存梁时间对拼宽T梁桥运营期主梁线形的影响

何启龙, 张少强, 黄叙钦, 安平和, 邬晓光*

(1. 长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064;2. 中铁大桥(南京)桥隧诊治有限公司, 江苏 南京 210061; 3. 中电建路桥集团有限公司, 北京 100048)

国外对拼宽桥的研究主要集中在拼宽结构改进和新材料[1]应用.如Agócs等[2]综合采用了简支变连续、桥面板更换为正交异性板和两侧增加斜撑等措施对Danube河的某简支桁架梁进行加宽.Paeglitis等[3]在拉脱维亚的某座拼宽梁桥中采用轻骨料混凝土(LWAC)来代替原有桥面来降低静载影响.Keller等[4]则在2014年的Avançn桥两车道加宽工程中采用了GFRP(轻质玻璃纤维增强聚合物)夹心桥面板来和已有钢梁粘结.国内对桥梁拼宽的研究对象主要为混凝土梁式桥,从早期RC简支梁桥拼接后的新旧梁载荷横向分布变化开始,到目前连续梁桥、刚构桥、钢桥和拱桥等的拼宽构造细节、力学分析和施工工艺改进等[5]方面,取得了较为成熟的发展.但在混凝土梁式桥拼宽的研究方面,新旧梁横隔板刚度劣化[6]、拼宽桥可靠度变化[7]及新梁收缩徐变对新老结构的线形影响还有待进一步研究.

在拼宽施工阶段,预制梁存梁期多采用6个月,且相应的理论分析主要以结构的受力变化为主,线形分析方面需要进一步的对比分析.如黄萍[8]以一座四跨连续T梁桥为例分析了收缩徐变新旧梁的受力问题.林天然等[9]则以简支小箱梁为例,主要考虑了不同拼接方式下收缩徐变对结构的影响,没有考虑存梁期对拼宽桥长期线形的影响.因此,本文主要研究在收缩徐变作用下存梁期对拼宽T梁桥运营期的三向变形影响.

1 工程概况

选择某3×40 m连续拼宽T梁桥为依托工程,其主要技术指标如表1所示.该桥采用同结构T梁单边加宽、上部结构新旧梁采用超刚接[10]、下部结构不连接的拼宽方式[11-12],将主桥由双向四车道扩容成双向八车道,并按原桥与拼宽部分共同受力的原则进行设计,如图1所示.

表1 依托工程的主要技术指标Table 1 Main technical indicators of the project

图1 连续T梁上部结构加宽断面示意图(以跨中为例)(单位:cm)Fig.1 Diagram of the widened section of continuous T beams(taking mid-span as an example)(unit:cm)

2 拼宽桥有限元模型建立

采用空间梁格法建立拼宽桥有限元模型[13], 如图2所示. 为方便下文分析, 各梁片编号如图3所示. 根据依托工程的拼宽流程, 从简化分析的角度假设新梁在30 d内预制完成, 并在30 d内完成所有新梁的纵向拼接和横隔板浇筑并进入存梁期; 待存梁期结束后, 8 d完成新旧梁之间的横向拼宽, 随后30 d完成桥面铺装等工序并投入运营.

图2 3×40 m拼宽T梁桥有限元模型示意图

Fig.2 Schematic diagram of finite element model of widened T-beam bridge of 3×40 m

图3 新旧梁片编号示意图Fig.3 The number diagram of new and old beams

3 运营时间对拼宽梁桥变形的影响研究

收缩徐变在拼宽完成后随着桥梁服役时间的增加,其对线形的影响也不尽相同.因此,本节分析收缩徐变在不同运营阶段对新旧梁的纵向、竖向和横向变形的影响,并选择表2中的运营阶段参与计算,存梁期取6个月.载荷工况为恒载荷、移动载荷及预应力作用下的收缩徐变[14-15].

表2 新旧梁运营时间组合编号Table 2 Number of Combination operation time of new and old beams

3.1 新旧梁竖向变形分析

在收缩徐变作用下,存梁期为6个月且不同运营时间的新旧梁竖向变形计算结果如图4、图5所示.

分析图4、图5可知:运营时间不同,收缩徐变引起的竖向变形也不同;考虑到各梁片竖向位移变化值并不显著,可以忽略运营时间对收缩徐变引起的竖向变形影响.考虑到拼接处的旧梁5与新梁1存在较大的竖向位移差,如左边跨最大竖向位移差约为2 mm,而中跨的新旧梁竖向位移差最大约为4 mm;若拼接处横隔板刚度不足,运营阶段新旧梁之间的过大错动可能引起横隔板开裂.

图4 左边跨跨中截面竖向位移

图5中跨跨中截面竖向位移

Fig.5 Vertical deformation of middle cross section of mid-span

3.2 新旧梁横向变形分析

在收缩徐变作用下,取6个月存梁期,新旧梁运营时间为“20+10”的横向变形如图6所示.

