连续刚构桥加宽连接时机对结构受力影响.doc

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1、精品论文连续刚构桥加宽连接时机对结构受力影响研究王辉，刘伟，石雪飞5（同济大学桥梁工程系，上海，200092） 摘要：结合在建预应力混凝土连续刚构桥横向拓宽工程，采用全桥空间梁格模型研究了不同 连接时机对拓宽后桥梁结构受力性能的影响，得出随着连接时机增长，由于收缩徐变等时随 作用影响，旧桥整体弯矩图呈下移趋势，新桥弯矩图呈上移趋势；旧桥纵向应力呈减小趋势，10新桥纵向应力呈增大趋势；新旧桥箱梁翼缘连接处内力呈减小趋势；旧桥主要支反力呈减小 趋势，新桥主要支反力呈增大趋势。连接时机的选取对结构受力有较大影响，拼接时间应由 拼接后结构受力性能较好及经济性条件综合确定。 关键词：连续刚构桥；加宽；连

2、接时机；收缩徐变中图分类号：U448.27； U446.115Continuous rigid frame bridge widening connection timing of researchWANG Hui, LIU Wei, SHI Xuefei(Department of Bridge Engineering, Tongji University, Shang hai, 200092)20Abstract: In combination construction of prestressed concrete continuous rigid frame bridge wideni

3、ng project, the grillage model is employed to study the force performance of bridgestructure with different connection timing. With the connection time growth, whole bending moment diagram of old bridge shows down trend while that of new bridge shows upward trend, longitudinal stress of old bridge i

4、nclines to downwardness while that of new bridge showed a25trend of increase, the force of the flange joint of new and old box girders shows a trend of decrease, and bearing reaction of old bridge shows a trend of decrease while new bridge the opposite,due to the effect of shrinkage and creep. The c

5、hoice of connection timing has a great influence on the force performance of the bridge structure, therefore the time joining together should be comprehensively determined by good structural behaviors and economic conditions .30Key words: continuous rigid frame bridge; widened; connection timing; sh

6、rinkage and creep0引言随着近年来交通拥挤状况的加剧，桥梁的改扩建问题越来越多。对于桥梁拓宽来说，有 三种基本的拼接方式，即不连接，半刚性连接（铰缝），刚性连接。其中不连接的加宽方式35由于新旧桥梁混凝土的收缩徐变不同步，新旧桥梁将产生变形差，影响车辆行驶的平稳性。 另外，如果采用两桥连接加宽的方式则会存在新建部分桥梁的收缩徐变受到原有旧桥的约束，而产生额外的次内力，令加宽后桥梁处于不利的受力状态12。 桥梁一般拓宽时，既有桥梁已使用一段时间，即其混凝土已发生一段时间的收缩与徐变，而新建桥梁部分收缩徐变效应则刚刚开始。因此，为了避免新旧桥连接后整体的收缩徐变效40应令桥梁处于不

7、利状态，一般新建桥梁部分会放置一段时间后才进行连接。一方面，连接时 间过短，造成连接后桥梁受力不利；一方面，连接时间过长导致通车时间延误，会造成一定作者简介：王辉（1985-），男，硕士研究生，桥梁施工控制与信息技术研究通信联系人：石雪飞（1964-），男，教授，桥梁施工控制与信息技术研究. E-mail: - 5 -的经济损失。为此，研究新桥放置多长时间后连接不会对桥梁产生不良影响这一问题至关重要3。目前进行拓宽的桥梁中大多数为中小跨径的简支板桥与 T 梁桥，但随着主要高速公路45线路的改扩建，一些大跨度的混凝土连续梁及连续刚构桥也急需改扩建。对于前者，连接时 机研究已有著述3，而对于后者，

8、研究则较少。本文以沈阳至海口高速公路某混凝土连续刚 构桥为例，进行连接时机对结构受力行为影响研究，为后续工程提供借鉴。1工程概况与计算模型该桥为跨径组合 60210060m 的四跨预应力混凝土连续刚构桥，采用节段预制悬臂50拼装施工方案，箱梁采用 C60 混凝土，新建和重建桥均采用单箱单室断面，两个断面几何 尺寸仅一侧悬臂板长度有所不同，其余均相同，加宽后全桥典型横向断面图见图 1。比较有 趣的是，出于交通运输需求，该桥施工总体设想是先在原桥两侧修建新桥，待完成后，转移 原桥交通至旧桥，尔后拆除原有旧桥，在旧桥位置建立重建桥，最后左右每侧各两分幅桥梁 合二为一，形成整体。由此该桥拼接中，新建桥

