基于有限元模型的高速公路改擴(kuò)建橋梁拼接施工關(guān)鍵點(diǎn)分析

■林法平

（福建省閩西交通工程有限公司，龍巖 364000）

我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，早期建設(shè)的部分高速公路無法滿足物流工程及人民交通出行的需求，改擴(kuò)建是提升交通通行能力、解決早期路網(wǎng)建設(shè)不足的最直接的方法。 相較于重新規(guī)劃新路線，高速公路改擴(kuò)建工程在提高交通運(yùn)輸作用的同時可以大大節(jié)約建設(shè)成本， 促進(jìn)我國交通運(yùn)輸業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)結(jié)合實(shí)際工程的施工特點(diǎn)和難點(diǎn)，因地制宜地開展高速公路改擴(kuò)建工程中橋梁拼接工程。 高速公路改擴(kuò)建工程的新舊基礎(chǔ)沉降差異直接影響到橋梁的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力和強(qiáng)度，特別是在混凝土梁橋拼接應(yīng)用中，新舊混凝土結(jié)構(gòu)的不協(xié)同變形特性將對橋梁拼接施工造成影響[1]。 因此，新舊橋梁拼接區(qū)域施工技術(shù)直接決定了高速公路改擴(kuò)建工程的橋梁拼接效果和施工質(zhì)量，如新舊橋梁混凝土差異、新舊基礎(chǔ)沉降、拼接方式及拼接區(qū)域荷載等都會對橋梁拼接施工質(zhì)量造成影響，尤其是橋梁拼接形式的選擇十分重要。 綜上所述，研究橋梁拼接技術(shù)在高速公路改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用，對保證施工質(zhì)量、降低施工成本具有重要現(xiàn)實(shí)意義與研究價值。

1 工程概況

1.1 工程介紹

泉南高速是國家“7918”高速公路網(wǎng)中的第15 橫，項(xiàng)目起于福建晉江，終于廣西南寧，途徑江西、湖南多省。本項(xiàng)目依托工程位于泉南高速某路段，于2009 年建成通車， 隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和區(qū)域交通流量的增大，已頻繁出現(xiàn)擁堵，原有工程設(shè)計(jì)指標(biāo)已經(jīng)滿足不了日益增長的交通量需求， 亟需進(jìn)行擴(kuò)容。 項(xiàng)目全線橋梁擬拼寬3 座，原橋梁上部采用簡支空心板、預(yù)應(yīng)力砼簡支矮箱梁為主，下部結(jié)構(gòu)主要為柱式墩。

1.2 地質(zhì)情況

橋址區(qū)地表水系不發(fā)育，場地環(huán)境類型的分類為Ⅱ類，地下水主要賦存于第四系殘坡積層及基巖風(fēng)化層的孔隙—裂隙水，地層滲透性為B 類。 場區(qū)穩(wěn)定性較好，未見滑坡、崩塌、泥石流、采空區(qū)等不良地質(zhì)作用； 未見危害橋梁建設(shè)的活動性構(gòu)造跡象， 橋臺位于剝蝕丘陵斜坡地貌區(qū)， 坡度約15°～20°，地形起伏不大，橋臺穩(wěn)定性較好。

1.3 擴(kuò)容主要設(shè)計(jì)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)

（1）設(shè)計(jì)荷載：公路-I 級；（2）設(shè)計(jì)洪水頻率：中小橋1/100；（3）橋面寬度：主線擴(kuò)建橋梁與路基同寬，具體如下；整體式：2×[0.5 m（砼護(hù)欄）+15.5 m（行車道）+0.5 m（砼護(hù)欄）]＋0.25 m（分隔帶）]＝33.5 m；分離式：2×[0.5 m（砼護(hù)欄）+15.75 m （行車道）+0.5 m（砼護(hù)欄）]＝33.5 m；（4）地震動峰值加速度系數(shù)：0.1 g，抗震基本烈度7°，抗震措施設(shè)防烈度8°。

