三向预应力混凝土箱梁桥拓宽改造箱梁翼缘板连接结构研究

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文章编号:１００３－４７２２(２０２０)０２－００１３－０６

三向预应力混凝土箱梁桥拓宽改造

箱梁翼缘板连接结构研究

(１.东南大学交通学院ꎬ江苏南京２１１１８９ꎻ２.江苏省南京市鼓楼区下关街道ꎬ江苏南京２１００１１ꎻ３.中设设计集团股份有限公司ꎬ江苏南京２１００１４)

摘　要:为解决三向预应力混凝土连续箱梁桥拓宽时的拼接难题ꎬ提出一种适用于箱梁翼缘板横向拼接的嵌入式钢板连接结构ꎬ以京沪高速公路盐河大桥为背景进行研究ꎮ采用ＭＩＤＡＳＦＥＡ软件建立全桥有限元模型ꎬ分析该结构在混凝土收缩徐变差、基础沉降差、车道荷载作用下的结构响应、横向传力机理ꎬ并对若干影响参数进行敏感性分析ꎮ结果表明:该连接结构能够形成横向传力通道ꎬ有效吸收新、旧桥间发生的纵向变形差异作用ꎬ满足横向拼接需要ꎬ结构可行ꎻ嵌入式钢板通过区域应力状态的连续改变完成了内力横向传递ꎻ嵌入式钢板厚度、布置间距、拼接缝宽度对钢板的应力影响明显ꎬ而钢板宽度对其影响相对较小ꎮ

关键词:连续梁桥ꎻ预应力混凝土结构ꎻ箱形梁ꎻ桥梁拓宽ꎻ嵌入式钢板ꎻ有限元法ꎻ传力机理中图分类号:Ｕ４４８.２１７ꎻＵ４４５.６

文献标志码:Ａ

吴文清１ꎬ赵　昊１ꎬ２ꎬ章世祥３

ＳｔｕｄｙｏｆＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎＤｅｔａｉｌｓｏｆＢｏｘＧｉｒｄｅｒＦｌａｎｇｅｓｉｎＷｉｄｅｎｉｎｇｏｆ

Ｔｈｒｅｅ￣ＷａｙＰｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄＣｏｎｃｒｅｔｅＢｏｘＧｉｒｄｅｒＢｒｉｄｇｅ

(１.ＳｃｈｏｏｌｏｆＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎꎬＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＮａｎｊｉｎｇ２１１１８９ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＸｉａｇｕａｎＳｔｒｅｅｔꎬＧｕｌｏｕＤｉｓｔｒｉｃｔꎬＮａｎｊｉｎｇＣｉｔｙꎬＪｉａｎｇｓｕＰｒｏｖｉｎｃｅꎬＮａｎｊｉｎｇ２１００１１ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＣｈｉｎａＤｅｓｉｇｎ

ＧｒｏｕｐＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＮａｎｊｉｎｇ２１００１４ꎬＣｈｉｎａ)

