錯位橫隔梁既有T梁拓寬設計、施工探究

袁 野，孟金懿

(中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

1 引言

隨著社會經濟的飛速發展，運輸量的不斷增加與現有公路通行能力不足的矛盾日益突出，對既有橋梁進行拓寬擴建是一個既能增加交通運輸能力又能減少工程建設投資帶來較大經濟效益的最佳選擇[1～4]。國內舊橋拓寬擴建大多采用“下部不連接，上部連接”的拼接方案，上部連接常用剛性連接[5]。因此，上部結構剛性連接是關系到拓寬工程成敗的關鍵問題之一，上部結構為T梁的舊橋拓寬，除拓寬橋梁基礎不均勻沉降對受力特性的影響、混凝土收縮徐變對受力特性的影響、拼接時機的選擇、拼接施工工藝的控制等常規性問題外，由于既有橋梁大多按照前期交通部頒發公路橋梁通用圖集進行修建[1]，舊橋橫隔梁數量與新規范不一致，造成錯位不等數量橫隔梁的剛性連接施工技術成為T梁橋拓寬施工的關鍵[6]。

2 工程背景

既有青口互通為沈海和福銀高速交通轉換的半定向Y型立交橋梁群，隨著交通流量的增加，為形成更好的交通流轉換服務，2013年經交通運輸部批準對該互通進行原位改擴建。擴建中將需既有福銀高速青口互通段青口2#高架橋進行拓寬[7]，青口2#高架橋需拓寬長度為840 m，下部構造為柱式墩、鉆孔灌注樁基礎，上部結構為預應力混凝土簡支T梁。原橋橋面寬度11 m，兩側設0.5 m防撞護欄，設計汽車荷載為汽車-超20，掛車-120。原橋采用5片30 m長預制混凝土T梁，梁高2 m，邊梁翼板寬2 m。拓寬后根據線型要求，拓寬部分橋面凈寬從5.8～16.4 m不等，對應T梁片數為2～7片，拓寬上部結構采用等跨徑30 mT梁[8]。新舊橋上部結構剛性連接橫隔梁內采用Φ32精軋螺紋鋼進行連接(圖1)。

3 拓寬原則及關鍵工藝

(1)連接形式確定。T型橋梁拓寬中，新舊橋之間的連接形式分為：①上下部結構均不連接，②上下部結構均連接，③上部結構連接，下部結構不連接3種形式。對比三種形式，從后期維護、橋面行車舒適度等角度考慮，采用上部結構連接，下部結構不連接的形式，上部采用剛性連接。

(2)新舊規范影響。在橋梁的拼寬設計中，舊橋采用的是舊的設計標準，新橋的設計標準應就高不就低。新舊規范的差異導致新舊橋T梁的拼接橫隔梁除端橫梁與中橫梁一致外，其他橫隔梁沿縱橋向相互錯位，存在應力沿 Z形路徑折線傳遞的問題[9]。考慮模板制造成本，施工工期等角度，確定最優的新、舊橋梁橫梁拼接方式為新舊橋拼寬設計關鍵。

(3)新舊橋上部剛性連接工藝。新、舊橋拼接時，通過橫隔梁的精軋螺紋鋼連接，消除整體撓度差[10]。精軋螺紋鋼在舊橋上的準確定位及高效快速安裝是控制整個拓寬施工進度與質量的關鍵[11]。

(4)在施工時應采取必要管理與技術措施，合理控制拼寬時機，采用有效的基礎處理、接縫材料選擇等措施確保拼接施工質量[14]。

4 錯位橫隔梁拼接設計

4.1 研究方向

新、舊橋拼接時，通過橫隔梁將新、舊橋主梁的腹板連接，消除整體撓度差。福銀高速青口互通段青口2#高架橋舊橋截面形式為T梁橋，30 m預制T梁通過2片端橫梁、1片中橫隔梁和4片約在L/6處共計7片橫隔梁將T梁橫向聯系在一起。新規范30 m預制T梁為5道橫隔梁，除端橫梁和中橫梁外，其余三道橫隔梁沿縱橋向相互錯位，存在應力沿Z形路徑折線傳遞的問題。通過詳細的有限元分析來確認該拼寬技術的可行性及影響程度，確定舊橋梁橫梁拼接方式[16]。

4.2 有限元模型分析

按主梁與支座用彈性連接模擬，主梁頂部中心節點和支座頂部節點用剛性連接模擬。采用橋梁專業軟件 MIDAS/CIVIL進行分析計算，全橋共1082個節點，2666個梁單元。

