（一般力学与力学基础专业论文）公路拓宽斜桥地震反应分析.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国改革开放和经济建设的飞速发展，大量早期建成投入运营的公路桥梁， 难以满足日益增长的交通要求。旧桥的拓宽改建将越来越多的呈现在工程建设者面前， 公路桥梁在改建过程中往往要受到周边已有建筑物的影响，为避免对已有建筑造成影 响有时需要采用桥墩斜布的特殊结构形式。对这种特殊结构进行上部结构施工阶段力 学分析和桥梁整体地震反应分析具有十分重要的意义。 本文以某高速公路拓宽斜桥为工程背景分别对桥梁拓宽过程中上部结构在体系转 换阶段的受力状态以及拓宽后的斜桥抗震性能进行分析，主要研究内容包括： 1 ) 桥梁拓宽过程中预制梁的存梁时间，桥梁从简支到连续以及最后拼接成桥过程 中的受力变化进行分析，得出了预制t 梁的合理存梁时间以及新桥部分在体系转换阶 段的内力、位移变化均满足设计要求。 2 ) 分别建立考虑和不考虑桩一土一结构相互作用的力学模型，对桥梁的自振特性 进行分析，由分析得出桩一土一结构相互作用使得桥跨结构变柔，频率减小。 3 ) 运用反应谱法和时程分析法对桥梁进行地震反应分析，探讨分析桩一土结构 相互作用对结构地震反应的影响，计算结果表明桩一土一结构相互作用减小了桥梁墩 底的内力，增大了桥梁墩顶的位移。 4 ) 将反应谱法和时程分析法对桥梁地震响应特性计算结果进行对比，结果表明使 用反应谱法对桥梁进行地震反映分析所得桥墩的位移、内力结果较时程分析法所得结 果略大，因此使用反应谱方法计算所得结果是偏安全的。 关键词：桥梁拓宽；拼接：斜桥；收缩徐变；地震反应分析；桩一土一结构相互作用 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a sc h i n a sr e f o r ma n do p e n i n gu pa n de c o n o m i cc o n s t r u c t i o no ft h er a p i dd e v e l o p m e n t o fal a r g en u m b e ro fe a r l yh i g h w a yb r i d g e sc o m p l e t e da n dp u ti n t oo p e r a t i o n ，i ti sd i f f i c u l tt o m e e tt h eg r o w i n gt r a f f i cd e m a n d s w i d e n i n gt h eo l db r i d g ew i l ls h o wm o r ea n dm o r e b u i l d e r si nt h ew o r k s e y e s ，b r i d g ei nt h ec o n v e r s i o np r o c e s si so f t e ns u b j e c tt ot h ei m p a c to f e x i s t e db u i l d i n g sa r o u n d ，i no r d e rt oa v o i dt h ei m p a c to nt h ee x i s t e db u i l d i n g s ，i ti sn e c e s s a r y t ou s eas p e c i a lp i e rs k e ws t r u c t u r e a n a l y z i n go nt h ep a r t i c u l a rb r i d g et h ec o n s t r u c t i o n p e r i o da n dt h es e i s m i cr e s p o n s eo fb r i d g eh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c e b a s e do naw i d e n i n gh i g h w a ys k e wb r i d g e ，t h ew i d e n i n gb r i d g es u p e r s t r u c t u r ed u r i n g t h ec o n v e r s i o np h a s es t r e s ss t a t ea n ds e i s m i cr e s p o n s eo ft h eb r i d g ea r ea n a l y z e d t h em a i n r e s e a r c hc o n t e n t si n e l u d e ： 1 ) t h ed e p o s i tp r e c a s tb e a m t i m eo fb f i d g ew i d e n i n gp r o c e s s ，ac o n t i n u o u sb r i d g ef r o m s i m p l es u p p o