ＷＵＷｅｎ￣ｑｉｎｇ１ꎬＺＨＡＯＨａｏ１ꎬ２ꎬＺＨＡＮＧＳｈｉ￣ｘｉａｎｇ３

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｗｈｅｎｔｈｅｔｈｒｅｅ￣ｗａｙｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｂｏｘｇｉｒｄｅｒｂｒｉｄｇｅｉｓｗｉｄｅｎｅｄꎬｔｈｅｃｏｎ￣ｎｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｏｌｄａｎｄｎｅｗｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｒｅｍａｉｎｓａｐｒｏｂｌｅｍ.ＡｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｒｅａｌｉｚｅｄｂｙｅｍｂｅｄｄｉｎｇｓｔｅｅｌｐｌａｔｅｓｔｈａｔｉｓａｐｐｌｉｃａｂｌｅｆｏｒｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｓｐｌｉｃｉｎｇｏｆｂｏｘｇｉｒｄｅｒｆｌａｎｇｅｓｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄꎬａｎｄｔｈｅＹａｎｈｅＲｉｖｅｒＢｒｉｄｇｅｏｎＢｅｉｊｉｎｇ￣ＳｈａｎｇｈａｉＥｘｐｒｅｓｓｗａｙｉｓｔａｋｅｎａｓｔｈｅｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｐｒｏｊｅｃｔｆｏｒｔｈｅｓｔｕｄｙ.ＴｈｅｓｏｆｔｗａｒｅＭＩＤＡＳＦＥＡｗａｓｕｓｅｄｔｏｂｕｉｌｄｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｆｕｌｌｂｒｉｄｇｅꎬｔｏａｎａｌｙｚｅｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｒｅｓｐｏｎｓｅａｎｄｔｒａｎｓ￣ｖｅｒｓｅｌｏａｄｔｒａｎｓｆｅｒｍｅｃｈａｎｉｓｍｕｎｄｅｒｔｈｅａｃｔｉｏｎｏｆｓｈｒｉｎｋａｇｅａｎｄｃｒｅｅｐｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｏｆｎｅｗａｎｄｏｌｄｃｏｎｃｒｅｔｅꎬｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅａｎｄｖｅｈｉｃｌｅｌｏａｄｓ.Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆａｖａｒｉｅｔｙｏｆｉｎｆｌｕｅｎｔｉａｌｆａｃｔｏｒｓｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｄｅｔａｉｌｓｃａｎｆｏｒｍｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｌｏａｄｔｒａｎｓｆｅｒｐａｓｓａｇｅｓꎬａｎｄｔｈｅｒｅｆｏｒｅꎬｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙａｂｓｏｒｂｔｈｅｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｎｅｗａｎｄｅｘｉｓｔｉｎｇｓｔｒｕｃ￣ｔｕｒｅｓ.Ｅｍｂｅｄｄｉｎｇｓｔｅｅｌｐｌａｔｅｓｃａｎｆｕｌｆｉｌｌｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｓｐｌｉｃｉｎｇａｎｄｃｒｅａｔｅａｆｅａｓｉｂｌｅｗａｙｏｆｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ.Ｔｈｅｅｍｂｅｄｄｅｄｓｔｅｅｌｐｌａｔｅｓｃａｎｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｌｙｔｒａｎｓｆｅｒｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｆｏｒｃｅｓｖｉａｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕａｌｃｈａｎｇｅｏｆｌｏｃａｌｓｔｒｅｓｓｃｏｎｄｉｔｉｏｎ.Ｔｈｅｔｈｉｃｋｎｅｓｓａｎｄｓｐａｃｉｎｇｏｆｅｍｂｅｄｄｅｄｓｔｅｅｌｐｌａｔｅｓａｎｄｗｉｄｔｈｏｆｔｈｅｓｐｌｉｃｉｎｇｊｏｉｎｔｈａｖｅｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｎｔｈｅｓｔｒｅｓｓｅｓｉｎｔｈｅｓｔｅｅｌｐｌａｔｅｓꎬｂｕｔｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｗｉｄｔｈｏｆｓｔｅｅｌｐｌａｔｅｓｉｓｒｅｌ￣ａｔｉｖｅｌｙｍｉｎｉｍａｌ.

收稿日期:２０１９－０８－０９

基金项目:江苏省重点研发计划－产业前瞻与共性关键技术项目(ＢＥ２０１８１２０)

ＫｅｙＲｅｓｅａｒｃｈＰｌａｎ￣ＫｅｙＴｅｃｈｎｉｃａｌＰｒｏｊｅｃｔｏｆＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＰｒｏｓｐｅｃｔａｎｄＧｅｎｅｒａｌＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＪｉａｎｇｓｕＰｒｏｖｉｎｃｅ(ＢＥ２０１８１２０)

作者简介:吴文清ꎬ教授ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｗｕｗｅｎｑｉｎｇ＠ｓｅｕ.ｅｄｕ.ｃｎꎮ研究方向:组合结构桥梁理论ꎬ混凝土桥梁拓宽理论与技术ꎮ

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桥梁建设　ＢｒｉｄｇｅＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ２０２０ꎬ５０(２)

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｇｉｒｄｅｒｂｒｉｄｇｅꎻｐｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄｃｏｎｃｒｅｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅꎻｂｏｘｇｉｒｄｅｒꎻｂｒｉｄｇｅｗｉｄｅｎｉｎｇꎻｅｍｂｅｄｄｅｄｓｔｅｅｌｐｌａｔｅꎻｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄꎻｌｏａｄｔｒａｎｓｆｅｒｍｅｃｈａｎｉｓｍ１　引　言

在预应力混凝土箱梁桥采用“上联、下不联”的方案进行横向拼接拓宽时ꎬ传统的拼接方式是首先通过钢筋连接新、旧箱梁翼缘板ꎬ然后在拼接缝处浇筑混凝土ꎬ形成刚性的拼接结构[１]ꎮ基于上述拼接结构的形成方式ꎬ首先需要纵向切割部分既有箱梁７ｍꎮ新拓宽桥梁(新桥)的跨径布置与原桥(旧桥)

拓宽ꎮ该桥拟在双侧拓宽ꎬ单侧拓宽箱梁的宽度为一致ꎬ新桥主梁采用常规预应力混凝土连续箱梁结构ꎬ材料强度等级不变ꎬ采用Ｃ５０混凝土ꎮ单幅拓宽新、旧桥箱梁间采用嵌入式钢板连接结构(图１)ꎬ新、旧箱梁拼接横截面如图２所示ꎮ