9、即相当旧桥，重建桥即相当新桥，且与以往55桥梁拓宽项目不同，本次桥梁拓宽中旧桥与新桥收缩徐变均未完成，即旧桥与新桥时随变化 特性有一个时间差的存在。后续分析均使用新旧桥代替重建新建桥。图 1 加宽后全桥典型横断面图Fig. 1 Typical cross section of the whole bridge60为精确模拟桥梁加宽的时间与空间状态，考虑桥梁预应力损失，建立全桥空间有限元梁格模型，如图 2 所示，共建立 124 个施工工况，按照先施工旧桥即新建桥，通车后建造新桥 即重建桥，然后放置一段时间后新旧桥拼接的顺序建立全桥施工阶段模型，共建立 1799 个 节点，2078 个单元 。连接

10、时机的选取，主要影响考虑混凝土的收缩徐变，汽车荷载对连接时机的选择没有太65大的影响，因此，本文分析中没有考虑汽车荷载的作用。分析过程中考虑十年的收缩徐变作 用，采用的荷载组合为降温组合。70图 2 全桥梁格计算模型Fig. 2 Grillage model of the whole bridge2收缩徐变分析关系到桥梁加宽后桥梁受力状态的参数即时随变化参数，其中主要因素有收缩与徐变， 以及与收缩徐变耦合相关的预应力结构的预应力损失等。因此模型中收缩徐变的分析方法选75择对计算分析结果有着决定性的影响4。MIDAS CIVIL 中徐变计算有两种方法，一种是徐变系数法，直接采用阶段徐变系数计 算

11、单元应力；另一种是徐变度函数法，对应力及时间积分来计算徐变。本文采用第二种方法， 通过施工阶段精细划分，增加计算精度。一般认为收缩与构件应力状态无关，是构件内部物理化学作用的结果5。MIDAS CIVIL680中从时间 t0 到时间 t ，由收缩引起的应变可以表示为es (t, t0 ) = esz f (t, t0 )(1)其中，e sz 表示最终收缩系数， f (t, t0 ) 是表示时间的函数，t 为计算收缩时刻，t0 为收 缩开始时刻。3结果分析853.1连接时机对结构纵向内力的影响分析图 3 显示了随着连接时机的推迟，新桥箱梁的纵向负弯矩峰值逐渐增加，正弯矩峰值逐 渐减小，相对负弯矩

12、峰值增加的幅度正弯矩峰值减小较少。与之相反，旧桥箱梁的纵向负弯 矩峰值逐渐减少，正弯矩峰值逐渐增大，相对负弯矩峰值减少的幅度正弯矩峰值增加较少。559000558000557000556000弯矩值(KN*m)5550005540005530008200081000800007900078000新桥旧桥弯矩值(KN*m)720005520005510005500005490001周 3月半 年 1年2年连接时机7100070000690001周3月半年1年2年 连接时机90连接后新旧桥负弯矩峰值变化对比连接后新旧桥正弯矩峰值变化对比新桥旧桥图 3 连接时机不同新旧桥纵向内力变化对比Fig. 3

13、 The old and new bridge longitudinal bending moment maximum change with different connection timing3.2连接时机对结构纵向应力的影响分析由图 4 可以看出，所发生的新桥与旧桥各项应力随着连接时机变化的幅度都很小；新桥95法向压应力与主压应力随着连接时机的增长逐渐变大；旧桥法向压应力与主压应力随着连接 时机的增长逐渐变小，变化幅度小于新桥的法向压应力与主压应力；新桥主拉应力随着连接 时机的增长呈增大趋势，旧桥主拉应力随着连接时机的增长先减小后增大，但两者变化幅值 均很小。18.017.6新桥法向压

14、应力1.611.60新桥主拉应力 旧桥主拉应力17.2 新桥主压应力 旧桥法向压应力应力值(MPa)16.8 旧桥主压应力16.41.591.581.5716.015.615.214.814.41周 3月半 年 1年2年连接时机1.56应力值(MPa)1.551.541.531.521周 3月半 年 1年2年连接时机100105110连接后新旧桥压应力峰值变化对比连接后新旧桥主拉应力峰值变化对比图 4 连接时机不同新旧桥纵向应力变化对比Fig. 4 The old and new bridge longitudinal stress maximum change with different

15、connection timing3.3连接时机对结构横向内力的影响分析连接后，整体箱梁的横向受力计算，通过取左边墩顶、左主墩顶、中主墩顶和左中跨跨 中位置处横向构件进行计算，计算分析新旧桥箱梁在连接处翼缘的受力情况（计算荷载主要 包括结构自重、混凝土的收缩徐变和钢筋预应力），取具有代表性的断面如图 1 所示新桥翼 缘根部断面-，连接带断面-，旧桥翼缘根部断面-。具有明显受力特征的节段是 墩顶段与跨中段，由于篇幅所限，表 1 中仅列出了左中墩与左主跨跨中的三个断面的受力变 化情况，其他节段变化情况与之类似。从下表可以看出，新旧箱梁连接处(-)的内力基本上随着连接时间的推迟而减小，且 减小幅度较