2 高速公路改擴(kuò)建工程中橋梁拼接技術(shù)要點(diǎn)分析

2.1 橋梁加寬方法

目前高速改擴(kuò)建工程加寬主要有單側(cè)加寬和雙側(cè)加寬2 種方法。 本項(xiàng)目基于保障施工期間原來路線通行能力，減少原有橋梁改造，降低施工難度和造價，綜合考慮了經(jīng)濟(jì)性和施工難度，采取了橋梁兩側(cè)拼寬方法。

2.2 拼寬原則

本項(xiàng)目以最大限度地利用原有結(jié)構(gòu)為基本原則，橋梁兩側(cè)加寬采用同結(jié)構(gòu)、同類型、同跨徑的方法予以拼接， 即上部結(jié)構(gòu)采用與老橋相同結(jié)構(gòu)形式、跨徑布置，下部結(jié)構(gòu)形式除特殊要求外與老橋結(jié)構(gòu)形式相同[2]。

2.3 橋梁拼接方式及適用性

新舊橋梁拼接常用形式包括上下部構(gòu)造不連接、上下部構(gòu)造均連接及上部構(gòu)造連接下部構(gòu)造不連接3 種方式[3]。 分析其適用條件和方式的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)際情況，選取確定最適宜的加寬方式。

2.3.1 上、下部構(gòu)造不連接的方式

新舊橋梁上下構(gòu)造不連接的方式，能夠適用于交通運(yùn)輸量大的高速公路改擴(kuò)建工程，基礎(chǔ)條件滿足拓寬需要即可。 該方式的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）無需中斷交通，可實(shí)現(xiàn)一邊改擴(kuò)建施工、一邊正常通車；（2）項(xiàng)目相對獨(dú)立，操作簡單。 缺點(diǎn)在于：上部梁板構(gòu)造的不同步變形，容易破壞橋梁連接區(qū)域的鋪裝層破損、錯臺。 該連接方式如圖1 所示。

圖1 上下部構(gòu)造不連接方式示意圖

2.3.2 上、下部構(gòu)造均連接的方式

新舊橋梁采用上下構(gòu)造均連接的方式，適用于橋梁基礎(chǔ)條件較好的工程，否則需要進(jìn)行基礎(chǔ)加固。該方式的優(yōu)點(diǎn)在于：（1）新橋與舊橋之間連接為一個整體，結(jié)構(gòu)整體性得到提升；（2）新舊橋連接處承受車輛荷載時，有效減少連接區(qū)域產(chǎn)生的變形。 缺點(diǎn)在于：（1）新舊橋梁連接時需要在外側(cè)封道，對交通造成一定的干擾， 但不會造成道路交通運(yùn)輸中斷；（2）對基礎(chǔ)情況要求高；（3）施工較為復(fù)雜，需要控制好沉降問題，如果新橋基礎(chǔ)沉降大于舊橋沉降，產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力， 會造成下部橋梁的帽梁、系梁等連接區(qū)域產(chǎn)生裂縫，橋梁的上部構(gòu)造連接區(qū)域也容易產(chǎn)生裂縫，需要加強(qiáng)質(zhì)量控制。 該方式也可用于獨(dú)柱墩的梁橋拓寬組合，以增強(qiáng)下部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，構(gòu)造方式如圖2 所示。

圖2 上下部構(gòu)造連接方式示意圖

2.3.3 上部構(gòu)造連接、下部構(gòu)造不連接的方式

新舊橋梁上部構(gòu)造連接、下部構(gòu)造不連接的方式，同樣適用于交通運(yùn)輸量大的高速公路改擴(kuò)建工程。 優(yōu)點(diǎn)在于：（1）施工過程不中斷交通，在高速公路上可同時進(jìn)行橋梁拼接和正常通行；（2）新舊橋梁的下部構(gòu)造保持分離、互不影響，避免橋梁上部構(gòu)造連接對下部構(gòu)造產(chǎn)生內(nèi)力。 缺點(diǎn)在于：（1）基礎(chǔ)條件要求高；（2）新舊橋梁基礎(chǔ)下部構(gòu)造的不均勻沉降會影響上部構(gòu)造拼接區(qū)域的受力情況，增加新舊橋梁沉降造成的橋面裂縫；（3）施工中應(yīng)充分考慮新舊橋梁拼接區(qū)域兩側(cè)梁的變形、剛度，盡量保持橋梁兩側(cè)協(xié)調(diào)一致，避免縱向接縫[4]。 該連接方式如圖3 所示。

