预应力混凝土简支空心板拼宽研究分析

谢玉萌， 朱自萍

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司;公路交通节能环保技术交通运输行业研发中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

近年来，我国经济处于高速增长的状态，促使公路交通量持续增加。许多高速公路都是双向四车道，已经无法满足当前的交通需求，需要对其进行拓宽[1,2]。

我国运营的中小跨径桥梁中，空心板桥数量较多，空心板拓宽连接基本都是上部结构连接，下部结构不连，而上部结构主要是通过湿接缝进行连接[3,4]。

本文结合实际工程项目，对20 m预应力混凝土简支空心板拼宽处的湿接缝受力进行研究分析，并结合有限元计算结果，确定拼接处湿接缝的受力模式，从而进行配筋设计。并给出一些控制湿接缝裂缝发生的建议。

1 工程概况

既有桥梁结构形式为装配式预应力混凝土简支空心板(20 m)，共11片空心板，主梁高度0.90 m。既有桥梁段边板宽1.435 m，中板宽1.17 m。拼宽段装配式预应力混凝土简支空心板(20 m)，共5片空心板。主梁高度0.95 m，外侧边板宽1.62 m，内侧边板宽1.24 m，中板宽1.24 m。空心板标准拼宽横断面布置如图1所示。既有桥梁段和拼宽桥梁段通过湿接缝连接，湿接缝宽39.5 cm，厚19 cm。

图1 空心板标准拼宽横断面图(单位：cm)

2 接缝纵向受力分析

2.1 计算模型

采用MIDAS Civil梁格法进行建模，如图2所示，纵向梁格的刚度按各片空心板的刚度进行选取，横向梁格截面为空心板的顶板截面，并通过释放梁端约束的方式来模拟空心板的铰接。为模拟铰接构造，在计算模型中释放了新、旧空心板接缝横梁端节点的角位移，使其能够转动，传递剪力但不传递弯矩。这样的处理方式与实际情况较吻合。

图2 Midas Civil整体梁格模型图

拼宽桥梁的施工过程见表1，其中CS1为旧桥施工，实际建造年限考虑了12年的收缩徐变，CS2～CS3为新桥空心板施工，CS4为新桥存梁等待时间，CS5阶段是二期铺装，CS6为浇筑混凝土后的收缩徐变，总计考虑3 650 d。

表1 施工流程图

2.2 计算结果

整体模型计算完成后，可以得出拼接缝处纵向受力，对拼接缝处进行RC截面配筋设计。本次梁格模型对接缝处纵向进行使用阶段正截面抗弯验算、使用阶段斜截面抗剪验算、使用阶段裂缝宽度验算。接缝处纵向配筋情况为：上缘配置3根直径为12 mm的钢筋，下缘配置3根直径为12 mm的钢筋，抗剪钢筋直径为12 mm。从结果上看承载能力和裂缝宽度均可以满足要求。

3 接缝横向受力分析

3.1 计算模型

采用三维有限元软件MIDAS Fea建立实体有限元模型，车辆荷载选用55 t标准车进行加载,其在桥梁纵向布置情况如图3所示,桥长20 m，重车车轮布置在跨中位置。

图3 车辆荷载纵向布置形式

车辆荷载横向布置采用两种方式，如图4所示。工况一为偏载模式，此时接缝上缘横向拉应力最大,下缘横向压应力最大。工况二为重车车轮作用在拼接缝处模式，此时接缝下缘横向拉应力最大，上缘横向压应力最大。

图4 车辆荷载横向布置形式

3.2 计算结果

分别进行持久状况抗裂验算和最大压应力验算，并考虑升温组合和降温组合，抗裂计算结果是接缝处横桥向最大拉应力为8.3 MPa，发生在接缝下缘支点处角点，范围较小，接缝上缘跨中最大横桥向拉应力为1.9 MPa，接缝上缘支点拉应力在5～8 MPa，拉应力支点较大，从支点到跨中整体递减。压应力验算结果为接缝处横桥向最大压应力为18 MPa，发生在接缝下缘支点处。

4 沉降计算

对于拓宽桥梁，由于修建时间较长，原桥基础沉降已基本完成，而拼宽部分的基础还有可能发生沉降，整体沉降差必然存在，沉降差会在桥梁梁体，特别是拼接纵缝中产生不利影响，进而影响结构安全及正常使用。假设新桥基础沉降按线性规律反映到新桥空心板，基础沉降模拟如图5所示，分别取新桥最大沉降量为3、5 mm进行分析。

图5 基础沉降模拟示意图(以5 mm为例)

表2汇总了新桥线性最大沉降分别为3、5 mm时接缝单元上、下缘最大应力。以受拉为“+”，受压为“-”。

表2 沉降引起的接缝混凝土应力

由表2可以发现，沉降引起的接缝混凝土应力随着沉降量的增加而增大的趋势。在设计时应对新建桥梁基础进行相应的处理，以保证其沉降值在许可的范围之内。

5 接缝支点加厚处理后计算结果

针对接缝支点处拉应力较大情况，采用支点加厚处理，加厚高度为老空心板的高度，总高90 cm，纵向加厚长度为40 cm，进行抗裂验算。接缝处横桥向最大拉应力为6.7 MPa，发生在接缝支点上缘，范围较小，加厚端下端拉应力最大为6.6 MPa，支点加厚之后拉应力水平会降低。

支点加厚之后，沉降计算见表3，可以发现沉降引起的接缝混凝土应力水平有所降低，但是支点上缘和下缘拉应力仍然较大，因此在设计时应对新建桥梁基础进行相应的处理，以保证其沉降值在许可的范围之内。

表3 沉降引起的接缝混凝土应力(支点加厚处理)

6 结 论

通过建立全桥实体有限元模型，研究既有桥梁拼宽湿接缝在荷载作用下受力情况，给出以下几点建议：

(1)接缝在梁端部受力较大，支点需采用加厚处理，并在接缝处支点纵向1.5 m范围内，加强配筋。

(2)支点1.5 m范围内将桥面铺装层内的钢筋直径变为16 mm，以提高湿接缝桥面处抗裂能力。

(3)由于沉降产生的横向拉应力水平较高，应适当加大桩长、桩径，控制新桩总的沉降量，如工期允许，建议延后新老空心梁的拼接时间，可在吊装完新空心梁后放置6个月以上时间，既可减小新、老空心板的收缩徐变差的影响，也可降低新老基础的沉降差。

(4)可以在接缝处采用高性能混凝土。