Stress Analysis of Asymmetric Widening Part of Prestressed Concrete Continuous T-Beam Bridge
李刚 LI Gang
（中国水利水电第八工程局有限公司，长沙 420008）
（Sinohydro Bureau 8 Co.，Ltd.，Changsha 420008，China）
摘要：依托福州青口福银拼宽桥梁工程，通过建立有限元模型进行计算分析，与现实中福银拼宽桥梁进行对比，分析探究T梁拼宽的一种设计方案—不等拼宽处受力情况，研究结构的安全性。
Abstract: Relying on the Fuzhou Qingkou Fuyin widening bridge project, through the establishment of the finite element model for calculation and analysis, compared with the reality of the Fuyin widening bridge, a design scheme of stress at unequal width for the T-beam widening is analyzed and the safety of the structure is studied.
关键词：T梁拼宽；横隔板；分析；结构安全
Key words: T-beam widening；transverse diaphragm；analysis；structural safety
中图分类号：U441 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）35-0177-03
0 引言
随着我国经济迅猛发展，我国相当一部分既有高速公路已然不能满足新时代经济发展的需求。一些既有高速桥梁改造工程，会面临桥梁宽度不足的问题。通常情况下改造有拆除重建和整体拼宽两种方式，为了经济效益及快捷施工，通常采用拼宽施工。本文针对采用9个横隔板拼接7个横隔板T梁（旧桥）和5个横隔板T梁（新桥）受力情况进行分析，研究其应力分布及传力机理。本文以青口大桥福银拼宽桥梁为依托，建立有限元模型研究结构受力，希望能为同类型桥梁的建设提供计算参考。
1 工程概况
1.1 桥型结构
主线高架桥左幅为（5×30m预应力混凝土连续T梁）+（5×30m预应力混凝土连续T梁）+（23m预应力混凝土简支T梁）+（5×30m预应力混凝土连续T梁）+（6×30m预应力混凝土连续T梁），总长653m；下部构造为柱式墩、钻孔灌注桩基础。
主线高架桥右幅为（23+4×30m预应力混凝土简支T梁）+（5×30m预应力混凝土连续T梁）+（23m预应力混凝土简支T梁）+（5×30m预应力混凝土连续T梁）+（6×30m预应力混凝土连续T梁）+（6×30m预应力混凝土连续T梁），总长826m；下部构造为柱式墩、钻孔灌注桩基础。
1.2 拼接结构
新、旧桥拼接时，通过横隔梁将新、旧桥主梁的腹板连接起来，消除整体挠度差；通过现浇混凝土湿接缝将新、旧桥主梁翼缘板连接起来，防止新、旧桥主梁翼缘在外荷载作用下出现局部挠度差，影响拓宽桥梁的正常使用。新、旧桥主梁之间的拼接结构如图1所示。施工时按设计要求保留旧桥边梁，拆除混凝土防撞栏，凿除部分旧桥边梁翼缘混凝土及桥面铺装，保留翼缘钢筋，与新桥边梁翼缘预留钢筋进行焊接。
2 计算目的及内容
2.1 计算目的
福州绕城公路东南段青口互通H、G匝道接入福银高速公路主线高架桥，原设计拼宽段桥梁采用181片30m预制T梁与既有的福银高速公路30m预制T梁拼接，拼宽部分的T梁架设后需静置6个月并采取精轧螺纹钢与旧桥横向连接，设有7道横隔梁。但是，该项目全线30m预制T梁横隔梁均按新标准图中5道设置，使得现有的30m预制T梁模板无法用于拼宽段T梁预制，重新加工模板将导致工期延误。为解决该问题，加快施工进度及满足工期要求，新桥拟采取30m预制T梁现行标准梁型即5道横隔梁，与旧桥原7道横隔梁进行拼接的方案。但是，除端横梁和中横梁外，由于新、旧桥横隔梁沿纵桥向相互错位，存在应力沿Z形路径折线传递的问题，因此，通过详细的有限元分析来确认该拼宽技术的可行性及影响程度，并确定新旧桥梁横梁拼接方式是否合理。
2.2 分析计算内容
①建立预应力混凝土连续T梁桥有限元模型，分析各项长期荷载作用下拼宽预应力混凝土连续T梁桥的受力，明确各项长期荷载对拓宽长联预应力混凝土连续梁桥的影响程度及影响规律，并通过对比分析确定各项长期荷载中哪个为主要影响因素。
②根据有限元分析结果，进行拼接缝构造优化及完善，确定最优的新、旧桥梁横梁拼接方式，应用于实桥拼宽工程中。
3 预应力混凝土T 梁桥拼宽方案
青口互通福银高速主线高架桥位于福州绕城高速公路东南段的旧桥T 型主梁间采用7 片横隔梁连接，分别布置于支点处、L/6、L/3、L/2、2L/3 和5L/6 处。新桥T 型主梁间拟采用新标准图中的5 片横隔梁连接，分别布置于支点处、L/4、L/2、3L/4。可以看出，除端横梁和中横梁外，新、旧桥横隔梁布置形式并不是一一对应关系，采用9片横隔梁拼接。由于新、旧桥横隔梁沿纵桥向相互错位，存在应力沿Z形路径折线传递的问题。
4 计算依据及模型建立
4.1 结构计算依据
①道路等级：高速公路；
②设计车速：100km/h；
③设计荷载：汽车：公路-Ⅰ级，温度：体系升降温
±25℃；
④桥梁设计基准期：100 年；
⑤结构设计安全等级：一级；
⑥环境类别：Ⅰ类；