r tt ot h eb r i d g ea n dt h ef i n a ls t i t c h i n gp r o c e s sc h a n g e si nt h ef o r c ea n a l y s i s t h e a n a l y s i sw eo b t a i n e dar e a s o n a b l ed e p o s i tt i m eo fp r e c a s ttb e a mb r i d g e a n ds y s t e m t r a n s f o r m a t i o ni na l ls t a g e so fi n t e r n a lf o r c e ，d i s p l a c e m e n tc a nm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s 2 ) p i l e - - s o i li n t e r a c t i o nt ob ec o n s i d e r e do rn o tm e c h a n i c a lm o d e la r ee s t a b l i s h e d ，t h e b r i d g ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e d b r i d g es t r u c t u r ec h a n g e sf l e x i b l ea n dt h e f r e q u e n c yd e c r e a s e sw h e np i l e s o i l - s t r u c t u r ei n t e r a c t i o nc o n s i d e r e d 3 ) u s i n gr e s p o n s es p e c t r u mm e t h o da n dd y n a m i ct i m eh i s t o r ym e t h o dt h es e i s m i c r e s p o n s ea n a l y s i st o t h eb r i d g e ，a n a l y s i so fp i l e - s o i li n t e r a c t i o no i ls e i s m i cr e s p o n s e p r o p e r t i e s t h ec a l c u l a t e dr e s u l t si n d i c a t et h ep i l e - s o i l s t r u c t u r ei n t e r a c t i o nd e c r e a s e st h e i n t e r n a lf o r c eo ft h ea b u t m e n tp i e ra n di n c r e a s e st h ed i s p l a c e m e n t 4 ) c a r r yo u tt h ec o i n c i d e n te a r t h q u a k er e s p o n s e sa n a l y s i st ot h eb r i d g eu s i n gd y n a m i c t i m eh i s t o r ym e t h o da n dc o m p a r ei t 、杭mr e s p o n s es p e c t r u mr e s u l t t h eb e f o r em e t h o d c a l c u l a t e dr e s u l t sa b o u tt h ei n t e r n a lf o r c ea n dd i s p l a c e m e n to fa b u t m e n tp i e ra l eb i g g e rt h a nt h el a t t e r , t h e r e f o r e ，t h ec a l c u l a t e dr e s u l t so fu s i n gr e s p o n s es p e c t r u mm e t h o da r es a f e r k e yw o r d s ：w i d e n i n go fb r i d g e ，s p l i c i n g , s k e wb r i d g e ，s h r i n k a g ea n dc r e e p ， s e i s m i cr e s p o n s ea n a l y s i s ，p i l e s o i l s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书： 2 不保密吼使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名李滔妻 指导老师答名： 日期之秒夕尹6 月捆 日期： 专三招 幽崎翻纠 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 以某高速公路拓宽斜桥为工程背景，对桥梁上部结构施工过程进行了力学分析， 具有较强的工程实际意义。 