16、大。旧桥箱梁翼缘(-)内力除左主跨跨中处轴力稍有增加外，基本上随着连接 时机的增长而减小，新桥箱梁翼缘(-)内力除左中墩处轴力稍有减小外，基本上随着连接 时机的增长而增大。115表 1 不同连接时机左中墩、左跨中横向内力分析Tab. 1 the left main pier and left mid span of bridge transverse internal force analysis in different connection timing截面位置连接时机轴力 kN剪力 kN弯矩 kN*m截面位置连接时机轴力 kN剪力 kN弯矩 kN*m一周后72.647.9-49.6一周后

17、3.462.2-46.6左中敦 -三月后69.450.3-60.3三月后-4.964.1-53.6左跨中半年后66.451.9-66.7半年后-9.965.4-58.7-一年后62.353.4-73.0一年后-15.366.9-64.6二年后58.354.8-79.0二年后-20.368.5-71.1一周后47.8-22.1-1.4一周后11.2-11.814.2左中敦 -三月后41.5-17.3-0.3三月后9.4-9.913.6左跨中半年后36.3-14.20.4半年后7.6-8.513.1-一年后29.6-11.00.9一年后5.1-7.012.3二年后22.6-7.91.3二年后1.9

18、-5.311.2一周后44.6-54.8-112.0一周后-11.8-64.6-67.5左中敦 -三月后40.0-53.3-99.6三月后-10.7-62.6-63.1左跨中半年后36.1-52.4-91.7半年后-10.9-61.0-59.8-一年后31.0-51.4-83.2一年后-12.1-59.3-56.3二年后26.1-50.5-75.2二年后-14.5-57.2-52.61203.4连接时机对结构支座反力的影响分析通过对比发现，旧桥与新桥支座反力的变化小，整体影响主要体现在桥面纵向 x 方向反 力、扭矩与桥面横向 y 方向的抗弯作用；其中垂直桥面 z 方向的扭矩变化最大，可达 50

19、%。 现将变化比较明显的平行桥面方向扭矩与垂直桥面方向扭矩绘图如下。1250010000750050002500弯矩值(KN*m)0-2500-5000-7500-10000-12500-15000-17500-20000-22500新桥主墩Mx 旧桥主墩Mx 新桥边墩Mx 旧桥边墩Mx Mx:桥面纵向扭矩1周 3月半 年 1年2年连接时机1800016000140001200010000弯矩值(KN*m)80006000400020000-2000-4000-6000-8000-10000新桥主墩Mz 旧桥主墩Mz 新桥边墩Mz 旧桥边墩MzMz:垂直桥面竖向扭矩1周3月半 年1年2年连接时

20、机125130135140连接后新旧桥支座反力 Mx 变化对比连接后新旧桥支座反力 Mz 变化对比 图 5 连接时机不同新旧桥支座反力变化对比Fig. 4 In different connection timing from the old and new bridge longitudinal stress of change4结论本文从四个方面分析了连续刚构桥拓宽连接时机对结构受力性能的影响，可以得出如下 结论：（1）随着连接时机的推迟，新桥箱梁的纵向负弯矩峰值逐渐增加，正弯矩峰值逐渐减 小，旧桥箱梁的弯矩峰值变化趋势与新桥相反。即在徐变发生的时间内，受徐变影响，随着 连接时间推迟，旧桥

21、整体弯矩图呈下移趋势，而新桥则呈上移趋势。（2）新桥法向压应力与主压应力随着连接时机的增长逐渐变大，旧桥变化趋势与之相 反，但应力值变化幅度都很小，相对来说，连接时机推迟，有利于旧桥，不利于新桥。（3）新旧箱梁连接带的内力基本上随着连接时间的推迟而减小，旧桥箱梁翼缘内力基 本上随着连接时机的增长而减小，新桥则相反。即连接时机推迟对结构拼接带横向受力有利， 对旧桥横向受力有力，对新桥横向受力不利。（4）旧桥与新桥的收缩徐变效应对于主桥的整体影响主要体现在沿桥纵向方向反力、 扭矩与沿桥横向的抗弯作用；新建桥主要反力随着连接时机的推迟而减小，新桥则增大，即 连接时机的推迟对旧桥有利，对新桥不利。（5

22、）综上，连接时机的选取对结构受力有较大影响，拼接时间应由拼接后结构受力性 能较好及经济性条件综合确定。参考文献 (References)1451501 王学军，杜进生，吴沛林等.高速公路桥梁拓宽中几个问题的讨论J.公路，2008，(7):169-174. 2 石雪飞,陈经伟.混凝土连续刚构桥加宽拼接带收缩性能分析J.公路,2012,(2):119-123.3 余家俭,刘喜元. 旧 PC 桥加宽一体化连接时间的研究J.国外桥梁,1995,(01) .4 Qing J W. Long-term effect analysis of prestressed concrete box-girder widening bridgeJ. Construction andBuilding Materials 2011,25 :1580-1586.5 Bazant. Prediction of concrete creep and shrinkage: past, present and futureJ.Nuclear Engineering andDesign,2001,No.203.6 midas 说明第二册-MIDAS6.70 使用说明,201207.