翼缘板ꎬ以扩大翼缘板板端横截面面积ꎬ便于横向植筋施工ꎻ然后与新浇筑箱梁翼缘板内伸出的钢筋进行绑扎连接ꎻ最后浇筑拼接缝内混凝土ꎮ然而在三向预应力混凝土箱梁桥的翼缘板内ꎬ横向预应力钢筋的存在使其不能被纵向切割ꎮ因此ꎬ传统的拼接结构并不适用于三向预应力混凝土箱梁桥的拼接拓宽ꎬ需研究其适用的连接结构[２]目前ꎬ针对三向预应力混凝土连续箱梁桥横向

ꎮ

拓宽存在的困难ꎬ在工程中一般有２种解决方案:①采用新、旧翼缘板结构分离的方案ꎬ如银川黄河大桥拓宽工程[３]新、旧结构间的横向和竖向变形要求ꎮ该方案设置纵向伸缩装置ꎬ保证桥面平ꎬ能够满足顺ꎬ且能够承受车辆的反复碾压而不损坏ꎮ其主要不足是无法有效控制新、旧结构之间的变形差ꎬ易导致纵向伸缩装置开裂破坏ꎬ从而引起高速行车安全事故[４]公路塘河大桥拓宽工程

ꎮ②采用刚性连接的拼接方案[５]

该方案由于刚性连接

ꎬ如沪宁高速结构的刚度较大ꎬ新、旧桥梁之间的沉降变形差将会ꎮ给拓宽结构桥梁的安全带来较大的不确定性[６￣７]针对以上２种拼接方案的缺点ꎬ提出一种嵌入式钢

ꎮ板连接结构(连接特性介于结构分离与刚性连接之间)ꎬ以形成新、旧结构之间的横向传力通道ꎬ并在一定程度上吸收新、旧结构间发生的纵向变形差异作用ꎮ以京沪高速公路盐河大桥拓宽工程为背景ꎬ采用有限元法分析该结构的可行性、横向传力机理及结构参数敏感性ꎮ２　工程背景

京沪高速公路盐河大桥为双幅三向预应力混凝土变截面连续箱梁桥ｍꎮ双幅单向４车道分离式布置ꎬ跨径布置为(４２＋６５＋４２)桥面布置为０.５０ｍ(护栏)＋１２.ꎬ单幅桥梁宽００ｍ(行车道２８)ｍꎬ３.(００ｍ(中央分隔带)＋＋由于交通流量的急剧增长护栏)ꎮ该桥设计荷载为汽车１２.００ｍ(行车道)＋０.５０ｍꎬ京沪高速公路需要全线

－超２０ꎬ挂车－１２０ꎮＦｉｇ.１Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ图１　Ｄｅｔａｉｌ新、旧箱梁拼接结构

ｏｆＮｅｗａｎｄＯｌｄＢｏｘＧｉｒｄｅｒｓ

Ｆｉｇ.２ＣｒｏｓｓＳｅｃｔｉｏｎ图２　ｏｆ箱梁拼接横截面

ＳｐｌｉｃｉｎｇＪｏｉｎｔｂｅｔｗｅｅｎＧｉｒｄｅｒｓ

该桥拓宽时ꎬ首先在拼接缝两侧的新、旧箱梁翼缘板沿桥梁纵向等间距进行横向切缝(切缝纵向间距０.５ｍꎬ切缝深２０ｃｍ、切缝宽１４ｍｍ)ꎻ然后在该横向切缝内竖向嵌入钢板并用环氧树脂胶加以固结ꎬ钢板的上表面略低于桥面板ꎻ最后在嵌入式钢板的上方铺设纵向钢板(上表面与桥面板上表面平齐ｍｍ、)ꎮ厚嵌入１０ｍｍꎮ

式钢板采用Ｑ３４５钢ꎬ初拟钢板宽１９０３　整体有限元模型

采用ＭＩＤＡＳＦＥＡ软件建立横向拼接后的全桥有限元模型ꎬ如图３所示ꎮ模型中ꎬ箱梁均采用三维实体单元模拟ꎬ取Ｃ５０混凝土材料特性ꎻ嵌入式钢板采用板单元模拟ꎬ取Ｑ３４５钢材特性ꎮ全桥模型共划分１４９０７４个单元、１８２７２８个节点ꎮ整体坐标系中ꎬＸ轴为纵向ꎻＹ轴为横向ꎬ以新箱梁指向旧箱梁为正ꎻＺ轴为竖向ꎬ以向上为正ꎮ新桥混凝土龄期

三向预应力混凝土箱梁桥拓宽改造箱梁翼缘板连接结构研究　　吴文清ꎬ赵　昊ꎬ章世祥

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比旧桥少７年ꎬ由此带来新、旧桥间的混凝土收缩差、徐变差及基础间的沉降差ꎮ混凝土收缩和徐变采用«公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范»(ＪＴＧ３３６２－２０１８)推荐的方法计算ꎮ