按設置9個橫隔梁進行建模分析。新、舊橋主梁間橫隔梁一一對應拼接，共需9片橫隔梁，分別布置于支點處、 L/6、L/3、L/2、2L/3和 5L/6處。利用模型分析作用于新橋汽車荷載橫橋向布載最不利工況后，進行承載能力極限狀態與正常使用極限狀態驗算，確定橫隔梁連接個數及形式(圖2)。

4.2.1 汽車荷載橫橋向布載方式

根據 MIDAS/CIVIL計算得到新橋 7#T梁(即與舊橋拼接的 T梁)跨中影響線，并按規范沿橫向布設汽車荷載，分別布設 2車道、3車道和 4車道，計算得到 2車道、3車道和 4車道的汽車輪載影響線豎標總和分別為 0.889、0.882和 0.852，由于 3車道和 4車道需要考慮橫向折減系數。新橋 7#T梁最不利汽車荷載工況是 2車道布載形式(圖3)。

4.2.2 承載能力極限狀態驗算

按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》[2]第 5.2.2條規定進行抗彎承載力驗算。在承載力極限狀態下，預應力不作為荷載，而作為結果抗力的一部分。正截面抗彎承載力驗算、斜截面抗剪承載力驗算如圖4、圖5所示，均能滿足要求。

圖4 正截面抗彎承載能力

圖5 斜截面抗剪承載能力

4.2.3 正常使用極限狀態驗算

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)，使用階段預應力混凝土受彎構件在標準荷載組合作用下σkc+σpt≤ 0.5fck=16.2 MPa，使用階段預應力混凝土的斜截面主壓應力應滿足σcp≤0.6fck=19.44 Mpa，在消除結構自重產生的長期撓度后梁式橋主梁的最大撓度處不應超過計算跨徑的1/600，最小容許撓度值為50 mm。經計算新橋T梁正截面法向壓應力、斜截面主壓應力及結構剛度均滿足要求(圖6、圖7、圖8)。

圖6 正截面法向壓應力

圖7 斜截面主壓應力

圖8 正常使用狀態下主梁撓度包絡圖

4.3 橫隔梁受力驗算

根據MIDAS/CIVIL計算得到9片橫隔板拼接時新、舊橋跨中拼接橫隔板影響線[4]，按照《公路橋梁橫向荷載分布計算》(第二版)及偏心壓力法原理進行橫隔板內力計算，沿橫向按2車道布設汽車荷載。

計算彎矩效應時：Poq=1/2×(280+10.5×5)=166.3 kN。

計算剪力效應時：Poq=1/2×(366+10.5×5)=194.3kN。

2車道彎矩計算：M=(1+μ)ζPoq∑η=1.168×1×166.3×(0.77+0.26+0.1-0.03)=214 kN·m，所受剪力值，偏安全考慮，假定拼接橫隔板不傳遞剪力，此時拼接橫隔板所受最大剪力為194.3 kN。

經驗算，抗剪承載力偏安全考慮，不考慮T梁間的混凝土連接，僅計算預應力精軋螺紋鋼筋，剪應力為178 MPa小于預應力精軋螺紋鋼筋容許剪應力 270 MPa；承載能力極限狀態下，彎矩效應值分別為 425 kN·m，小于拼接截面抗彎承載能力值 514 kN·m，故拼接橫隔梁抗剪、抗彎承載能力均滿足規范要求。

4.4 橫隔梁確定

新、舊預應力混凝土 T梁橋采用 9片橫隔梁進行拼寬連接，橫隔梁內設4根Φ25的精軋螺紋鋼進行連接。進行新橋和舊橋全橋受力分析時，較為不利的汽車荷載橫向布載方式為 2車道，承載能力極限狀態下，新橋 T梁正截面抗彎承載力和斜截面抗剪承載力滿足要求；正常使用極限狀態下，新橋 T梁正截面法向壓應力、斜截面主要應力和結構剛度驗算均滿足要求。

5 精軋螺紋鋼施工

新舊橋連接橫隔梁的預應力精軋螺紋鋼施工包括舊橋鉆孔、清孔，預應力精軋螺紋鋼穿孔，施作梁體防變形的預楔緊裝置，預應力精軋螺紋鋼張拉，注漿封孔固化養護。

5.1 楔緊裝置

對于T形梁橋的拓寬，在原邊T梁和新拓寬T梁之間必須設置剛性連接，剛性主要通過增設內置預應力高強度精軋螺紋鋼的連接橫隔梁實現[13]。本工程預應力高強精軋螺紋鋼筋采用Φ25的15Mn3SiB，單個橫隔梁設4根，配套JLM25型錨具一孔共72套。待加寬橋各T梁架設完畢并預壓空置半年后，張拉預應力高強精軋螺紋鋼筋，預應力高強度精軋螺紋鋼在張拉前為防止預制T梁梁體變形，常規采用對扣[25]槽鋼加兩端各設1 cm厚鋼板進行抄墊楔緊的結構[12]。