2 分别采用反应谱法和时程分析法对拓宽斜桥的地震反应进行计算分析，并将两 种计算结果进行了对比，验证本桥地震反应分析的结果。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位做储签名辱淌矗 日期勿啤纠7 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题的背景和意义 第1 章绪论 高速公路的快速发展要求沿线桥梁的建设速度大大加快。高速度的行车要求桥梁 具有良好的力学性能以及较少的伸缩缝构造，以获得较好的平顺性和舒适性。为了解决 桥梁建设速度问题，并保证其良好的力学性能，出现了“先简支后连续 施工法，由此 形成先简支后连续结构体系。简支梁桥在桥面连续后，减少或消除了连续跨内的伸缩 缝，获得了较长的连续桥面；而在垂直力的作用下，各跨仍然保持简支梁受力的基本特 征，桥面连续部位近似于一种不完全铰的作用。 随着我国改革开放和经济建设的飞速发展，公路和城市道路的现代化建设也在加 快进程。大量早期建成投入运营的公路桥梁，难以满足日益增长的交通要求，存在严 重的问题，如交通拥挤、行车速度减慢、交通组织困难、日常养护工作也难以正常展 开等，这些问题严重制约了快速通道的作用发挥，已成为公路运输线上的“瓶颈 ，不 利于沿线经济的长期可持续发展。旧桥的拓宽改建是一项比较繁琐的工程，随着我国 经济建设和道路桥梁工程不断增加，此类工程将越来越多地呈现在我们面前，公路桥 梁在改建过程中往往要受到周边已有建筑物的影响，为减少已有建筑物对加宽桥梁的 影响，有时需采用斜交桥墩的设计方案，避免按正交桥墩设计影响其它建筑物。在拓 宽桥主梁预制好后，存放多久开始架设、拼接比较合理，为此需要对预制梁的存梁养 护时间进行有相关的分析研究，得出具有参考意义的结论。拓宽的新梁和老桥拼接成 整体后，混凝土的收缩徐变对合为一体后的两种结构体系的影响，桥墩由正交转斜交 的布置方式对桥梁上部结构主要控制截面内力、应力、以及支反力的影响，两阶段在 施工过程中受力复杂，对结构的内力、变形影响较大，因此对拓宽斜桥进行上部结构 施工阶段受力分析，并判断两体系转换阶段结构内力、位移变化是否满足设计要求， 确保施工过程中结构的可靠度和安全性以及桥梁成桥线形符合设计要求。 桥梁工程作为生命线工程之一，在国民经济和社会生活中起着举足轻重的作用， 对其进行地震反应分析尤为重要。从多次震害的调查结果显示：地震中桥梁的毁坏非 常严重，桥梁的损毁切断了震区交通生命线，造成救灾工作的巨大困难，使次生灾害 加重，导致了巨大的经济损失。据统计全世界每年都要发生5 0 0 余万次地震【1 】【4 j ，这些 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 地震绝大多数很小，不用灵敏的仪器测量不到，成为微震：其中能造成严重破坏的强 烈地震，平均每年发生1 8 次。我国处在世界两个最活跃的地震带上，东临环太平洋地 震带，西部和西南部为阿尔卑斯一喜马拉雅地震带所经过的地方，是地震多发的国家之 一。地震灾害在世界上居于首位，同时地震灾害也是我国最主要的地质灾害。远在3 0 0 0 多年以前我国就有关于地震的记载。自二十世纪以来，我国大约平均每3 年发生两 次7 级以上的地震而每两次地震中就有一次酿成重灾0 2 i i ”。1 9 7 5 年的海城地震中6 1 8 座桥梁中有1 9 3 座遭到不同程度的损坏，损坏桥梁占桥梁总量的3 1 2 ：在1 9 7 6 年的 唐山地震中，唐山地区公路桥遭到不同程度破坏，占桥梁总数的6 2 口i 。5 1 2 汶川特 大地震中，公路、桥梁、隧道各类交通基础设施损毁的直接经济损失达6 7 0 亿元，其 中桥梁损毁6 1 4 0 座，损毁情况最为严重( 摘自四川新闻网) 。图1 1 和图l 一2 为在汶 川地震中受到极大破坏的都汶高速上的某大桥和彭州小鱼洞大桥( 摘自四川新闻网) 从 圈中我们可看出，两座桥均不属于大跨度桥梁，但在此次地震巾也受到毁灭性破坏， 因此不能忽略对中小跨度桥粱的抗震设计。 图i 一1 都汶高速大桥 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 图1 - 2 彭州小鱼洞大桥 事实表明，世界上由于地震袭击而毁坏的桥梁数量，远远多于因风振、船撞等其 他原因而破坏的桥粱。随着现代化城市人口的大量聚集和经济的高速发展，对交通道 路的依赖性越来越强而一旦地震使交通线遭到破坏，可能导致的生命财产以及间接 损失也将会越来越巨大。我国1 9 7 6 年唐山大地震，城市人口15 0 万，在遭遇7 8 级地 震的袭击下，整个城市毁于一瞬问，死亡人数近2 4 万，经济损失超过1 0 0 亿人民币。 但是，1 9 8 5 年智利拥有人口1 0 0 余万的整个菜索市遭受同样强度的地震，却只有1 5 0 人死亡，不到周，城市功能恢复原状。