４.１.２　工况２

横向变形明显减小ꎬ利于结构安全ꎮ

依据相关文献[１￣２]ꎬ新、旧箱梁横向拼接后ꎬ新桥

基础相对旧桥基础的工后沉降差可按５ｍｍ考虑ꎮＦｉｇ.３Ｆｉｎｉｔｅ图Ｅｌｅｍｅｎｔ３　盐河大桥有限元模型

ＭｏｄｅｌｏｆＹａｎｈｅＲｉｖｅｒＢｒｉｄｇｅ

在整体模型中ꎬ计算时考虑以下３种工况:①工况１为新、旧桥箱梁混凝土收缩差及徐变差作用效应ꎻ②工况２为新、旧桥基础工后沉降差作用效应ꎻ③工况３为车辆荷载作用效应ꎮ４　嵌入式钢板连接结构研究４.１　可行性研究

为研究该技术的可行性ꎬ本文分别计算３种工况下新、旧箱梁之间连接结构的变形协调性及其应４力分布特性.１.１　工况ꎮ

１

新、旧桥拼接共同运营３.５年后ꎬ计算得到拓宽后主梁横向变形ꎬ结果如图４所示ꎮＦｉｇ.图４４　Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ拓宽后主梁横向变形示意ＧｉｒｄｅｒａｆｔｅｒＤｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＷｉｄｅｎｉｎｇ

ｏｆＭａｉｎ

　　(１)由图在新４可知、:

变差作用下ꎬ拓宽后结构产生了较明显的横向弯曲旧桥箱梁混凝土的纵向收缩差及徐变形ꎬ为ｍｍꎻ９.(２)在连续梁端部呈现出较为明显的横向变形０８ｍｍ新、和旧桥中心轴的梁端最大纵向位移分别

ꎮ

３.２４ｍｍꎬ梁端纵向位移差值达５.８４

了结构横向变形同时ꎬ新、旧箱梁混凝土收缩差及徐变差还导致ꎬ横向最大变形量达１２.３２ｍｍꎬ位于梁端的右边支点截面ꎮ根据已有文献分析可知ꎬ假如新、旧桥间采用刚性连接ꎬ则上述梁端横向位移将达到４８ｍｍ[７]ꎮ显然采用嵌入式钢板连接后结构

５计算时ꎬ在有限元模型的新桥支座位置处施加向下

计算得到结构整体位移ｍｍ的强迫位移ꎮ在工后沉降差、中支点截面处箱梁竖向位５ｍｍ的作用下ꎬ移及箱梁顶板混凝土横向应力ꎬ结果如图５所示ꎮＦｉｇ.图５５　Ｔｙｐｉｃａｌ基础工后沉降差作用下拓宽结构的典型反应ＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＲｅｓｐｏｎｓｅｏｆＳｅｔｔｌｅｍｅｎｔＷｉｄｅｎｉｎｇＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅ

ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｕｎｄｅｒＬａｔｅ

由图(１)新桥箱梁在各支点截面处均出现较大的竖５可知:

向变形ꎬ在中支点截面处结构沉降明显ꎬ需重点关注ꎮ

新桥最外侧翼缘板端竖向位移最大(２)中支点处新桥截面竖向位移均为负(达５.３８ｍｍ)ꎬꎬ其中

旧桥内侧翼缘板根部截面竖向位移最小(０.１２ｍｍ)ꎻ结构竖向变形在新、旧桥拼接翼缘处即嵌入钢板处变化剧烈ꎬ但整体连续变化ꎬ无明显突变ꎮ说明嵌入式钢板能较好地协调新桥翼缘底面呈拉应力状态(３)箱梁的横向拉应力主要集中在翼缘处、旧箱梁之间的沉降差ꎮ

(数值相对较小)ꎻ旧桥翼

ꎮ新

缘顶面也呈拉应力状态ꎬ最大拉应力达４.０３ＭＰａꎮ

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桥梁建设　ＢｒｉｄｇｅＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ２０２０ꎬ５０(２)

在旧桥翼缘中部位置存在混凝土开裂的可能性ꎮ故建议中支点截面附近的旧桥翼缘顶面需配置抗裂钢筋网ꎬ采取局部抗裂措施ꎮ４.１.３　工况３

采用规范[８]中规定的公路－Ⅰ级车道荷载进行加载(车道均布荷载标准值为１０.５ｋＮ/ｍꎬ集中荷载为３６０ｋＮ)ꎬ选用５车道加载ꎬ车道横向折减系数取为０.６ꎮ车道荷载的横向分布主要考虑旧桥侧偏载、中载和新桥侧偏载３种工况ꎬ分别计算３种工况１００~１２２５ｍｍꎻ在拼接翼缘和钢板处采用更密集的网格划分ꎬ单元网格尺寸为３５~５０ｍｍꎮ