圖3 上部構(gòu)造連接、下部構(gòu)造不連接方式示意圖

3 拼寬施工要點(diǎn)分析

3.1 施工技術(shù)方案選擇

結(jié)合以上所述3 種的拼寬方式的優(yōu)缺點(diǎn)，本項(xiàng)目考慮行車舒適性及橋梁整體構(gòu)造需求，選擇目前高速常用的拼寬方式，即上部構(gòu)造連接、下部構(gòu)造不連接的拼寬方式。 采用該種拼寬方式，需考慮施工過程中舊橋仍承受持續(xù)的車輛荷載。 由于受行車撓度和振動的影響，新舊橋拼接處會產(chǎn)生撓度差，持續(xù)的撓度差勢必會影響上部結(jié)構(gòu)連接處混凝土的澆筑質(zhì)量。 因此，下文將通過有限元數(shù)值模擬分析，探究車輛荷載對拼寬處新澆筑混凝土撓度的影響[5]。

3.2 拼接處有限元計(jì)算分析

數(shù)值計(jì)算模型梁體采用實(shí)體單元，考慮通車條件對拼寬位置現(xiàn)澆濕接縫的不利影響，對濕接縫混凝土強(qiáng)度進(jìn)行折減，并采用界面單元模擬新舊混凝土接觸面的相互作用， 數(shù)值計(jì)算模型如圖4 所示。本次計(jì)算車輛荷載選取QC-20 級，即5 軸總重55 t重車， 經(jīng)荷載換算后施加的均布荷載值為18 kN/m2；單跨梁體兩端采用固定約束；材料物理力學(xué)屬性根據(jù)工程設(shè)計(jì)方案確定，如表1 所示。 為了分析連接處新舊橋兩側(cè)的最大撓度差，本次計(jì)算按照2 種工況進(jìn)行模擬，車輛布置示意圖如圖5 所示：工況一為車輛遠(yuǎn)離拼寬區(qū)域行走（圖6）；工況二為車輛緊貼著拼寬區(qū)域行走（圖7）。

圖4 數(shù)值計(jì)算模型圖

表1 材料物理力學(xué)屬性

圖5 車輛布置示意圖

圖6 工況一加載示意圖

圖7 工況二加載示意圖

3.3 拼接處有限元計(jì)算結(jié)果

經(jīng)計(jì)算2 種工況下既有橋梁拼寬側(cè)跨中撓度值、應(yīng)力值（表2）。 結(jié)果顯示，車輛荷載離拼寬位置越近拼寬側(cè)的應(yīng)力和撓度越大，在橋梁進(jìn)行拼寬設(shè)計(jì)時應(yīng)保證拼寬后的橋梁具有較好的穩(wěn)定性，新舊橋梁間應(yīng)協(xié)調(diào)變形，新舊橋梁設(shè)計(jì)時應(yīng)采用同一設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，施工過程應(yīng)做好交通管制，采取半封閉道路的方法，引導(dǎo)車輛往遠(yuǎn)離拼寬位置通行。

表2 拼寬側(cè)跨中響應(yīng)匯總

4 施工關(guān)鍵技術(shù)控制

高速公路改擴(kuò)建工程的施工難點(diǎn)是新舊橋梁拼接問題。 新舊橋梁拼接施工難點(diǎn)在于拼接處的施工。 首先根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)新舊橋梁拼接基底差異沉降應(yīng)控制＜8 mm 再進(jìn)行施工，可有效解決拼接處應(yīng)力的改變造成的不良影響問題；其次銜接處濕接縫的澆筑從端部往跨中施工能夠減少銜接處位置的裂縫產(chǎn)生，提高銜接處濕接縫的澆筑質(zhì)量，確保新舊橋梁緊密連接為一個統(tǒng)一的整體，有效解決橫向、縱向裂縫問題[6]。