如同本，政治、经济、教育、文化、贸易中 心的首都东京在吸取1 9 2 3 年关东大地震的教训后，在建设中十分注意城市抗震设 防，要求城市建筑物能抵御8 级大地震。因而在1 9 8 6 年东京遭受6 2 绒地震时，一座 千万以上人口的城市仅死亡2 人，城市几乎没有遭受损坏嘲。近年来我国已进入地震活 跃期，人们越来越重视建筑物的抗震能力。本文研究桥梁虽不属于大跨桥梁，但在历 次地震中中小跨度的桥梁损毁状况也十分严重，而且本桥斜交的拓宽方式使结构体系 发生了重大变化，结构受力复杂，进行抗震分折十分必要。 1 2 拓宽斜桥上部结构施工阶段受力分析以及地艇响应研究简介 随着交通量的不断增长很多早期建设的各级公路已无法满足运营要求，公路拓 宽成为一种有效缓解交通压力的方式。目前拓宽桥在高速公路上也较为常见，如京珠 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 国道主干线郑州至漯河段高速公路上的某小箱梁桥【6 】，拓宽桥与旧桥采用相同的布置方 式，均为正交小箱梁桥。拓宽后结构的受力变化主要为新桥收缩徐变在新旧桥间引起 的内力变化，新旧桥之间的内力重分布方式较为直接，结构内力变化情况相对简单， 拓宽后桥梁的内力和位移变化也比较小。位于沪宁高速公路无锡段上的某公路桥以及 安徽省某高速公路上的两座拓宽斜桥 7 1 ，桥的上部结构分别采用跨径3 0m 的工字梁和 小箱梁，两桥虽为斜桥，但均为斜桥正做的布置方式，即梁斜向布置，桥墩与梁的布 置方式仍为正交。由于梁斜交布置，引起拓宽桥的梁长与旧桥不同，在拼接成整体后， 结构的受力情况较正交拓宽桥复杂，现在对此类拓宽的斜桥已有较多的研究，并取得 了一定成果。目前桥墩和梁斜交布置的桥梁在国内外均较为少见，本桥在新桥由简支 转为连续阶段、新桥与老桥拼接成整体阶段及成桥阶段的受力特性与常见拓宽桥有很 大不同，因此有必要对结构进行空间静力分析和局部应力分析。 国内外桥梁抗震反应分析的发展过程可以大致分为以下几个阶段：静力法、反应谱 法、动力时程分析法。静力法理论最初由日本学者大方森吉在1 8 9 9 年提出。把地震力 视为静力作用在结构上，进行结构线弹性静力分析计算。1 9 4 8 年，豪斯纳提出基于加 速度反应谱曲线的弹性反应谱法。自1 9 5 8 年第一届世界地震工程会议之后，这一方法 被许多国家所接受，并逐步被采纳应用到结构抗震设计规范中。借助于强震台网收集 到的地震记录和模拟电子计算机，豪斯纳在2 0 世纪5 0 年代末开始把地震记录输入到结 构上，来计算结构的地震反应，这种方法即为最初的动态时程分析法。日本则于2 0 世 纪6 0 年代初，在武藤清教授的领导下，也开始进行这种研究。随着数字计算机的发明， 6 0 一7 0 年代动态时程分析方法在国外得到迅速发展，在国内大量开展这方面工作，则开 始于7 0 年代末和8 0 年代初期。目前虽然对中小跨度桥梁地震反应已有较成熟的研究， 并且世界各国也都有相应的抗震规范，但对于中小跨度的斜交桥，尤其是桥墩与梁斜 交的中小跨度桥梁，抗震规范并没有做出明确说明，仍处于无规可循的状况。我国公 路桥梁抗震设计规范虽没有对桥梁的桥型做详细的规定，但指出对于新型结构应做专 门的研究。 迄今为止，我国对桥墩与梁斜交布置方式的桥梁，无论是在施工阶段的静力分析 还是地震反应分析都甚为缺乏，因此对实际工程中的特殊结构进行专门的动力分析是 十分必要的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 1 3 本文工程背景介绍 本文研究对象为福州至泉 幅桥，全长7 6 0 5 m 。本文取大 桥。为满足交通运输的需求， 致，依然采用先简支后连续t 本桥第三联第6 、7 孔将萑 墩将侵入已有的市政道路。为了避免拓宽桥侵入已有的道路，相应的5 、6 、7 、8 号桥 墩采取正交转斜交的布置方式。斜交角度分别为1 9 。、3 8 。、1 9 。、3 8 。，如图l - 4 所示。 图1 - 3 桥梁立面图 翁p 增历冀鲢d 劢! 翁7 - r 蕊b d 飞| a f ? 亳a 7 圆圆，夕影l ， 渤1 1 i i 复烈, g - 7 0 r i 一勺蛐。i i j 八f jf 0 图1 _ 4 斜交部分桥梁平面图 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3 1 地质状况及结构参数 1 ) 地震 桥址地震基本烈度为，地震动峰值加速度为0 1 5 9 。 2 ) 地层结构 根据地质钻探与地表调查现实，桥址河段主要分布有第四系含沙淤泥、第四系粗 砂、卵石、残积砂质粘性土、及碎块状强风化花岗岩。 3 ) 上部结构 桥梁上部结构为83 0 m 的装配式先简支后连续预应力混凝土t 梁桥。 主梁高度2 0 m ，梁间距分别为2 1 m 和2 2 m ，其中拼接中梁预制宽度为1 1 m 、中 梁预制宽度1 7 m 、边梁预制宽度1 8 5 m ，翼缘板中间湿接缝宽度分别为0 6 5 m 和0 5 m 。 原桥外边梁和加宽桥拼接中梁的梁间距为1 6 m 拼接部分湿接缝的宽度为0 7 m 。