某高速公路空心板梁横向拓宽方案研究

刘敏剑

(广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司,广东 广州 510507)

随着我国经济社会的发展,大量早期修建的公路已难以满足日益增长的交通需求。对原有道路的改扩建是解决这一问题的有效方式,而对桥梁的拓宽改造是道路改扩建的难点,一般可通过两侧加宽或者单侧分离新建桥梁的方式实现。对于中小跨径桥梁,由于工程规模小,拓宽方式服从路线总体布置,且单侧分离新建需要改造横坡、中央分隔带等,故一般采用两侧加宽方案。

预制空心板结构的优点包括梁高低,能适应各种斜度,预制、吊装方便,对地面交通影响小,工程造价较低,施工便利等,因此在中小跨径中被广泛采用。但空心板梁在运营过程中普遍病害较多[1-2]:①铰缝施工不便,施工质量难以把控,同时重载车辆反复作用下易造成铰缝脱落,导致空心板单板受力,这是空心板最常见也是最致命的病害;②底板尺寸较小,内模定位困难,造成板底厚度不足,甚至预应力筋露筋、腐蚀;③由于腹板、顶底板尺寸较小,导致梁体产生纵向裂缝。上述病害的成因除部分施工因素外,空心板结构自身也存在先天缺陷。

在桥梁改扩建中,一般采用相同截面梁型进行拼宽。但鉴于空心板的上述病害及自身缺陷,有必要对空心板结构的拼宽梁型方案进行深入优化比选。目前国内外对相同截面梁的拼宽已有较为深入的研究及实践,但对不同截面梁的拼宽研究较少[3],对此展开研究是十分必要的。本文以广东省某高速公路改扩建项目为背景,对空心板结构的拼宽梁型提出了替代性方案,对该方案进行了同深度的技术经济对比分析,可为类似桥梁拓宽设计提供借鉴。

1 预应力砼空心板桥拼宽方

以24.5 m标准宽度、16 m跨径空心板为例,对不同梁型与既有空心板拼接进行对比分析。

1.1 拼宽梁截面比选

T梁为开口截面,施工简单,质量容易控制,预制梁间采用湿接缝连接,施工可靠,整体性强,受力性能好,且同等跨径下较空心板增加不多,可作为比选梁型与空心板进行拼接。为解决传统T梁预制及运输效率低、施工前T梁自身稳定性差的问题,选取双T梁作为比选梁型。分别选取双T梁、空心板与既有空心板进行拼宽。空心板梁采用广东省标准图构造,双T梁结合经验及刚度相近、形心相近原则,梁高取90 cm,腹板厚度取35 cm。拼宽梁跨中典型横断面见图1。既有空心板及拼宽梁跨中截面特性详见表1。

图1 双T梁、空心板跨中横断面

根据上述截面特性可知:拼宽空心板抗弯刚度最大,约为既有空心板的1.33倍,拼宽双T梁抗弯刚度与既有空心板抗弯刚度接近,约为既有空心板的1.02倍;拼宽空心板、拼宽双T梁形心位置与既有空心板的形心位置均有偏差,相差约6 cm。

1.2 新旧桥桥面拼接方案

桥梁拼宽一般采用上部下部均连接,或上部连接、下部结构不连接的方式,少部分采用上部与下部均不连接的方式。3种拼接方式各有特点:①上部、下部均连接:整体性好,能减少各种荷载作用下的不均匀变形,但结构附加内力较大。②上部连接、下部不连接:新旧桥上部结构连接为整体,下部结构各自受力,不均匀沉降的附加内力可通过先吊装上部结构压重、延迟新旧桥接缝时间、增加桩长等方法减小。③上部、下部均不连接:新旧结构各自受力明确,但不均匀变形较大,路面易产生裂缝,影响行车安全舒适性,养护维修量大。

根据我国公路桥梁成熟的拓宽经验,本文采用“上部连接,下部不连接”的拼接方案[4]。旧桥单幅宽12.5 m,拓宽后单幅宽度21 m。本文方案一采用双T梁拼宽方案,方案二采用空心板拼宽方案。拼宽后横断面见图2、图3。

图2 方案一:预应力砼双T梁拼宽跨中横断面

图3 方案二:预应力砼空心板拼宽跨中横断面

图4 新旧梁拼接构造示意

图5 16 m跨空心板拼双T梁梁格模型

新旧梁之间采用弱连接方案:凿除旧桥空心板边板翼缘,并在空心板翼缘植筋,与新梁预埋钢筋连接后,现浇混凝土相连。该连接方式从沪宁高速通车运行情况看,新旧结构横向联系较好,结构的整体性好,运营后效果较好[5]。

为了进一步对两种方案进行对比,本文选取既有空心板及新旧桥拼接带作为研究对象,重点考察两种方案拼接前后既有空心板的受力以及拼接带的受力。

2 既有P.C.空心板梁内力计算

2.1 计算模型

对于预制梁结构,可采用简化的横向分布系数方法计算活载。但对于拓宽桥梁,新旧梁横向连接构造不一致,新旧梁梁体刚度甚至截面类型不一致时,按照简化的横向分布系数方法将产生较大误差。同时,既有空心板的内力应考虑温度、收缩徐变及不均匀沉降等作用。

