拼接处尺寸在不均匀沉降作用下对拼宽桥梁性能的影响

拼接处尺寸在不均匀沉降作用下对拼宽桥梁性能的影响

李清山

（重庆交通大学，土木工程学院 重庆 400074）

摘要：为研究预应力混凝土空心板桥拼接处尺寸对整体性能的影响，本文基于高速公路改扩建工程中某一标段的中型拼宽桥梁进行有限元仿真模拟，研究在基础不均匀沉降的作用下，新旧桥梁拼接处尺寸对拼宽桥梁整体性能的影响。研究结果表明，在基础沉降作用下随着拼接处尺寸的增加，使新旧桥梁整体的力学性能得到了提升，有利于桥梁的健康服役。

关键词：拼宽桥梁；有限元；拼接处；不均匀沉降

中图分类号：U442文献标识码：A

0引言

随着我国经济建设和道路桥梁建设的发展，为了使原有的旧桥梁继续得到使用而进行的更大的拓宽，在工程建设中往往采取在已建成的老桥的一侧建造类似的新桥梁[1]。使得新桥和旧桥的联系是由上部结构连接形成一个完整的新桥梁体系。同时，由于旧结构已经经历多年的服役，所以基础的沉降基本已经完成，而新建的拼宽桥梁结构尚未完成沉降，致使两者会出现沉降差[2]，该沉降差对桥梁产生的力学影响会通过连接处传递。为此，本文也将利用ABAQUS分析在基础出现不均匀沉降的条件下，对拼宽桥梁的拼接处进行分析进一步来对其整体性能进行判断。

1工程概况

本项目高速公路改扩建工程的该标段中存在数量较多的中、小跨径预应力混凝土空心板桥，沿线桥梁跨径主要为10m、14m、16m，高速公路改扩建处的空心板桥梁的使用性能随运营周期的延长和行车荷载的加大而不断衰减，设计单位拟采用桥梁加宽方案进行交通优化。常见的拼宽方式有三种[3]。本次研究的拼宽采取的方式为上部结构相连、下部结构不连接的方式。

本次研究针对16m跨径装配式预应力混凝土空心板桥采取上部构造连接、下部构造不连接形式加宽处理。其旧桥桥面宽度为11.24m，单侧拼宽7.81m，改建后桥梁为桥面宽度2×19.05，孔数及孔径为6×16，桥梁全长为100.86m；旧桥存在9片单幅桥梁板，新桥则为6片，旧桥预制板高、板间距分别为0.85 m、1.25 m，新桥则分别为0.85 m、1.25 m。新、旧主梁均是采取C50混凝土施工。上部构造则为新旧主梁的刚性湿接缝连接，连接结构能够有效传递部分弯矩和剪力。下部结构拼宽采用桩柱式桥墩和肋板台与旧结构的下部结构分离，加宽方案采用二级普通钢筋。加宽后整体桥梁截面示意图如图1所示，其中左侧为新建桥梁右侧为旧桥。

图1加宽后整体桥梁截面示意图

2简支空心板ABAQUS模型的建立

2.1部件的创建与装配

结合上述工程概况，本文主梁模型采用Auto CAD进行绘制，之后导入草图进而采用ABAQUS实体结构进行建模，桥梁的钢筋和相应的铺装层直接在ABAQUS中进行绘制建模，下一步进行整个模型的各部件间的属性赋予和指派，最后进行各部件的装配，相关参数如表1所示。

表1拼宽桥梁部分材料参数

2.2分析步的设置

在设计分析步时考虑到此种情况，将step-1设置为桥梁自重作用下分析，将step-2设置为不均匀沉降4mm的载荷情况，在此基础上进行研究不同拼接处高度对整体桥梁的性能研究。

2.3相互作用

本模型对于不同位置采用了不同的相互作用。钢筋与桥梁混凝土的相互作用设置为“embeded”[4]；支座以及桥面铺装与桥梁结构采用Tie连接进行约束；边界条件参考点与支座进行耦合处理，以便于边界载荷的施加。