梁纵向长４.０ｍꎮ箱梁横截面单元网格尺寸划分为

下结构的竖向位移ꎮ新桥侧偏载工况为最不利工况ꎬ该工况下中跨跨中截面的竖向位移如图６所示ꎮ

Ｆｉｇ.６图６　中跨跨中截面的竖向位移ＳｅｃｔｉｏｎＶｅｒｔｉｃａｌｉｎＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔＩｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅｏｆＳｐａｎ

Ｍｉｄｓｐａｎ

由图(１)(２)中跨跨中截面竖向位移呈连续变化状态６可知:

从旧箱梁至新箱梁方向ꎬ中跨跨中截面各

ꎮ

控制点竖向位移为－１７.３５~－１４.６７ｍｍꎬ新、旧箱梁位移变化幅度不超过２０％ꎮ说明嵌入式钢板作为拼接结构ꎬ能够有效传递车辆荷载作用效应ꎬ新、旧桥间变形协调ꎮ

通过上述３个工况的结构分析可知:嵌入式钢板连接结构能够形成横向传力通道ꎬ有效传递包括基础不均匀沉降差和车辆荷载偏载作用所带来的结构应力ꎬ关键工况下结构应力分布合理且应力可控ꎻ同时在新、旧桥纵向混凝土收缩差及徐变差作用下ꎬ嵌入式钢板连接结构能够有效消减新、旧桥之间的大部分变形差ꎬ满足新、旧箱梁桥横向拼接需要ꎮ该嵌入式钢板连接结构用于三向预应力混凝土箱梁桥的横向拼接拓宽是可行性的ꎮ４.２　横向传力机理分析

为研究嵌入式钢板连接结构的横向传力机理ꎬ采用ＭＩＤＡＳＦＥＡ软件建立新、旧箱梁局部有限元模型ꎬ并利用子模型法[９￣１０]对拼接翼缘和钢板单元进行更细的网格划分ꎬ如图７所示ꎮ局部模型中箱梁的横截面尺寸与整体模型一致ꎬ局部模型截取的箱

Ｆｉｇ.７Ｆｉｎｉｔｅ图７　Ｅｌｅｍｅｎｔ局部模型截面网格划分

ｏｆＬｏｃａｌＭｅｓｈＭｏｄｅｌ

ｆｏｒＣｒｏｓｓＳｅｃｔｉｏｎ

在研究嵌入式钢板连接结构的横向传力机理时ꎬ通过单元体的应力轨迹线反映结构的传力路径ꎮ仅分析基础工后沉降差作用下ꎬ结构的应力响应和应力传递路径ꎮ在新桥支座处施加向下５ｍｍ的强迫位移ꎬ分析３年后拼接结构的力学响应ꎬ得到横向拼接区域混凝土翼缘板和嵌入式钢板的主拉应力轨迹线ꎬ结果如图８所示ꎮ

图８　横向拼接区域部分混凝土翼缘板和嵌入式ＦＦｌａｎｇｅｉｇ.８ａｎｄＴｒａｉｌｓＥｍｂｅｄｄｅｄｏｆＰｒｉｎｃｉｐａｌ钢板的主拉拉应力轨迹线

ＳｔｅｅｌＴｅｎｓｉｌｅＰｌａｔｅｉｎＳｔｒｅｓｓｅｓＴｒａｎｓｖｅｒｓｅｉｎＬｏｃａｌＳｐｌｉｃｉｎｇＣｏｎｃｒｅｔｅＡｒｅａ

由图(１)拼接区域的新８可知:

拉应力状态ꎬ旧桥翼缘顶部和新桥翼缘底部区域呈现、旧桥翼缘板大部分区域呈现

较为连续的横向拉应力轨迹线ꎬ与结构的横向变形方向大致相同ꎮ建议在既有箱梁翼缘板面层通过配置横向钢筋网来抑制混凝土裂缝的产生和开展ꎮ

担竖向主压应力(２)新桥沉降变形发生时ꎬ靠近拼接缝时主压应力转化为竖ꎬ嵌入式钢板首先承

向主拉应力ꎻ进入旧桥侧翼缘板时ꎬ嵌入式钢板基本处于水平受拉状态ꎮ由此可见ꎬ嵌入式钢板通过区４域应力状态的连续改变完成了内力的横向传递.３结构参数敏感性分析

ꎮ

嵌入式钢板连接结构的主体尺寸变化对于拓宽

三向预应力混凝土箱梁桥拓宽改造箱梁翼缘板连接结构研究　　吴文清ꎬ赵　昊ꎬ章世祥

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结构的内力状态影响较大ꎮ为得到最优的嵌入式钢板结构设计尺寸ꎬ分析混凝土收缩差及徐变差作用式钢板厚度、布置间距、宽度及拼缝宽度等参数对拓宽结构的受力影响ꎮ计算得到各参数变化下的结构应力响应ꎬ结果如表１所示ꎮ

