沉降差對小箱梁橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)拓寬后受力影響研究*

王 杰 劉 錢 雷 笑 曹 實(shí)

(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院1) 南京 210098) (溫州市高速公路投資有限公司2) 溫州 325000)

沉降差對小箱梁橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)拓寬后受力影響研究*

王 杰1)劉 錢2)雷 笑1)曹 實(shí)1)

(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院1)南京 210098) (溫州市高速公路投資有限公司2)溫州 325000)

簡支小箱梁橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)橋梁在拓寬改造中，基礎(chǔ)不均勻沉降差對結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生不可忽視的影響.基于浙江甬臺(tái)溫高速公路樂清高架橋梁拓寬工程，在對六跨一聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場沉降監(jiān)測的基礎(chǔ)上，建立了有限元實(shí)體模型，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)得到的沉降曲線，對預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)拼接后因基礎(chǔ)不均勻沉降引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行了分析，總結(jié)了沉降影響下橋面板連續(xù)端接縫的受力狀態(tài)及特點(diǎn).

橋梁工程；混凝土；沉降；小箱梁；有限元

0 引 言

高速公路中大量應(yīng)用的多跨混凝土簡支梁橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)在拓寬拼接時(shí)，新舊橋梁的基礎(chǔ)不均勻沉降差對結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生的影響是無法避免的問題.拼接后因?yàn)樾隆⑴f橋梁存在橋墩基礎(chǔ)不均勻沉降位移差，同時(shí)新、舊橋梁的混凝土齡期存在差異，使得新舊橋梁拼接縫處以及新舊橋橋面板連續(xù)端處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài).

為減輕基礎(chǔ)不均勻沉降差對新舊橋拼接縫處的破壞，許多學(xué)者進(jìn)行了有價(jià)值的研究.吳勝發(fā)等[1-2]分別采用有限元和結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法，計(jì)算分析了橋梁改建過程中，新舊橋基礎(chǔ)不均勻沉降在上部結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的內(nèi)力及變形.劉暢等[3]提出將地基模擬為彈性支座的有限元方法，將上部結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)作為整體分析，研究地基不均勻沉降對橋梁上部結(jié)構(gòu)的影響.吳文清等[4]以京滬高速公路江蘇段擴(kuò)建工程中某寬幅空心板簡支梁橋?yàn)楸尘埃\(yùn)用MIDAS有限元，對梁板橋拓寬后新橋各主梁沉降變形分布模式進(jìn)行了研究.吳文佑等[5]以合寧高速公路擴(kuò)建工程為背景，對高速公路橋梁拓寬中新舊橋沉降差進(jìn)行了分析，根據(jù)橋梁橫向拼接后的工后沉降差以及實(shí)測資料，提出了控制橋梁基礎(chǔ)沉降的技術(shù)對策.宗周紅等[6]對某兩跨箱梁橋進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，分析不均勻沉降對既有橋梁拓寬改造中新舊橋縱向接縫的影響.郝付軍等[7]以某混凝土連續(xù)空心板梁為工程背景，利用有限元建模，研究了連續(xù)空心板梁拓寬時(shí)新舊地基沉降差對結(jié)構(gòu)受力的影響.文中依托甬臺(tái)溫高速拓寬中的樂清高架橋某六跨預(yù)應(yīng)力小箱梁簡支連續(xù)橋的拓寬拼接設(shè)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測所得的沉降變形曲線，在新、舊混凝土基礎(chǔ)不均勻沉降作用下建立計(jì)算模型，選用三種不利工況，對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力進(jìn)行了分析，為預(yù)應(yīng)力小箱梁的合理拼接提供參考.

1 構(gòu)造形式及模型的建立

1.1 結(jié)構(gòu)形式

以甬臺(tái)溫高速拓寬中的樂清高架橋?yàn)楸尘埃瑯非甯呒芪挥陴_(tái)溫高速，舊橋左幅共442跨，右幅共441跨，橋梁全長8.777 km，其中絕大部分上部結(jié)構(gòu)形式采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡支小箱梁，橋面連續(xù)結(jié)構(gòu)，拼接縫構(gòu)造見圖1.

