一联两端采用钢板拼接的拓宽长联桥梁结构验算方法

■李占锋

(河北省高速公路石安改扩建筹建处，邯郸 050000)

1 前言

五跨内连续的混凝土连续梁桥内力分布情况不会发生较大变化，仅需考虑温度效应对支座伸缩量的影响，故跨数达到或超过五跨时称为多跨长联混凝土连续梁桥(简称长联桥梁)[1]。伴随着施工经验的成熟和施工装备的完善，长联桥梁的跨数已超过十跨，单联长度也已超过400m[2]。

长联桥梁可以采用常用的三种桥梁拼宽方法，但是长联桥梁新、旧混凝土收缩和徐变差的影响更为突出。方志[3]的研究成果表明新、旧桥混凝土收缩和徐变差会导致拓宽后的桥梁结构产生显著的横桥向变形。高岩[4]、严国兵[5]的研究结果表明采用翼缘刚性拼接的一次性整体拼接方式对新、旧桥结构受力有影响，并从混凝土收缩和徐变、车辆荷载和新、旧桥基础沉降差三方面提出若干条改善结构受力性能的建议。刘桂红[6]的研究表明采用刚性拼接的方式可减少新旧桥混凝土收缩和徐变差，端部宜采用刚性横梁拼接以平衡新、旧桥挠度角差，同时建议新桥建成3年后方可拼接。叶永城[7]研究了混凝土收缩和徐变、新旧桥基础沉降差和结构体系刚度等对拓宽长联桥梁受力性能的影响，而混凝土收缩和徐变需在3年左右才能趋于稳定。刘均利[8]以长联T梁桥拓宽为例，采用四种收缩和徐变模式计算了支座横向反力和主梁横向位移，认为采用不同模式进行计算得到的梁桥拓宽结论可能产生根本性改变。

因此，当新旧桥均为长联桥梁，一般采用临时结构拼接，待新桥混凝土收缩和徐变完成后凿除临时拼接结构，铺设永久拼接结构。但永久拼接结构需2～3年后施工，无法保证在桥梁施工期内完成桥梁拓宽。同时，二次拼接施工将导致建设成本高昂，且施工将对高速公路交通组织和通行造成影响。

另外，也有采用短跨与长联桥梁拼接的相关研究[9-11]：①新桥为长联桥梁，旧桥先分解为若干联再与新桥拼接；②旧桥不解联，新桥采用短跨与旧桥拼接。但是，第一种方法需凿除桥面铺装，顶升支座拆除负弯矩连接钢筋和预应力钢束，会出现车辆荷载效应增大、下部结构加固、切割预应力钢束的施工安全等问题；第二种方法并没从根本上解决混凝土收缩和徐变的影响，联端横向位移量过大时会导致新梁抵住墩台挡块，严重时会剪断挡块，影响桥梁安全，同时新旧桥结构整体刚度不匹配，桥面连续构造易发生开裂。因此，上述方法均存在不足，需要找到更加有效的长联桥梁拼宽方法。

为此，陈康明[12]等开展了混凝土收缩和徐变对拓宽后长联桥梁影响的分析，认为拓宽后长联桥梁纵、横桥向变形主要是由混凝土收缩是引起的。当长联桥梁新、旧桥主梁沿纵桥向全部拼接时，混凝土收缩和徐变产生的新桥主梁纵桥向变形受到旧桥主梁的约束，导致新、旧桥主梁在横桥向均发生弯曲变形，最大值出现在桥台或一联的过渡墩位置，同时导致旧桥支座横桥向位移过大，造成剪切破坏。基于上述研究成果，陈康明[13]等提出了一种一联两端采用薄钢板拼接(离散拼接段)，中间采用翼缘湿接缝和横梁拼接(完全拼接段)的长联桥梁拓宽方法，见图1。

