凝土收缩差异的影响分析

通过建立20 m、25 m、30 m、35 m、40 m等跨径简支T梁桥模型,分析不同跨径下新旧桥梁拼接缝处主梁由于混凝土收缩的不同而对桥梁的轴力、剪力变化的影响.

(1) 5#梁、6#梁收缩轴力计算结果分析.从图3、图4可以看出,不同跨径下混凝土收缩作用在旧桥边梁5#梁、新桥边梁6#梁产生的轴力变化规律相同,轴力均随着跨径的增大而增大.5#梁、6#梁轴力最大值均发生在主梁跨中,但旧桥边梁5#梁中轴力为压力、新桥边梁6#梁中轴力为拉力.

图3 旧桥5#梁收缩轴力图

图4 新桥6#梁收缩轴力图

(2) 5#梁、6#梁收缩剪力计算结果分析.从图5、图6可以看出,收缩差异在旧桥边梁5#梁、新桥边梁6#梁中产生的横向剪力变化规律相同.横向剪力值由小到大排序为:20 m处剪力、25 m处剪力、30 m处剪力、35 m处剪力、40 m处剪力,且横向剪力最大值均发生在主梁端部附近,在主梁跨中处较小.

图5 旧桥5#梁收缩剪力图

图6 新桥6#梁收缩剪力图

2.2 不同跨径下混凝土徐变差异的影响分析

通过建立20 m、25 m、30 m、35 m、40 m等跨径简支T梁桥模型,分析不同跨径下新旧桥梁拓宽后,在拼接缝处的主梁由于混凝土徐变的不同而对桥梁的轴力、剪力、弯矩变化产生的影响.

(1) 5#梁、6#梁徐变轴力计算结果分析.从图7、图8可以看出,不同跨径下徐变作用在旧桥边梁5#梁、新桥边梁6#梁中产生的轴力变化规律相同.轴力随着跨径的增大而增大,最大值均发生在主梁跨中,在主梁端部较小.

图7 旧桥5#梁徐变轴力图

图8 新桥6#梁徐变轴力图

(2) 5#梁、6#梁徐变剪力计算结果分析.从图9、图10可以看出,不同跨径下徐变作用在旧桥边梁5#梁、新桥边梁6#梁中产生的竖向剪力变化规律相同.剪力值由小到大排序为:20 m处剪力、25 m处剪力、30 m处剪力、35 m处剪力、40 m处剪力,最大值均发生在主梁端部附近,在主梁跨中处较小.

(3) 5#梁、6#梁徐变弯矩计算结果.从图11、图12可以看出,不同跨径下徐变作用在旧桥边梁5#梁、新桥边梁6#梁中产生的弯矩变化规律相同.

图9 旧桥5#梁徐变剪力图

图10 新桥6#梁徐变剪力图

图11 旧桥5#梁徐变弯矩图

弯矩值由小到大排序为:20 m处弯矩、25 m处弯矩、30 m处弯矩、35 m处弯矩、40 m处弯矩,最大值均发生在主梁跨中,在主梁端部处较小.

2.3 不同跨径下混凝土收缩徐变对拼接缝的影响分析

针对不同跨径下(20 m、25 m、30 m、35 m、40 m)简支T梁桥建立有限元模型,对拼接缝处横向剪力进行计算分析,结果如图13所示.

图12 新桥6#梁徐变弯矩图

图13 接缝单元剪力图Fig.13 Shear diagram of seam unit

从图13可以看出,不同跨径下拼接缝处横向剪力变化规律相同.横向剪力最大值发生在拼接缝端部横隔梁附近,最小值发生在桥梁跨中.当跨径L=35 m、40 m时,接缝横向剪力值小于L=30 m时的剪力值.产生这种现象的原因主要是:一方面,当跨径不同时,主梁截面形式、预应力钢筋及普通钢筋配筋率发生变化,影响了收缩徐变变化规律;另一方面,当L=35 m、40 m时,旧桥主梁之间横隔梁数目增多,同时拼接缝处设置横隔梁的数目多于L=30 m时的横隔梁数目.接缝横隔梁数目增多,新旧桥梁结构的整体拼接性更好,结构整体刚度更大,同时也增大了接缝处的局部刚度,增强了对混凝土收缩徐变的约束作用.因此,从有利于结构的整体受力方面考虑,新旧桥梁拼接缝处应设置横隔梁.

3 结 论

混凝土的收缩徐变是随时间变化的.拓宽后,新旧主梁之间混凝土收缩徐变差异将产生较大的附加力,影响新旧桥梁结构受力性能,尤其是拼接缝处受力复杂,易产生裂缝,影响桥梁结构的受力性能和耐久性.本文分析了不同跨径下,新旧桥边梁、拼接缝处产生的内力变化规律.经比较分析,得出以下结论:

(1) 拼接缝结构本身收缩徐变效应对新旧桥梁结构的影响较大,容易导致拼接缝结构开裂破坏.因此,施工中应采取有效的措施减小拼接缝的收缩徐变效应对新旧桥梁结构的影响.

(2) 拼接缝处新旧桥边梁由混凝土收缩徐变产生的内力随着跨径的增大基本呈增大趋势,空心板桥拼接缝处横向剪力随着跨径的增大而增大,T梁桥横向剪力在L=35 m、40 m时出现剪力减小的趋势,这是由于截面形式、预应力钢筋及普通钢筋配筋率、横隔梁的变化导致新旧桥梁结构的刚度发生变化.

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