由表１可知:

(１)当钢板厚度分别为５ꎬ１０ꎬ１５ｍｍ时ꎬ在混(工况１)和基础工后沉降差作用(工况２)下ꎬ嵌入

式钢板连接有利于结构安全ꎻ在新、旧桥基础工后沉降差作用下ꎬ拼接结构的竖向变形协调较好ꎻ在新桥偏载工况下ꎬ嵌入式钢板能够有效传递车辆荷载作用效应ꎬ拓宽后结构的横桥向变形仍比较均匀ꎬ新、旧桥之间变形协调ꎮ

(２)嵌入式钢板连接结构能够形成横向传力通

道ꎬ关键工况下结构应力分布合理可控ꎻ并且能够有效吸收新、旧桥之间发生的纵向变形差异作用ꎬ满足新、旧桥横向拼接需要ꎬ结构可行ꎮ

凝土收缩差及徐变差作用下钢板的第一主应力分别

为４８７.４１ꎬ３０４.０４ꎬ１９２.２１ＭＰａꎮ随着钢板板厚的增加ꎬ钢板自身应力状态明显改善ꎬ同时对于混凝土翼缘板应力状态也有所改善ꎮ建议钢板厚度不宜小于１５ｍｍꎮ

(２)钢板布置间距从０.５ｍ增加到１.０ｍ时ꎬ

完成了内力的横向传递ꎮ根据混凝土翼缘板的主拉应力轨迹线ꎬ建议在既有箱梁翼缘板面层通过配置横向的钢筋网来抑制混凝土裂缝的产生和开展ꎮ

(３)嵌入式钢板通过区域应力状态的连续改变

在混凝土收缩差及徐变差作用下ꎬ钢板的最大主拉

４７.３７％)ꎬ超出了Ｑ３４５钢材的强度ꎮ因此ꎬ嵌入式钢板布置间距不宜过大ꎬ建议取０.５ｍ较好ꎮ

(３)拼缝宽度对拼接结构的混凝土应力影响不

应力由３０４.０４ＭＰａ增至４４５.５４ＭＰａ(增加了

度对钢板的应力影响十分明显ꎬ而钢板宽度影响相对较小ꎮ

(４)嵌入式钢板厚度、钢板布置间距、拼接缝宽

参考文献(Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ):

[１]　吴文清ꎬ唐章翔ꎬ张　慧ꎬ等.混凝土连续箱梁桥拼接

３１(５):６３－７３.

大ꎬ对嵌入式钢板的应力影响较大ꎮ拼缝宽度为１５

ｃｍ时ꎬ在混凝土收缩差及徐变差作用下ꎬ钢板的主拉应力为４２５.５７ＭＰａꎬ超出了Ｑ３４５钢材的设计强度ꎮ建议拼缝宽度不宜超过１０ｃｍꎮ

(４)当钢板宽度分别为１５ꎬ２０ꎬ２５ｃｍ时ꎬ在基

拓宽后箱梁顶板病害分析[Ｊ].中国公路学报ꎬ２０１８ꎬ(ＷＵＷｅｎ￣ｑｉｎｇꎬＴＡＮＧＺｈａｎｇ￣ｘｉａｎｇꎬＺＨＡＮＧＨｕｉꎬｅｔａｌ.ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＤｉｓｅａｓｅｓＤｕｅｔｏａＪｏｉｎｔＷｉｄｅ￣ｎｉｎｇｏｆＣｏｎｃｒｅｔｅＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＢｏｘＧｉｒｄｅｒＢｒｉｄｇｅ[Ｊ].Ｃｈｉ￣－７３.ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)

ｎａＪｏｕｒｎａｌｏｆＨｉｇｈｗａｙａｎｄＴｒａｎｓｐｏｒｔꎬ２０１８ꎬ３１(５):６３

２９４.０７ꎬ２３８.８７ꎬ２２８.３９ＭＰａꎮ钢板宽度的增加整体上有利于结构受力的改善ꎬ但影响不大ꎮ建议钢板宽度可取１５ｃｍꎮ

　　根据各参数敏感性分析可知钢板厚度、布置间距及拼接缝宽度等变化对钢板应力的影响比较明显ꎬ而钢板宽度对钢板应力的影响相对较小ꎮ５　结　论

(１)采用嵌入式钢板进行三向预应力混凝土连续箱梁桥横向拼接时ꎬ在新、旧桥混凝土收缩差及徐变差作用下ꎬ连续梁梁端的横向变形明显减小ꎬ嵌入

础工后沉降差作用下ꎬ钢板最大主应力分别为

[２]　吴文清ꎬ翟建勋ꎬ张　娴ꎬ等.三向预应力混凝土连续

２０１８ꎬ１５(２):２２－２９.