为确保拓宽长联桥梁的安全性与耐久性，本文旨在介绍一联两端采用钢板拼接拓宽长联桥的全拼段湿接缝、离散拼接段桥面铺装、拼接钢板和新桥主梁等构件的验算方法；通过运营后长联桥的外观检测验证长联桥梁一联两端采用钢板拼接的有效性；提出三座长联桥梁合理的二次拼接时间。

图1 一联两端采用钢板拼接示意

2 工程背景

京港澳高速公路石安改扩建段中的三座长联多跨装配式预应力混凝土连续箱梁桥：漳河特大桥(12×30+13×30+12×30m)、支漳河特大桥(右幅：34×30m，左幅：22×30+1×19+11×30m)和洺河大桥(18×30m)。 三座长联桥梁均以“新旧桥上部结构连接、下部结构不连接”为原则进行拓宽，即采用现浇混凝土湿接缝与横隔板将新桥和旧桥的主梁沿纵桥向全部拼接。新桥与旧桥主梁的结构形式相同，分别由3片和4片单箱单室等高度箱梁组成。为缩短开始拼接的时间，三座长联桥均采用了如图1所示的拼接法，且三座长联桥两端设置三跨为离散拼接段。

3 有限元分析

3.1 模型建立

采用空间有限元计算软件MIDAS/Civil建立空间梁格杆系模型，采用梁格法建模时，将主梁作为纵桥向单元，横桥向根据实际横向刚度采用只有刚度不计重量虚拟横梁与主梁进行连接。采用板单元模拟桥面铺装，桥面铺装与主梁的连接方式为刚性连接。新旧桥的支座采用弹簧单元进行模拟，主梁与支座的连接方式为弹性连接中的刚性连接。选取漳河特大桥12孔一联主桥 (12×30m)、支漳河特大桥 17孔一联主桥(17×30m)、洺河大桥18孔一联主桥(18×30m)为分析对象，一联两端各保留三跨采用钢板进行连接的有限元计算模型如图2所示。

图2 有限元计算模型

3.2 有限元结果分析

经有限元分析，可以得到三座长联预应力混凝土连续梁桥一联两端各保留三跨采用钢板进行连接的桥梁结构，在最不利荷载组合作用下，连续拼接段范围内的现浇混凝土湿接缝和离散拼接段范围内的钢板与现浇桥面铺装层的荷载效应，以12孔一联的漳河特大桥为例，见表 1。

表1 漳河特大桥连续拼接段和离散拼接段荷载效应

4 结构验算

拓宽长联桥各构件组成及纵横桥向规定等见图3。

图3 拓宽长联桥构件组成示意图

4.1 全拼段翼缘板湿接缝

由于一联两端采用钢板拼接拓宽长联桥时，现浇湿翼缘板湿接缝长度变短，承受新旧桥不同步纵桥向变形产生的内力将变大，因此，翼缘板湿接缝除了需要根据文献[14]中公式(5.2.2)和公式(5.2.9)进行竖向抗弯和抗剪承载力验算外，还需根据公式(5.2.2)和公式(5.2.9)进行纵桥向抗弯和抗剪承载力验算。以漳河特大桥12孔一联主桥为例，全拼段翼缘板湿接缝的验算结果如表2所示，纵桥向及竖向抗弯和抗剪承载力均满足要求。

4.2 离散拼接段桥面铺装

由于离散拼接段桥面铺装下方仅有钢板支承，在车辆竖向荷载和新旧桥纵向不同步变位作用下需要根据文献[14]中公式(5.2.2)和公式(5.2.9)进行纵桥向和竖向的抗弯和抗剪承载力验算。以漳河特大桥12孔一联主桥为例，离散拼段桥面铺装的验算结果如表2所示，纵桥向及竖向抗弯和抗剪承载力均满足要求。

4.3 拼接钢板

离散拼接段采用的拼接钢板的尺寸见图4，由于钢板承受竖向车辆荷载和新旧桥纵向不同步变形的作用处于双向受弯的受力状态，需根据文献[15]中公式(5.3.1-2)进行抗弯承载力验算，根据公式(5.3.1-3)和公式(5.3.1-4)进行抗剪承载力验算。以漳河特大桥12孔一联主桥为例，拼接钢板的验算结果如表2所示，抗弯和抗剪承载力均满足要求。