4.1 橋梁施工材料

橋梁施工材料的選擇和質(zhì)量控制是保證高速公路改擴(kuò)建工程施工質(zhì)量的基礎(chǔ)。 應(yīng)根據(jù)高速公路每個施工段的環(huán)境條件選擇水穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高的沙礫土、中粗砂等；接縫處采用摻入UEA 制作的補(bǔ)償收縮混凝土具有抗裂防滲、提高混凝土密實(shí)度等優(yōu)異性能。 施工前應(yīng)通過試驗(yàn)確定合理的配合比，進(jìn)行性能測試，控制混凝土拌和與澆筑質(zhì)量，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償收縮混凝土優(yōu)良特性的目的[7]。

4.2 施工測量控制

在上部結(jié)構(gòu)施工時，對頂面高程和位置影響會產(chǎn)生較大影響的因素有橋面鋪裝的厚度、橋梁的橫坡。 針對以上影響因素，橋梁拼寬施工時，應(yīng)對原結(jié)構(gòu)進(jìn)行坐標(biāo)定位以及高程測量。 橋梁拼寬施工前，應(yīng)對另一幅橋梁（原結(jié)構(gòu)）的墩頂高程、垂直度等相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行復(fù)測，保證結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)。 橋梁結(jié)構(gòu)在進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)的拼寬施工時，應(yīng)對關(guān)鍵點(diǎn)的高程進(jìn)行控制。

4.3 橋梁連接部位處理

新舊橋梁連接部位的處理是決定橋梁施工質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時也容易出現(xiàn)質(zhì)量問題。 做好新舊橋梁連接部位的處理是做好拼寬的關(guān)鍵一步，具體包括：（1）新預(yù)制梁內(nèi)側(cè)翼板、腹板在施工時應(yīng)注意預(yù)埋拼接處的連接鋼筋。 （2）既有梁片通過植入鋼筋實(shí)現(xiàn)新舊結(jié)構(gòu)的有效銜接，植入鋼筋應(yīng)進(jìn)行拉拔試驗(yàn)檢測，拉拔力不得小于40 kN。加強(qiáng)鋼筋具體的選擇為預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋梁接縫底面縱向鋼筋N2 至少為Ф12，橫向鋼筋N1 至少為Ф12，N3至少為Ф14，且需要形成閉合箍筋，同時采用的植筋膠具有環(huán)保、耐高溫、耐老化性能；在焊接時采取相應(yīng)的降溫措施，要求植筋膠固化后彈性模量與混凝土接近。植筋示意圖如圖8 所示。（3）為避免在種植鋼筋的過程中對原結(jié)構(gòu)鋼筋或鋼絞線造成破壞，在鉆制孔道前應(yīng)預(yù)先對原結(jié)構(gòu)內(nèi)部鋼筋或鋼絞線進(jìn)行探測、定位，必要時應(yīng)對孔道位置進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，以避開鋼筋或鋼絞線位置。 （4）澆筑連接濕接縫砼之前應(yīng)確定新老橋拼接處需要連接的距離，對砼進(jìn)行切除、鑿毛并清除雜質(zhì)。 （5）為減少新、舊橋的差異，建議在新橋施工完成后3～5 個月再澆筑濕接縫混凝土，接縫砼采用UEA 補(bǔ)償收縮砼，最后一次性整體澆筑鋪裝層。

圖8 植筋示意圖

5 結(jié)語

研究應(yīng)用有限元法建模分析已成為高速公路橋梁改擴(kuò)建中結(jié)構(gòu)分析的重要手段，其優(yōu)勢能夠直接獲取有關(guān)部件位移、 應(yīng)力以及應(yīng)變等較為全面、準(zhǔn)確、合理的分析結(jié)果，并以此為依據(jù)選取優(yōu)化橋梁加寬方案，指導(dǎo)橋梁拼接施工重、難點(diǎn)以及關(guān)鍵技術(shù)控制，大大降低高速公路改擴(kuò)建成本，提高橋梁拼接施工質(zhì)量，可為其他改擴(kuò)建項(xiàng)目橋梁拼接實(shí)際工作提供有益借鑒。