⑦抗震设防标准：设计地震动峰值加速度0.05g，基本烈度小于VI 度，按VIII 度设防。
4.2 结构计算模型
采用桥梁专业软件MIDAS/CIVIL 建立空间有限元模型，如图3所示，全桥共1082个节点，2666 个梁单元。主梁与支座用弹性连接模拟。主梁顶部中心节点和支座顶部节点用刚性连接模拟，支座底部用一般支承固结。
4.3 设计荷载及荷载组合
①恒载。恒载为结构自重、二期恒载，其中二期恒载含桥面铺装、栏杆及桥面其它附属设施。
②预应力。钢绞线抗拉强度标准值fpk=1860MPa，弹性模量Ep=1.95×105MPa；预应力钢筋锚下张拉控制应力σcon=1395MPa；钢束松弛终极值与控制应力之比取0.3，锚具变形和钢筋，回缩值：每端6mm；管道摩阻系数μ=0.25；管道偏差系数k=0.0015。
③活载。汽车荷载：公路-I 级。当横向布载车道数大于2 时，按规范进行折减。
④混凝土收缩、徐变。混凝土收缩徐变按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）附录F 的方法计算。收缩、徐变的终极时间取成桥后3650 天。
⑤荷载组合。根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）要求，按正常使用极限状态进行组合并用于应力、裂缝检验，按承载能力极限状态进行组合验算结构承载力是否满足要求。根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）第4.1.6条和第4.1.7 条规定进行荷载效应组合如下：
1）承载能力极限状态基本组合
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2）正常使用极限状态
a）频遇组合
■
b）准永久组合
■
5 结构验算分析
除与拼接缝相邻的新、旧桥主梁外，拼接对拼宽后T梁桥其他主梁受力性能的影响很小，因此，为了研究与拼接缝相邻的新、旧桥主梁的强度和刚度，本章采用有限元分析方法，进行承载能力极限状态下和正常使用极限状态下拼接缝两侧新、旧桥主梁全桥受力分析，以及横隔梁强度验算。
5.1 T梁汽车荷载横桥向布载方式
根据MIDAS/CIVIL 计算得到新桥7#T 梁（即与旧桥拼接的T 梁）跨中影响线，并根据《公路桥梁设计通用规范》（JTG D60—2004）的规定，沿横向布设汽车荷载，分别布设2 车道、3 车道和4 车道，具体布载形式如图所示。计算得到2车道、3车道和4车道的汽车轮载影响线竖标总和分别为0.889和0.882 3 车道车轮载影响线竖标总和较2车道小，主要是由于3 车道需要考虑横向折减系数所致。因此，对于新桥7#T 梁最不利汽车荷载工况是2 车道布载形式，见图4（a）。
5.2 T梁承载能力极限状态验算
按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）第5.2.2 条规定进行抗弯承载力验算。在承载力极限状态下，预应力不作为荷载，而作为结果抗力的一部分。
①正截面抗弯承载力验算。
承载能力极限状态下新桥T梁的正截面抗弯承载力验算结果如图5所示，从图5中可以看出，拼宽T梁的正截面抗弯承载力满足要求。
②斜截面抗剪承载力验算。
承载能力极限状态下新桥T 梁的斜截面抗剪承载力验算结果如图6所示，从图6中可以看出，新桥T 梁的斜截面抗剪承载力满足要求。
5.3 横隔梁承载能力计算
根据MIDAS/CIVIL 计算得到9 片横隔梁拼接时新、旧桥跨中拼接横隔梁影响线，并根据《公路桥梁设计通用规范》（JTG D60—2004）的规定，沿横向布设汽车荷载，分别布设2 车道和3 车道。
①抗剪承载能力验算。
由于拼接横隔梁与旧桥T 梁间连接能力较差，因此，偏安全考虑，截面抗剪面积仅考虑预应力精轧螺纹钢筋面积。鉴于横隔梁的永久效应很小，计算中可忽略不计。9 片横隔梁拼接时，剪应力： ■
由此可以看出，9 片横隔梁拼接时，截面剪应力均小于4根Φ32预应力精轧螺纹钢筋容许剪应力270MPa，故横隔梁满足抗剪承载能力规范要求。
②抗弯承载能力验算。
偏安全考虑，拼接横隔梁截面抗弯承载能力验算按单筋矩形截面进行计算，仅考虑预应力精轧螺纹钢筋的贡献，且横隔梁截面高度取T 梁翼缘板底部至梁底高度。因此可得横隔梁截面抗弯承载能力为：
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■
■
鉴于横隔梁的永久效应很小，计算中可忽略不计。采用9 片横隔梁拼接时，承载能力极限状态下，弯矩效应值分别为425kN·m，小于拼接截面抗弯承载能力值514kN·m，故拼接横隔梁抗弯承载能力满足规范要求。
6 结论
采用此种方案拼接的新桥和旧桥主梁，承载能力极限状态下，新桥和旧桥T梁正截面抗弯承载力和斜截面抗剪承载力均满足要求；横隔梁满足抗剪承载能力及抗弯承载能力满足规范要求。目前福银拼宽桥梁已经通车，运行状态比较理想，结构安全可靠，为以后桥梁施工提供参考。
参考文献：
[1]郑振飞，吴庆雄著.斜弯桥跨分析的广义梁格法.
[2]JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].
[3]JTG D62-2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].
[4]DB43/T 801-2016，二次张拉低回缩钢绞线竖向预应力短索锚固体系设计、施工和验收规范[S]. |