圖1 拼接縫構(gòu)造圖

1.2 模型的建立

利用有限元方法建立結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型，由于結(jié)構(gòu)對稱，因此施加對稱邊界條件簡化為3跨進(jìn)行處理.為了得到比較詳細(xì)的拼接縫處的受力狀態(tài)，在新舊橋拼接縫處對單元進(jìn)行了細(xì)分.模型整體結(jié)構(gòu)采用三維實(shí)體單元，梁體與橋面鋪裝分別為C50和C40混凝土.

圖2 小箱梁橋面連續(xù)實(shí)體模型

2 沉降差對新舊橋拓寬橋面板的影響

2.1 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)及工況的確定

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過Origin數(shù)據(jù)擬合，得到沉降監(jiān)測的兩條曲線，沉降變形曲線見圖3.

圖3 不同工況下沉降變形曲線

對模型施加沉降曲線，并設(shè)定三種工況進(jìn)行模擬分析及對比，見圖4.三種工況為：①工況1，橋墩1到橋墩4都按沉降監(jiān)測曲線1沉降；②工況2,橋墩1到橋墩4都按沉降監(jiān)測曲線2沉降；③工況3，橋墩1,3,4按沉降監(jiān)測曲線1沉降，橋墩2按沉降監(jiān)測曲線2沉降.

圖4 橋墩示意圖

2.2 沉降差對橋面板接縫的影響

沉降監(jiān)測曲線1條件下橋面板主應(yīng)力云圖見圖5.

圖5 新舊橋基礎(chǔ)不均勻沉降作用下的橋面板主應(yīng)力云圖

由圖5可知，橋面板接縫梁端處的應(yīng)力較大，所以提取數(shù)值位置見圖6.

圖6 橋面板提取數(shù)值位置示意圖

新舊橋基礎(chǔ)不均勻沉降作用下的橋面板計(jì)算點(diǎn)位置(1,2,3)主應(yīng)力結(jié)果分析見圖7.

圖7 沉降監(jiān)測曲線1不均勻沉降得到的主應(yīng)力

由圖7可知，受新舊橋基礎(chǔ)不均勻沉降作用影響最大的是舊橋橋面板連續(xù)端處.上緣、下緣都呈現(xiàn)為受拉的應(yīng)力狀態(tài)，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)于舊橋第1片梁的橋面板梁端連續(xù)部位，為2.80 MPa.與舊橋橋面板相比，新橋橋面板拼接縫梁端受不均勻沉降作用的影響較不明顯，其中最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在橋面板的最外端，為0.91 MPa.

工況2沉降監(jiān)測曲線2條件下橋面板主應(yīng)力云圖及橋面板主應(yīng)力變化曲線見圖8.

圖8 沉降監(jiān)測曲線2不均勻沉降得到的橋面板圖主應(yīng)力圖

由圖8可知，受新舊橋基礎(chǔ)不均勻沉降作用影響最大的是舊橋橋面板連續(xù)端處.其上緣與下緣皆為受拉的應(yīng)力狀態(tài).最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在舊橋第1片梁的橋面板梁端連續(xù)部位，為2.00 MPa.新橋橋面板拼接縫梁端并未受到基礎(chǔ)不均勻沉降作用的明顯影響，其中最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在橋面板的最外端，為0.39 MPa.

工況3條件下橋面板主應(yīng)力云圖見圖9.

圖9 新舊橋基礎(chǔ)不均勻沉降作用下的橋面板主應(yīng)力云圖

由于工況3考慮了兩種沉降曲線，所以現(xiàn)在分別對這兩種沉降曲線的橋面板主應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行討論：

1) 在沉降監(jiān)測曲線1的橋墩處，橋面板拼接縫梁端處計(jì)算點(diǎn)位置(1,2,3)的主應(yīng)力見圖10.

圖10 使用兩種沉降曲線下沉降監(jiān)測曲線1得到的主應(yīng)力

由圖10可知，三種工況下受新舊橋沉降差作用影響最大的部位皆為舊橋橋面板連續(xù)端.對比工況1，舊橋橋面板連續(xù)端的上緣、下緣皆為受拉，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在舊橋第1片梁的橋面板梁端連續(xù)部位，為2.68 MPa.新橋橋面板連續(xù)端受不均勻沉降作用的影響并不明顯，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)于橋面板的最外端，為0.89 MPa.