图4 离散拼接段范围内的钢板的构造示意图

4.4 新桥主梁

由于混凝土徐变造成的新桥主梁竖向变形受到旧桥主梁的约束，新桥箱梁将产生扭转变形。因此，新桥箱梁除了需要根据文献[14]中公式(5.2.2)和公式(5.2.9)进行竖向抗弯和抗剪承载力验算外，还需根据公式(5.5.4)进行抗扭承载力验算。以漳河特大桥12孔一联主桥为例，新桥主梁的验算结果如表2所示，抗扭、抗弯和抗剪承载力均满足要求。

表2 连续拼接段和离散拼接段结构验算结果

5 外观检测结果

在通车运营约2年后，进行了三座长联桥的外观检测，外观检测结果表明三座长联桥主要存在以下三种病害：

(1)支漳河大桥部分支座存在剪切变形，但剪切变形较小，未出现支座剪切变形过大导致支座开裂、破坏现象，属于正常现象。说明新、旧桥主梁一联两端采用钢板拼接的拼接方法有效，可减小新、旧桥支座横桥向变形，从而缩短长联桥梁拼接时间。

(2)新旧桥拼接缝存在碱蚀裂缝，见图5。但碱蚀裂缝均出现于采用钢板连接的不拼接段。这主要是由于为使不拼接段新旧桥主梁的纵向变形不受拼接缝限制，不拼接段的拼接缝中间已采用锌铁皮隔开，因此，较多碱蚀裂缝出现于不拼接段属于正常现象，不会影响桥梁结构受力和行车安全。

(3)由于在离散拼接段仅采用钢板进行新旧桥主梁的连接，新旧桥间的横梁均未连接，在长联桥主梁端部存在较大剪切变形。因此，在长联桥新旧桥接缝与伸缩缝交界处，会引起桥面铺装开裂或伸缩缝损坏，见图6。待二次拼接时新旧桥主梁采用现浇湿接缝与横隔板连接后，可避免上述病害再次出现。

图5 离散拼接段碱蚀裂缝

图6 新旧桥接缝与伸缩缝交界处裂缝

外观检测结果表明一联两端采用钢板拼接的拼接法是一种可缩短拼接时间的长联桥梁有效拼接方法。

6 二次拼接时间确定

漳河特大桥、支漳河特大桥和洺河特大桥完成一次拼接 3个月、6个月、8个月、9个月、10个月、12个月、24个月后，新旧桥主梁最大横桥向变形增量和最大纵桥向变形增量分别如图7所示。从图7可知，漳河特大桥、支漳河特大桥和洺河特大桥在新旧桥完成一次拼接约8个月以后，混凝土收缩作用下新、旧主梁纵横向变形基本趋于稳定，各桥梁的二次拼接施工可以在一次拼接完成8个月后进行。

图7 一次拼接后新旧桥主梁横桥向变形

7 结论

(1)针对采用一联两端采用钢板拼接方法拓宽的长联桥梁，提出了全拼段翼缘板湿接缝、离散拼接段桥面铺装、拼接钢板和新桥主梁的验算方法。并进行三座采用钢板拼接法拓宽长联构件的验算，验算结果表明各构件均满足要求。

(2)外观检测结果表明三座长联桥的主要病害是：较小的支座剪切变形、离散拼接段拼接缝碱蚀裂缝和新旧桥接缝与伸缩缝交界处桥面铺装开裂或伸缩缝损坏。外观检测结果表明一联两端采用钢板拼接的方法是一种可缩短拼接时间的长联桥梁有效拼接方法。

(3)三座长联桥在新旧桥完成一次拼接约8个月以后，混凝土收缩作用下新、旧主梁纵横向变形基本趋于稳定，各桥梁的二次拼接施工可以在一次拼接完成8个月后进行。