(ＷＵＷｅｎ￣ｑｉｎｇꎬＺＨＡＩＪｉａｎ￣ｘｕｎꎬＺＨＡＮＧＸｉａｎꎬｅｔａｌ.

箱梁桥横向加劲肋拓宽研究[Ｊ].现代交通技术ꎬ

ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＷｉｄｅｎｉｎｇＤｅｓｉｇｎｏｆ３￣ｗａｙＰｒｅｓｔｒｅｓｓｅｄＣｏｎｃｒｅｔｅＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＢｏｘＧｉｒｄｅｒＢｒｉｄｇｅ[Ｊ].ＭｏｄｅｒｎＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ１５(２):２２－２９.ｉｎ[３]　吴文清ꎬ翟建勋ꎬ林　晶.银川黄河大桥横向拓宽拼接

Ｃｈｉｎｅｓｅ)

构造使用状况调查研究[Ｊ].世界桥梁ꎬ２０１５ꎬ４３(６):

表１　各参数变化下的结构应力响应

Ｔａｂ.１ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＳｔｒｅｓｓｅｓＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｔｏＶａｒｉａｔｉｏｎｏｆＰａｒａｍｅｔｅｒｓ

工况１２

结构部位钢板混凝土翼缘板

钢板

５ｍｍ４８７.４１　４.２７２９７.７０

钢板厚度１０ｍｍ３０４.０４　４.０３２３８.８７

１５ｍｍ１９２.２１　３.８３１９８.６５

不同参数时的结构应力响应/ＭＰａ钢板布置间距拼缝宽度０.５ｍ１.０ｍ５ｃｍ１０ｃｍ３０４.０４４４５.５４３００.１５３０４.０４　４.０３２３８.７９

　４.２４２９８.７９

　４.０１２９４.５９

　４.０３１９２.１５

１５ｃｍ４２５.５７　４.００１８８.２２

钢板宽度

１５ｃｍ２０ｃｍ３６５.３５３０４.０４　４.３０２９４.０７

　４.０３２３８.８７

２５ｃｍ３１３.１４　３.７６２２８.３９

　　　８３－８７.(ＷＵＷｅｎ￣ｑｉｎｇꎬＺＨＡＩＪｉａｎ￣ｘｕｎꎬＬＩＮＪｉｎｇ.Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ

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桥梁建设　ＢｒｉｄｇｅＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ

ａｎｄＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＵｓｅｏｆＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＥｘｔｅｎｓｉｏｎＳｐｌｉｃｉｎｇ

２０２０ꎬ５０(２)

ＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＹｉｎｃｈｕａｎＹｅｌｌｏｗＲｉｖｅｒＢｒｉｄｇｅ[Ｊ].Ｗｏｒｌｄ[４]　郝曙光.三向预应力连续箱粱桥拓宽的横向拼接构造

设计与试验研究(硕士学位论文)[Ｄ].南京:东南大学ꎬ２０１２.

Ｂｒｉｄｇｅｓꎬ２０１５ꎬ４３(６):８３－８７.ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)

Ｓｕｂ￣ｍｏｄｅｌＭｅｔｈｏｄ(ＭａｓｔｅｒＤｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ)[Ｄ].Ｗｕｈａｎ:[１０]　ＦｅｒｎａｎｄｉｎｏＤＯꎬＣｉｓｉｌｉｎｏＡＰꎬＴｏｒｏＳꎬｅｔａｌ.Ｍｕｌｔｉ￣

ｓｃａｌｅＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅＥａｒｌｙＤａｍａｇｅＭｅｃｈａｎｉｃｓｏｆＦｅｒｒｉ￣２０１７ꎬ２０７:１－２６.

ｔｉｚｅｄＤｕｃｔｉｌｅＩｒｏｎ[Ｊ].ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＦｒａｃｔｕｒｅꎬＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７.ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)

(ＨＡＯＷｉｄｅｎｉｎｇＳｈｕ￣ｇｕａｎｇ.ｔｉｎｕｏｕｓｊｉｎｇ:ＳｏｕｔｈｅａｓｔＧｉｒｄｅｒＪｏｉｎｔＢｒｉｄｇｅｓ(ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＤｅｓｉｇｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＭａｓｔｅｒｏｆａｎｄｔｈｅＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＴｈｒｅｅＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅ２０１２.Ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ)ＤｉｍｅｎｓｉｏｎｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)[Ｄ].ＰＣＣｏｎ￣Ｎａｎ￣陈[Ｊ].　娣(ＣＨＥＮ现代交通技术ꎬ刘　斌.塘河大桥加宽改造技术方案研究

ＤｉꎬＬＩＵＢｉｎ.ꎬ２００７(２):５６Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎ－Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ５９.