主梁 跨中肋厚0 2 m ，马蹄宽为梁两端部均匀加厚段0 6 m 、中部均匀段0 4 6 m 。每隔5 m 设 一道横隔板，横隔板厚0 2 m 。t 梁截面形式如图1 5 所示。 拼接中粱i i 号l t 一 图1 5t 梁截面图单位( c m ) 4 ) 上部结构 桥墩采用圆柱式桥墩。桥台采用肋板式桥台，基础为钻孔灌注桩基础。 移 j 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 5 ) 桥面系 拓宽后单幅桥宽为2 0 5 m = 0 7 5 r n ( 防撞栏) + 1 9 2 5 m ( 行车道) + 0 5 m ( 防撞栏) 。 桥面铺装采用6 c m 厚沥青混凝土、1 0 c m 厚c 4 0 防水混凝土。 1 3 2 材料参数 1 ) 混凝土 ( 1 ) 主梁、翼缘板、横隔板、湿接缝、现浇连续段均采用c 5 0 砼； ( 2 ) 原桥和加宽桥拼接部分湿接缝及现浇横隔板采用c 5 0 的补偿收缩混凝土。 ( 3 ) 桥面铺装采用抗渗等级为w 4 的c 4 0 砼。 2 ) 预应力筋 预应力钢束采用高强度低松驰7 丝捻制的预应力钢绞线，公称直径为1 5 2 0 m m ， 公称面积1 3 9 m m 2 ，弹性模量e p = 1 9 5 x1 0 5 m p a ，1 0 0 0 h 后应力松驰率不大于2 5 ， 其技术性能必须符合中华人民共和国国家标准( g b t5 2 2 4 2 0 0 3 ) ( ( 预应力筋用钢绞线 的规定。 3 ) 支座 桥墩采用g j z 3 5 0 x5 5 0 8 7 板式橡胶支座。 1 4 本文主要研究内容 本文主要的研究内容如下： 1 ) 采用大型通用有限元程序m i d a s c i v i l ，建立桥梁上部结构，对预制t 梁的存 梁时间，桥梁由简支转换成连续阶段、连续转换成整体阶段以及桥面铺装完成后的不 同施工阶段进行受力分析，确保结构满足设计要求。 2 ) 建立桥梁的动力学计算有限元模型并计算其动力特性。 3 ) 按照设防地震烈度输入规范设计反应谱【3 0 1 ，对桥梁进行地震反应谱分析。 4 ) 按照设防地震烈度输入地震波，对桥梁进行一致激励下地震时程反应分析，并 对新旧桥的关键结构部位进行详细受力分析以及通过计算结果的比较，分析桩一土一结 构相互作用对结构地震反应的影响。 5 ) 对计算结果进行比较，分析反应谱法与时程法对结构计算结果的影响。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章桥梁拓宽施工方式和受力分析 2 1 拓宽桥上部结构拼接技术研究 2 1 1 桥梁拓宽的原则 近年来，随着我国公路交通运输的发展，早期修建的高速公路通行能力日趋饱和， 部分四车道的高速公路已不能满足交通量的增长需求，因此对其进行改扩建，提高其 通行能力已成为当务之急。桥梁在现代高速公路中占有较大比重，加上桥梁加宽存在 技术复杂、实施难度高、对现状交通影响大的特点，因此桥梁加宽设计成为高速公路 改扩建工程的重点。在桥梁拓宽过程中应遵循一定的设计原则。根据现有道路构造物 的特点、拓宽的整体要求及桥涵结构物拓宽加固的特殊性，重点提出以下设计原则【7 】： 1 ) 首先收集旧桥的设计、竣工资料和地质资料，对全线原有桥梁构造物进行归类 分析和现场调查，进行必要的研究、论证，以选择合理可行的建设方案。 2 ) 桥涵构造物的改扩建，本着“安全、适用、经济、美观和有利环保 的原则， 因地制宜，尽量利用原有构造物，灵活运用新、旧桥梁设计规范。桥梁的拼接加宽宜 采用与原桥同跨径、同结构型式，力求标准化、装配化、外观一致性。 3 ) 对现有老桥逐一进行检测、验算、分析归类，合理确定加固利用方案，提高其 承载能力。 4 ) 在确定桥涵构造物加宽加固方案的过程中，应充分注重结构的耐久性和可靠性 要求，同时考虑施工的可实施性和方便性，降低后期养护成本。 5 ) 在研究桥梁改、扩建方案时，应将拟实施的技术方案与施工期的交通组织统筹 考虑。做到技术方案与交通组织方案的协调统一，努力实现“施工过程不中断交通 的目标，将施工期对现有交通的影响程度降到最低。 6 ) 桥梁的改、扩建应充分考虑沿线群众对通行的净空要求，了解沿线城镇发展和 交通规划情况，做好沟通协调工作，促进社会、经济的和谐发展。通过顶升、下挖、 拆除重建等方式，适当提高净空标准，方便群众生活和促进地方经济发展，努力提高 人民群众的满意度，降低改扩建的实施难度。 7 ) 部分路段沿线城镇化水平较高，从减少拆迁占地、降低工程造价和可持续发展 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 理念出发，充分做好桥梁改扩建方案的比选论证，注重提升土地和城市空间利用率。 8 ) 强调桥梁的美学和环保要求。老桥的加宽应考虑与原桥的外观一致性；跨线桥 和分离式立交桥在拆除重建的过程中，应注意桥梁结构型式与周围景观的协调性；距 居民区较近的路段，应注意施工期和运营期的噪声影响，采取相应的降噪、隔音措施。 