图6 6个月存梁期的“20+10”的横向变形示意图Fig.6 Diagrammatic sketch of the transverse deformation of “20+10” in beam-preserving period of 6 months

从图6可知,在收缩徐变作用下,拼宽桥运营10 a后的横向变形主要集中在端支点和中支点.在收缩徐变作用下,存梁期为6个月且不同运营时间段的左端支点和左中支点横向变形计算结果如图7、图8所示.

图7 左端支点截面横向变形Fig.7 Transverse deformation of the left beam fulcrum

图8 左中支点截面横向变形Fig.8 Transverse deformation of left middle fulcrum

3.3 新旧梁纵向变形分析

收缩徐变作用下,拼宽桥的最大纵向变形在端支点和中支点.在收缩徐变作用下,存梁期为6个月且新旧梁不同运营时间的左端支点和左中支点纵向变形计算结果如图9、图10所示.

图9左端支点截面纵向变形

Fig.9 Longitudinal deformation of the left beam fulcrum

从图9、图10可知:在收缩徐变作用下,不同运营时间主要影响新梁的纵向变形,但其相对变化值较小,约6 mm,且变形值低于旧梁,可以忽略运营时间对新旧梁横向变形的影响;拼接处新旧梁的纵向变形差较大,变形协调性差,如左端支点拼接处新旧梁纵向变形差约为14 mm,而中跨的新旧梁竖向变形差约为5 mm,若拼接处横隔板刚度不足,纵向不协调变形的影响可能引起开裂.

图10左中支点截面纵向变形

Fig.10 Longitudinal deformation of left middle fulcrum

4 存梁期对拼宽梁桥变形的影响研究

4.1 拼接处新旧梁竖向变形差分析

通过表3的计算可知,随着存梁期增加,拼接处的旧梁竖向下挠逐渐减小,而拼接处的新梁由下挠变为上挠并逐渐增加.

表3 收缩徐变作用下不同存梁期的拼接处新旧梁竖向变形值Table 3 Vertical deformation of the beams in different beam-preserving periods by shrinkage and creep mm

左边跨及中跨跨中的拼接处新旧梁的竖向变形差如图11所示.存梁期为1个月时,拼接处新旧梁在运营10 a后的左边跨截面的竖向变形差达12 mm,对结构特别不利.

因此,从拼接处新旧

图11不同存梁期内的拼接处新旧梁竖向变形差

Fig.11 Vertical deformation of the beams in difference beam-preserving periods

梁竖向挠度差变化分析,存梁期应考虑选择3个月以上.

4.2 新旧梁横向变形分析

新旧梁受不同存梁期影响,在旧桥运行20 a,拼宽桥运营10 a的横向变形情况如图12所示.随着存梁期的增加,新旧主梁在支点处的横向变形也逐渐减小.其中,存梁期为1个月时,支点处主梁的横向位移最大约为25 mm,而存梁期为3个月时,支点处主梁的横向位移最大约为20 mm.因此,从拼接处新旧梁横向挠度差变化分析,存梁期应考虑选择6个月以上.

4.3 拼接处新旧梁纵向变形差分析

通过表4可知,随着存梁期的增加,拼接处旧梁在支点处的水平纵向变形逐渐减小,而拼接处的新梁则逐渐增加.

图12 不同存梁时间的支点截面横向变形Fig.12 Lateral deformation of fulcrum section of different beam-preserving time(a)—左端支点截面; (b)—左中支点截面

mm

左边跨及中跨跨中的拼接处新旧梁的纵向变形差如图13所示.存梁期为1个月时,拼接处新旧梁在运营10 a后的左边跨截面的纵向变形差约达24 mm,对结构特别不利,而存梁期为3个月时,拼接处新旧梁在运营10 a后的左端支点的纵向变形差约达19 mm,同样对结构不利,6个月后则主梁纵向变形相对平滑.因此,从拼接处新旧梁纵向挠度差变化分析,存梁期应考虑选择6个月以上.

图13 不同存梁期内的拼接处新旧梁纵向变形差

5 结 论

通过对不同存梁期和新旧梁运营时间下的新旧梁竖向、横向和纵向等的变形分析可得出如下结论:

(1) 在考虑收缩徐变对拼宽桥线形的影响时,可忽略新旧桥梁的运营时间差影响.

(2) 建议拼宽用新梁在预制完成后,存梁期宜取为6个月以上.存梁期过短,会引起新旧梁三向变形过大,对结构受力不利;如存梁期选择为一个月,会引起拼接处新旧梁的竖向和纵向错动过大,对结构受力十分不利.当施工工期紧张,选择3个月存梁期时,建议适当增加拼接处横隔板及湿接缝的刚度,避免运营阶段过大的变形差引起纵向和竖向开裂.