Ｓｃｈｅｍｅｏｆ茹ＴｒａｆｆｉｃＷｉｄｅｎｉｎｇ　毅ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＲｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＴａｎｇｈｅＢｒｉｄｇｅ[Ｊ].宽桥拼接段受力性能研究ꎬ刘其伟.收缩徐变作用下混凝土连续箱梁拼

２００７(２):５６－５９.ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ)Ｍｏｄｅｒｎ[Ｊ].中外公路ꎬ２０１６(２):１９６(ＲＵ－２００.

ｏｆＹｉꎬＬＩＵＱｉ￣ｗｅｉ.ＳｔｕｄｙｏｎｔｈｅＭｅｃｈａｎｉｃａｌＢｒｉｄｇｅＳｐｌｉｃｉｎｇＪｏｕｒｎａｌｕｎｄｅｒＳｅｃｔｉｏｎｔｈｅＡｃｔｉｏｎｏｆＣｏｎｃｒｅｔｅＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＢｏｘＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓＧｉｒｄｅｒ２００.ｉｎｏｆＣｈｉｎｅｓｅ)

Ｃｈｉｎａ＆ＦｏｒｅｉｇｎｏｆＨｉｇｈｗａｙꎬＳｈｒｉｎｋａｇｅ２０１６ａｎｄ(２):Ｃｒｅｅｐ１９６[Ｊ].－

唐章翔能研究.(硕士学位论文混凝土箱梁桥拼接拓宽后悬臂结构的受力性

)([Ｄ].南京:东南大学ꎬ２０１７.(ＴＡＮＧｏｆＣａｎｔｉｌｅｖｅｒＺｈａｎｇ￣ｘｉａｎｇ.ＳｔｒｕｃｔｕｒｅＲｅｓｅａｒｃｈｉｎａＷｉｄｅｎｅｄｏｎＭｅｃｈａｎｉｃａｌＣｏｎｃｒｅｔｅＢｏｘＢｅｈａｖｉｏｒＢｒｉｄｇｅ(ＭａｓｔｅｒＧｉｒｄｅｒ

ｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＤｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ)[Ｄ].Ｃｈｉｎｅｓｅ)

Ｎａｎｊｉｎｇ:ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵ￣ＪＴＧ(ＪＴＧＤ６０Ｄ６０￣２０１５ꎬ－２０１７.２０１５ꎬｉｎ公路桥涵设计通用规范ＧｅｎｅｒａｌＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ[Ｓ].

ＨｉｇｈｗａｙＢｒｉｄｇｅｓａｎｄＣｕｌｖｅｒｔｓ[Ｓ].)ｆｏｒＤｅｓｉｇｎｏｆ

张余寿命评估研究　弦.基于子模型法的跨线天桥疲劳裂纹扩展及剩

(硕士学位论文)[Ｄ].武汉:武汉理工大学ꎬ２０１７.

(ＺＨＡＮＧＲｅｓｉｄｕａｌＬｉｆｅＸｉａｎ.ＡｓｓｅｓｓｍｅｎｔＳｔｕｄｙｏｎｏｆＦａｔｉｇｕｅＯｖｅｒｌｉｎｅＣｒａｃｋＦｏｏｔｂｒｉｄｇｅＰｒｏｐａｇａｔｉｏｎＢａｓｅｄａｎｄｏｎ

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吴文清

１９６４１９８６－ꎬ男ꎬ工程专业年毕业于兰州铁道学院铁道教授

ꎬ工学学士ꎬ２００２年毕业于东南大学桥梁与隧道工程专业ꎬ工学博士ꎮ研究方向:组合结构桥梁理论ꎬ混凝土桥梁拓宽理论与技术

Ｅ￣ｍａｉｌ:ｗｕｗｅｎｑｉｎｇ＠ｓｅｕ.ｅｄｕ.ｃｎ赵１９９４　昊

２０１６－ꎬ男ꎬ工程师

工程专业年毕业于大连理工大学土木ꎬ工学学士ꎬ２０１９年毕业于东南大学交通运输工程专业ꎬ工学硕士Ｅ￣ｍａｉｌ:ｚｈａｏｈａｏｓｅｕ＠ꎮ研究方向:桥梁拓宽技术１６３.ｃｏｍ

章世祥

１９７３１９９４－ꎬ男ꎬ研究员级高工

市道路年毕业于东南大学公路与城工程专业ꎬ工学学士ꎬ２００６年同济大学建筑与土木工程专业ꎬ工程硕士ꎮ研究方向:桥梁检测监测、咨询评估、维修加固技术ꎬ交通基础设施资产管理与性能提升等Ｅ￣ｍａｉｌ:４１１３１４３０４＠ｑｑ.ｃｏｍ

(编辑:王　娣)

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