2 1 2 桥梁横向拼接加宽方式 拓宽桥与1 日桥之间的横向连接是桥梁加宽成败与否的主要因素，通过对国内现有 高速公路拓宽桥的初步分析，桥梁拓宽常用的横向连接类型有3 种：上部结构、下部结构 均不连接：上部结构、下部结构均连接；上部结构连接、下部结构不连接。三种类型各 有其优缺点。 1 ) 上部结构、下部结构均不连接 采用上部结构、下部结构均不连接时，新桥与旧桥各自受力明确、互不影响，简化 了施工程序，减小了连接的施工难度，基本不影响原高速公路交通。缺点是在汽车荷载 作用下，新旧桥主梁产生的不均匀挠度以及新桥变形大于旧桥后期变形产生的不均匀 沉降，将会造成新旧桥之间桥面铺装层破坏，从而形成纵向裂缝和横桥向错台，影响行 车舒适、安全和路容美观，增加后期的养护维修工作及维修费用。 2 ) 上部结构、下部结构均连接 采用上部结构、下部结构均连接时新桥梁与旧桥梁形成一体，减少了由基础不均 匀沉降、汽车活载、温度荷载等所致的新旧桥连接处的不均匀变形。缺点是新桥与旧 桥的上部结构由于存在混凝土收缩、徐变等变形不一致的影响，再加上新桥基础沉降 大于旧桥基础沉降等原因，所以结构内部产生的附加应力较大也较为复杂，易在桥梁 下部结构的盖梁、墩台连接处产生裂缝；同时上部结构连接处也可能出现裂缝，影响 行车和桥面美观性，增加维护工作量；而且，下部结构连接时需大量植筋，工程量大、 成本高，对原高速公路交通影响较大，施工也十分繁琐。该连接方式中，存在的另一 个问题是在不封闭交通情况下，如何保证新旧桥间混凝土接缝的浇筑质量。 3 ) 上部结构连接、下部结构不连接 采用上部结构连接、下部结构不连接时，新桥与旧桥上部结构连接，形成整体，有利于 上部结构共同受力、行车舒适及路容美观：下部结构不连接，下部各自受力，内力相互不 影响，可以减少由于新桥与旧桥的上部结构的变形不一致、新旧桥基础不均匀沉降而 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 产生的附加内力。缺点是由于新桥与旧桥的混凝土收缩徐变等的不一致，以及新旧桥基 础的不均匀沉降等所引起的附加内力不能被完全克服时，对结构必然造成不利影响。 上连下不连的连接方式综合上述两种连接方式的优缺点，将新、旧桥上部构造横 向连接而下部构造不连接，上部构造横向联结部将承受由于新、旧桥基础沉降、收缩 徐变不一致产生的附加内力；新、旧桥梁下部构造不产生相互影响：上部构造连接对 下部构造产生的内力影响也很小。为减小新、旧桥基础沉降差异，可通过加强新桥地 基处理、增加桩长等措施来解决。针对上部构造自身产生的附加内力，采用增大连接 部位配筋、改善构造、延期浇筑连接部混凝土等措施来解决。上部构造相互连接、下 部构造不连接的方式，已用于杭甬高速公路、沪宁高速公路等多个加宽桥工程，目前 沪宁高速公路扩建已通车三年多，使用情况较好，未出现桥面纵向裂缝。 2 1 3 拼接技术要求与设计 1 ) 需对旧桥结构进行切割、凿除时，应严格按结构不被破坏( 不出现裂缝等) 、不 降低承载能力的原则进行。设计要求尽量采用切割的拆除方式，对混凝土切割面须按 施工缝处理，须凿毛，以保证新老混凝土的可靠连接。 2 ) 拼接部分在拼接之前尽量减小沉降量以及调整跨中上拱度( 预应力混凝土结构) ， 采用预压方式进行调整，拼接时间控制在2 个月3 个月。对于连续t 梁结构，为减小收 缩徐变的影响，建议主体结构完成之后，延迟3 个月6 个月再进行拼接连接。 3 ) 为减小新旧桥基础差异沉降，在不影响旧桥基础承载力的条件下，合理选用新桥 基础的桩长、桩径、桩数。 4 ) 为控制架设梁、板后的顶面高程与旧桥梁、板的顶面高程一致，设计应依据外业 实测数据校核新旧桥结构在拼接处的高程。 5 ) 由于新旧桥上部结构连接时，总是通过现浇一定宽度的混凝土接缝来实现，因此， 现浇混凝土接缝在施工、养护及在随后的使用过程中，不宜出现过大的变形和开裂。 6 ) 拼接设计 综合考虑基础不均匀沉降，车辆荷载振动，混凝土徐变、温度应力等因素，本桥t 梁的加宽设计，采用了上部构造连接、下部构造不连接的连接方式，见图2 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 口口口 2 1 4 拼接部的构造处理 图2 1 桥梁整体拼接示意图 通过增设横隔板、翼缘板湿接缝和设置预应力连接钢筋，将新、旧结构的主梁横 向拼接起来，成桥后新、旧桥共同受力。新旧结构间的横隔板采用部分预制+ 部分现浇 的施工方法。易于安装，拼接可靠，成桥后整体性较强。 2 2 混凝土收缩徐变对拓宽桥受力影响分析 混凝土的收缩和徐变是与时间有关的两个重要的物理性质，历来受到国内外研究者 的普遍关注。收缩徐变是混凝土粘弹性的基本特征之一。收缩徐变对桥梁结构不仅影 响大、持续时间长，而且变化复杂不易把握。收缩是指由于混凝土中所含水分的变化、 化学反应及温度降低等因素引起的体积缩小，与混凝土的荷载历史无关，通过改变混凝 土中的应力条件是无法消除收缩的。徐变是指在固定应力或荷载作用下，应变随时间 的增长而不断发展的一种现象。它的发展规律与加载历史紧密相关，混凝土的收缩常 常要持续很长时间，甚至二十多年以后还在继续收缩。