連接橫隔梁的施作存在懸空作業、操作空間狹窄等施工難度，預應力高強度精軋螺紋鋼張拉前的新舊橋T梁防變形預楔緊施工工藝往往成為制約工程安全、質量與進度的關鍵點。常規工藝用鋼量大、施工進度緩慢、材料消耗量高、預楔緊強度不夠、負重懸空作業安全風險高等施工難點。福銀高速青口互通段青口2#高架橋既有T梁拼寬新舊橋連接橫隔梁精軋螺紋鋼張拉時防止梁體變形設備采用可調桿件體系臨時支撐結構，整個體系由主要受力構件盤扣支架立桿，抄墊預楔緊鋼板以及可調頂托組成，主要受力構件采用3根盤扣支架立桿，通過連接鋼筋與抄墊鋼板將構件形成一個整體，通過可調頂托調整整個支撐體系長度，是新舊梁體有效連接，以滿足預應力高強度精軋螺紋鋼在張拉前為防止預制T梁梁體變形的預頂緊剛度要求。該可調桿件體系臨時支撐結構具有現場拆卸方便，新舊梁體楔緊剛度高，用鋼量少，可循環使用次數高，大幅度降低安全風險，節約施工工期和成本的優點(圖9、圖10)。

圖10 可調桿件體系臨時支撐結構楔緊裝置布設

5.2 舊橋鉆孔

舊橋連接橫隔梁預應力精軋螺紋鋼鉆孔前，采用電磁感應法檢測舊橋T梁預應力鋼絞線位置，結合舊橋竣工圖詳細繪制舊橋鋼絞線位置圖，并在舊橋T梁腹板面彈出波紋管位置，用紅油漆精確標明孔道的位置。由于鉆孔孔壁的粉塵可致膠體與基材隔離作用，將降低粘結性，影響精軋螺紋鋼傳力效果，所以鉆孔后清孔非常重要。

5.3 張拉及固化養生

待加寬橋各T梁架設預壓完畢后，張拉預應力高強精軋螺紋鋼筋。張拉前檢查梁體之間的楔緊裝置，張拉過程中應監測梁體的變形，張拉控制應力按0.4fpk=0.45×540=216 MPa控制，每根JL32高強精軋螺紋鋼筋錨下控制張拉力為173.3 kN。張拉完成后，向原橋、加寬橋腹板孔道內注入喜利得HY-150化學膠封孔，再立模澆筑補償收縮混凝土，現澆混凝土強度達到80%后方可拆除新舊橋梁體之間的楔緊裝置，橫隔板連接施工完成后需在錨具上涂上環氧樹脂[18]。

5.4 橫隔梁混凝土澆筑

拼接橫隔梁及濕接縫均采用C50UEA補償收縮混凝土。先進行新舊橋連接橫隔板混凝土澆筑，再進行濕接縫混凝土澆筑。在普通水泥混凝土中摻入UEA膨脹劑，拌水后早期生成大量膨脹性結晶水化物(鈣礬石)，在混凝土內導入一定的膨脹應力即壓應力，部分或全部補償混凝土干縮、冷縮產生的拉應力，從而阻止或減小混凝土的收縮，避免混凝土的收縮值超過混凝土的極限拉伸值，防止或減少混凝土的開裂，達到抗裂防水目的。

6 結論及展望

(1)既有橋梁拓寬改造中新舊橋梁縱向連接因新舊規范的差異，出現橫隔梁錯位、數量不等，導致應力沿 Z形路徑折線傳遞的問題[15]，接縫類型、橫隔梁連接形式、橫隔梁選擇等是決定橋梁拓寬縱向連接成敗的關鍵，采用9道橫隔梁連接能有效處理該情況。

(2)對于T形梁橋拓寬上部結構剛性連接，通過增設內置預應力高強度精軋螺紋鋼的連接橫隔梁實現[17]。采用用于既有T梁拓寬新舊橋連接橫隔板精軋螺紋鋼張拉時防止梁體變形的可調桿件體系臨時支撐結構對新舊橋梁體進行楔緊，相比常規25C槽鋼對扣施工工藝，減少鋼材用量，加快工作效率，減少高空作業施工隱患，大范圍減少施工成本。

(3) 考慮收縮徐變對接縫受力的影響選擇收縮補償混凝土作為接縫材料，選擇6個月作為合理的存梁時間 (預制橋梁 )和靜置時間能有效解決梁體不均勻沉降及縱向裂縫問題。