2.4网格的划分

在Abaqus 模拟混凝土单元时，本次模型混凝土结构均采用C3D8R[5]类型的网格来作为混凝土单元类型。桥梁中的钢筋网格单元类型均采用的是T3D2类型，沥青铺装层采用单元类型与混凝土单元类型相同。为了使模拟更加贴近试验，原始构件采用常规的CDP，本研究中取弹性阶段。

2.5边界条件与载荷

模型中的支座约束采用工程竣工图纸方案进行桥梁结构简支约束；设置重力加速度9810 mm/来考虑模型中部件的重力。分别在支座处施加竖向位移4 mm以此来作为新建桥梁出现的基础沉降。

3模拟结果分析

本文采用在新建桥梁支座处施加不均匀沉降值大小为4mm，来探究拼接厚度分别为250mm与730mm对桥梁的应力、损伤和位移情况的影响，具体结果如下。

3.1应力的变化

对于两种尺寸的拼接处在重力作用下和在发生沉降后的应力峰值点以及峰值非常的接近，不同的是两种不同尺寸在发生沉降后出现的应力分布不同。由分析的结果显示：在出现沉降后，新建桥梁的应力分布情况相似，但是旧桥梁的应力出现差异。在拼接尺寸较小时，旧桥的应力分布与拼接尺寸较大时相比，应力分布表现出更为复杂的情况。应力分布如下图所示。

图2应力分布云图

3.2混凝土损伤情况

对于其拼接尺寸不同的两种情况下混凝土损伤情况也表现出了不同，由分析结果可以看出，在支座处都添加4mm强制位移时，拼接尺寸较小的情况下相较于拼接尺寸较大，混凝土的受压损伤是较小些。由此结果，可以得出拼接尺寸的变大使得新旧桥梁连接更为密切，所以在

相同的外部荷载条件下，其受力较大导致混凝土的受压上升，使得损伤较大。分析结果如下图所示。

图3混凝土受压损伤

3.3位移的变化情况

在新建桥梁支座处都添加4mm强制位移后，拼接尺寸较小的跨中挠度与拼接尺寸较大的跨中挠度大小相近，但是拼宽尺寸较小的在旧桥处发生向下挠曲范围较大。虽然新建桥梁部分两者的挠度范围相近，但是新建桥梁的整体性能比旧桥较好，所以对于拼宽桥梁的整体来讲，拼接尺寸大的拼宽桥梁比拼接尺寸小的性能较好。拼接桥梁的位移云图如下所示。

图4拼宽桥梁的位移云图

4结束语

高速公路桥梁改扩建工程逐渐的出现在工程行业，改扩建桥梁已然成为在既定路线不发生改变的条件下，来解决逐步攀升交通量的问题方案。同时，桥梁结构拼宽后整个桥梁结构受力也变得较原桥梁更为复杂，针对加宽桥梁开展性能变化分析能够为后续桥梁施工提供重要理论支撑。本文依托高速公路改扩建工程某一标段的空心板梁工程进行上部连接、下部不连接加宽形式的有限元分析，获取相关结论：在新旧桥梁基础发生不均匀沉降的条件下，随着拼接处尺寸的增加，降低了旧桥出现较大应力的情况，使得新旧桥梁整体的力学性能得到了提升，优化整体结构受力状态。

参考文献：

[1]杨新燕.桥梁T梁与箱梁斜向拼接结构受力性能有限元分析[J].水利与建筑工程学报,2022,20(5):178-184.

[2]许梁,邹黎琼.基础沉降差对连续梁桥拼宽的影响及控制[J].土木工程与管理学报,2022,39(03):101-106.

[3]宋振旺,马振芳,陈衡等.公路改扩建工程中桥梁拼宽加固施工技术研究[J].交通建设与管理,2023,(03).

[4]周剑,罗晓峰,李文志,等.基于有限元模拟支座沉降对箱梁应力影响研究[J].四川建材,2023,49(08):58-60.

[5]凌之涵.碳纤维布加固震损装配整体式混凝土框架节点抗震性能试验研究[D].武汉科技大学,2020.