一种被普遍接受的意见是混凝 土的收缩、徐变特性是由一些共同的基本因素所决定的。事实上，徐变是在应力作用 之下产生的。而收缩的产生与应力无关。收缩、徐变虽各有自身的特点，但它们都可 以与混凝土内的水化水泥浆的特性联系起来。由化学成分截然不同的水泥所制造的混 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 凝土的收缩、徐变性能并没有本质上的差异。这说明收缩徐变的机理主要应该在混凝 土水化水泥浆的物理结构中，而不是在化学成分中找。根据 j t gd 6 2 2 0 0 4 公路钢筋混 凝土及预应力混凝土桥涵设计规范，混凝土收缩应变可按下列公式计算： 。( ，f s ) = s c s o e p s ( t - t s ) ( 2 一1 ) 式中芒一计算考虑时刻的混凝土龄期( d 天) ，| 一收缩开始时的混凝土龄期( d 天) ， 。( f ，f s ) 一收缩开始时的龄期为气，计算考虑的龄期为，时的收缩应变，c s o 一名义收缩 系数，屈一收缩随时间发展的系数。 其中 c s o = 。( 厶) 风。( 厶) = 1 6 0 + 1 0 f l , 。( 9 - 厶厶】1 0 巧 ( 2 - 2 ) 式中厶一强度等级c 2 0 c 5 0 混凝土在2 8 d 龄期时的平均立方体抗压强度标准值( m p a ) ， 一与平均相对湿度相关的系数，成一依水泥种类而定的系数，厂锄o = 1 0m p a 。 风= 1 5 5 1 1 - ( r h 矾) 3 】， ( 2 - 3 ) 式中衄一环境年平均相对湿度( ) ，心。= 1 0 0 1 9 6 。 肿训= 毓高等丽r q 舢 一构件理论厚度( m m ) ，h = 2 a u ，a 为构件截面面积，“为构件与大气接触的周边长 度，h = 1 0 0 m m ， = l d 。 结构因混凝土徐变引起的次内力计算按下面两种方法计算：在先期结构上由于 结构自重产生的弯矩，经过混凝土徐变重分配，在后期结构o p t 时刻的弯矩可按下式 计算： 坞= m g + ( 鸩g m g ) 1 - e 1 卜“诵 ) ( 2 5 ) 式中m 。一先期结构自重作用下，按先期结构体系计算的弯矩， m 2 。一先期结构自重作用下，按后期结构体系计算的弯矩， ( r ，) 一从先期结构加载龄期至后期结构计算所考虑时间 的徐变系数， 矽( r ，) 一从先期结构加载龄期至r 时转变为后期结构的徐变系数。 先期结构上由预加力产生的弯矩，经过混凝土徐变重分配，在后期结构中，时的弯矩 佩可按下式计算： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 m e ；m p t + ( m 2 p t 一肘l p t ) 1 - e 们，白m 7 ，钿h ( 2 6 ) m 。一在先期结构中的预加力作用下，按先期结构体系计算的弯矩， m 。在先期结构中的预加力作用下，按先期结构体系计算的次弯矩， 鸠。一在先期结构中的预加力作用下，按后期结构体系计算的次弯矩。 拓宽桥在施工过程中包含了四个阶段：预制梁存梁阶段，桥梁由简支转连续 阶段，桥梁拼接成整体阶段，桥面铺装后的整体阶段。与新建桥梁相比，拓宽桥 在施工过程中除要考虑桥梁自重和预应力筋对桥梁内力和位移的影响外，由于新1 日桥 成桥时间不一致，目前拓宽的桥梁大多旧桥已成桥1 0 年已上，混凝土收缩徐变已基本 完成，桥梁的内力状态已趋于稳定。然而，拓宽部分桥梁的收缩徐变才刚开始，所以 本文重点考虑收缩徐变对拓宽桥的力学影响。对t 梁的存梁时间和体系转换阶段进行收 缩徐变的研究，徐变系数的选取十分重要，它直接影响徐变计算的精度。目前国际上 已经出现了很多先进的徐变模式，如b p 3 ( 美国教授z e b a z a n t 提出的徐变模式) 等。 采用初应变法进行计算，其使用的徐变系数为c e b f i p ( 欧洲混凝土协会和国际预应力 混凝土协会) 标准规范，我国目前的桥梁规范就引用了该徐变模式。根据试验研究，当 混凝土应力不超过极限强度的4 0 - - 一5 0 时，徐变的终极变形与初始瞬时弹性变形成线 性关系，否则成非线性关系【9 1 。一般情况下，混凝土的应力都小于其极限强度，因此属 于线性徐变的范畴。此外，由于结构应力一直发生变化，大多数徐变属于变应力的徐 变过程，应采用叠加理论进行计算。目前，徐变计算采用的理论为线性叠加理论。由 文献【l o l 可知徐变次内力的发生应具备两个条件：一是结构必须发生体系转换；二 是转换后必须为超静定体系。所说的体系转换是广义的。所谓没有发生体系转换，是 指不仅结构没有发生约束条件的变化，而且结构各部位的徐变系数必须相等。也就是 说，凡参与弹性变形的结构各部位，其必须也以相同的徐变系数参与徐变变形，才是 我们所说的体系没有转换。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 3 拓宽斜桥上部结构施工阶段计算分析 2 3 1 有限元计算模型及计算工况 采用m i d a s c i v i l 建模计算，在整体坐标系下x 为沿桥纵向，y 为沿桥横向，z 为竖 向，桥墩编号如图1 3 所示，桥梁上部结构模型如图2 2 所示。