2) 在沉降監(jiān)測曲線2的橋墩處，橋面板拼接縫梁端處計(jì)算點(diǎn)位置(1,2,3)的主應(yīng)力見圖11.

圖11 使用兩種沉降曲線下沉降監(jiān)測曲線2得到的主應(yīng)力

由圖11可知，三個(gè)工況中，受新舊橋基礎(chǔ)不均勻沉降作用影響最大的皆為舊橋橋面板連續(xù)端.對比工況2，舊橋的橋面板連續(xù)端的上緣、下緣皆為受拉，其中最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在舊橋第1片梁的橋面板梁端連續(xù)部位，為2.03 MPa.新橋橋面板連續(xù)端受新舊橋基礎(chǔ)不均勻沉降作用的影響并不明顯，其中最大拉應(yīng)力位于橋面板的最外端，為0.86 MPa.如果存在不同的沉降曲線，對比工況2和工況3時(shí)，新舊橋基礎(chǔ)不均勻沉降作用對新橋、舊橋橋面板連續(xù)端處的影響都會(huì)增加，其中對新橋橋面板連續(xù)端處的應(yīng)力增加的幅度要遠(yuǎn)大于舊橋橋面板連續(xù)端處的應(yīng)力增加的幅度.

3 結(jié) 論

1) 對比工況1和工況3，可以看出，如果存在不同的沉降曲線，對舊橋和新橋的橋面板的影響都會(huì)減小，所以工況1對比工況3屬于不利工況.

2) 對比工況2和工況3，可以看出，如果存在不同的沉降曲線，對舊橋橋面板連續(xù)端處的影響會(huì)增加，對新橋橋面板連續(xù)端處的影響會(huì)增加且比舊橋增加的幅度要大的多，所以工況3對比工況2屬于不利工況.

3) 在最不利工況中，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在舊橋第1片梁的橋面板梁端連續(xù)部位，值為2.80 MPa，超過C40混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.39 MPa.

[1] 吳勝發(fā),孫作玉.地基不均勻沉降對上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響[J].廣州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,4(3):261-266.

[2] 王學(xué)軍.基礎(chǔ)沉降對加寬橋梁上部構(gòu)造的影響分析[J].中國港灣建設(shè),2006,17(6):11-13.

[3] 劉暢,鄭剛.地基不均勻沉降對上部結(jié)構(gòu)影響的彈性支承分析法[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2004,25(4):124-128.

[4] 吳文清,楊松,張立志.梁板橋拓寬后新橋各主梁沉降變形分布模式研究[J].橋梁建設(shè),2014,44(4):75-79.

[5] 吳文佑,吳文清,葉見曙.預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁拓寬的若干關(guān)鍵問題研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2009(8):19-21.

[6] 宗周紅,夏樟華, 陳宜言,等.既有橋梁拓寬改造縱向接縫研究現(xiàn)狀與實(shí)例分析[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào),2009(2):248-260.

[7] 郝付軍,武電坤.基礎(chǔ)沉降對連續(xù)空心板梁拓寬影響研究[J].河南城建學(xué)院學(xué)報(bào),2011,20(5):11-15.

Study on the Force Infection of Differential Settlement on Girder Bridge after Continuous Bridge Deck Structure Broaden

WANGJie1)LIUQian2)LEIXiao1)CAOShi1)

(CollegeofCivilandTransportationEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)1)(WenzhouExpresswayInvestmentCo.Ltd.,Wenzhou325000,China)2)

Differential settlement of foundation has a bad influence on the structure during the widening of small box girder bridge continuous bridge. Taking broadening bridges of Ningbo-Taizhou-Wenzhou highway as the research object, the finite element entity model is established based on the monitoring of differential settlement of the prestressed concrete small box girder bridge with six spans. Using the settlement curve obtained from the monitoring data, the structure stresses caused by differential settlement of the foundation are analyzed after the prestressed concrete small box girder bridge joining together. Then the stress state and characteristics of beam bridge panel seams are summarized under the influence of the settlement.

bridge engineering; concrete; settlement; small box girder; finite element

U445.6

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.024

2017-08-27

王杰(1992—)：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)闃蛄涸O(shè)計(jì)理論與結(jié)構(gòu)分析

*浙江省交通運(yùn)輸廳科研計(jì)劃項(xiàng)目資助(2014H27)