本文采用有限元分析软件Midas Civil 2021建立空间梁格模型,对拼宽前后上部结构进行计算分析。梁格模型采用如下假定和计算原则:①梁格模型中采用2片纵梁模拟预制双T梁;②假定空心板铰缝仅传递剪力和轴力,不传递弯矩,现浇湿接缝采用刚接;③结合实际情况,新旧桥龄期差取10年;④根据国内项目实测及计算分析资料,结合本项目地质情况,假定新旧桥间不均匀沉降2 mm[6-7];⑤根据跨中剪力影响线确定每一片梁的最不利车道数及加载位置。

2.2 既有空心板内力计算

对既有空心板,分别考虑2种工况下的内力变化规律:工况1为活载单项标准值;工况2为基本组合,考虑恒载、活载、混凝土收缩徐变、温度、不均匀沉降等作用。表3列出工况1时,分别采用两种拼宽方案的既有空心板梁在拼宽前后的跨中弯矩值。表4列出工况2时,分别采用两种拼宽方案的既有空心板梁在拼宽前后的跨中弯矩值。

表3 拼宽前后既有空心板活载单项弯矩 单位:kN·m

表4 拼宽前后既有空心板基本组合弯矩 单位:kN·m

由表3、表4可知:①拼宽后,既有空心板的跨中最大正弯矩均有明显降低。越靠近拼接带,主梁的跨中弯矩降幅越大,说明旧桥拓宽对既有空心板的受力是有利的。②拼宽结构的刚度越大,既有空心板梁内力改善越大。对比方案一,采用方案二时既有空心板梁内力降幅更大,为15.6%。③拼宽对靠近拼接带的3片梁内力改善幅度较大,其余远离拼接带的梁改善幅度较小。④远离拼接带的1#、2#梁内力改善幅度较小,控制拼宽设计。无论是采用双T梁或是空心板拼宽,1#、2#梁的跨中弯矩值相差不大,工况二下1#、2#梁跨中弯矩相差0.3%。

综上分析,两种拼宽方案均能改善既有空心板的受力状况,对于靠近拼宽侧的既有空心板,方案二减载效果更好;对于远离拼宽侧的既有空心板,两种拼宽方案的减载效果相差不大。在拼宽设计中,两种方案拼宽后既有空心板关键截面的控制内力相差不大。

3 新旧桥拼接带内力计算

对于拼接带,分别考虑3种工况作用下的内力情况:工况1为活载单项标准值,活载采用车道荷载满布于新桥侧或旧桥侧;工况2为新旧桥不均匀沉降单项标准值,新旧桥不均匀沉降取2 mm;工况3为基本组合,考虑恒载、活载、混凝土收缩徐变、温度、不均匀沉降等作用。提取梁端、1/4L及跨中关键位置拼接带内力见表5。

表5 拼宽前后关键位置拼接带内力

由表5可知:①工况1作用下,新旧梁由于刚度不一致产生挠度差,从而在拼接带中产生弯矩。由新旧梁截面特性可知,拼宽空心板抗弯刚度为既有空心板的1.33倍,拼宽双T梁的刚度为既有空心板的1.02倍。在工况1下,方案二的拼接带弯矩较大。②拼宽双T梁设置有端横梁,承担了大部分的不均匀沉降内力。而拼宽空心板无端横梁,预制梁间依靠铰缝传递剪力。因此,在工况2下,方案一的拼接带内力较小,方案二的拼接带内力较大,且在梁端附近存在内力集中。③在工况3下,拼接带内力呈现两端小中间大的特征。采用方案一拼宽时,拼接带内力较小,比方案二拼接带的受力更为有利。

4 材料用量对比

表6列出双T梁与空心板的主要材料用量对比。根据表中数据,采用双T梁拼宽方案,除钢绞线用量稍多于空心板,吊装自重较大外,混凝土及钢筋材料均显著少于空心板,整幅上部重量减小12%,能相应减小下部结构的尺寸。经济性上,双T梁明显优于空心板结构。

表6 双T梁与空心板主要材料指标对比表

5 结论

(1)鉴于空心板自身受力特点及运营过程中出现的病害现状,对于旧桥采用空心板的桥梁,在改扩建时宜考虑替代性的拼宽梁方案,尽量避免采用空心板结构。

(2)预应力砼双T梁作为开口截面,施工简单,质量容易控制,预制梁间采用湿接缝连接,整体性强,受力性能好。对比空心板梁拼宽,采用双T梁拼宽同样能改善旧桥空心板受力状况,且新旧桥间拼接带受力更优。

(3)对比空心板梁,双T梁除钢绞线用量稍多,其余主要材料均显著少于空心板,上部结构自重较空心板梁降低12%,能相应减小下部结构尺寸。双T梁更具经济性。