桥梁上部结构t 梁间由现 浇纵向湿接缝连接，考虑建模方便，采用梁单元和板单元相结合建立结构空间模型。 建立计算模型时，在不影响计算精度的前提下对计算模型进行简化，对桥梁进行纵横 向空间分析时，不考虑纵横向坡度。计算存粱时期t 梁位移和内力时，取t 梁跨中最不 利截面进行分析。由于徐变、收缩在施工过程中会引起结构产生较大的变形和内力重 分布【9 】，因此在计算荷载工况中根据j t gd 6 2 2 0 0 4 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵 设计规范考虑了收缩徐变荷载。本文计算分析了桥梁不同旌工阶段的受力情况：为了 保证桥梁成桥线型及受力状态符合设计要求，确定各施工阶段的线形是施工中最重要 的任务之一，而决定上部结构t 梁每一待浇节段的预拱度尤其重要【2 6 1 。因此，必须通过 合理的计算方法和理论分析使每片梁在拼接后预拱度的发展在合理的范围。t 梁预制后 以简支状态存放，此阶段t 梁计算荷载：梁自重+ 预加力十混凝土收缩及徐变；边界条件： 左端约束竖向d z ( 位移) ，r x ( 转角) ，右端约束d z ，d x ，r x 。本文计算分析了该桥 存梁阶段正交段标准梁( 下称标准梁) 、斜交段最长的梁( 下称加长梁) ，以及斜交段 最短梁( 下称最短粱) 在不同存梁时期典型截面的最大位移和应力值。 架设t 梁，浇注t 梁间纵向湿接缝和梁端现浇连续断，张拉负弯矩筋，桥梁完成由 简支状态向连续状态的过度。为减d t 梁预拱度的继续发展以及张拉负弯矩筋后在桥墩 处引起的负弯矩，对加宽桥进行均载预压，预压值为3 3 k n m 2 ，预压放置半年，并在 新旧桥拼接完毕后卸除预压荷载。此阶段连续梁的受力状况和边界条件为：计算荷载： 梁自重+ 预加力+ 混凝土收缩及徐变+ 等载预压，边界条件：l 号墩边梁和9 号墩边梁的约 束为：d y ，d z ，r x 。5 9 - 固定墩边梁的约束为：d x ，d y ，d z ，r x 。其余支座的约 束为：d z ，d y ，r x 。此时新老桥尚未拼接成整体，此阶段重点考虑桥墩正交转斜交 对上部结构的影响。 通过植筋、浇筑横隔梁、张拉新老桥间预应力连接筋将新旧主梁连接在一起，采 用这种方法也可以较好地避免桥面由于新老梁的收缩徐变差异而产生变形差，保持桥 面的平整，行车的舒适。此时新建桥梁的混凝土收缩徐变继续发展，新桥结构变形受到 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 老桥的约束，会在新桥部分中产生约束力，同时老桥会受到大小相同的反力。此阶段 连续粱的受力状况和边界条件为：计算荷载：新桥结构重力+ 老桥结构重力+ 预加力+ 混凝土收缩及徐变，边界条件：老桥5 号墩上的支座约束为：d x ，d y ，d z ，r x 其 余支座的约束为：d y ，d z ，i b x 。新桥边界条件与连续阶段相同。同时因为由于老桥 已建成l o 年左右，收缩徐变基本完成，结构处于相对稳定状卷，所以本文重点分析拼 接前后由于收缩徐变的继续发展以及老桥对新桥的约束，在新桥部分引起的内力变化。 2 32 计算结果与分析 图2 2 桥梁上部结构空间模型图 1 ) 不同存粱阶段位移和内力分析 经计算分析得出了不同存粱时间( 3 、6 、9 、1 2 个月以及2 年、3 年) 最大位移量及 最大应力( 梁跨中位置) 的数值，计算结果如表2 一l 。表中位移向上为正，向下为负， 拉应力为证，压应力为负。d x 为粱左端纵向位移，d y 为梁横向位移，d z 为梁跨中竖 向位移。d x y z 为粱跨中位置在x 、y 、z 方向矢量位移的组合值。桥梁t 梁在y 方向的 位移为零表2 - l 中未列出。 垂! ：! 至旦壹墨堕垦曼盔堡整塑堕盔堕 最大位移( 埘吣 应力最大值( 肝a ) 预制梁存粱时间月 d xd zd x y z应力 标准粱3 0 m 1 5 42 0 12 16 8 6 加长粱3 33 m 1 145 473 _ 49 最短梁2 63 m 1 371 8 l1 95 - 94 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 由表2 1 数据分析可知6 个月时梁的跨中挠度已达n 3 年跨中挠度的比例分别为 9 1 2 ( 标准梁) 、8 6 3 ( 加长梁) 、9 0 o ( 最短梁) ，跨中应力比值分别为9 1 8 ( 标 准梁) 、8 9 7 ( 加长梁) 、9 1 5 ( 最短梁) ，而3 年后混凝土的收缩徐变已基本完成， 这一点在文献【2 6 1 中也得到了证实。从表2 1 可知梁在前6 个月位移、应力增长最快，6 个 月和9 个月时的位移和应力值较接近，以后存梁阶段梁的位移和应力变化速率更加趋 缓，因此，选择将梁简支状态存放6 个月再架设，可有效避免在混凝土收缩徐变量发生 最大的时间里对梁产生过大的变形和内力重分布，也可有效将梁架设后的预拱度发展 控制在设计规定的值内。在实际施工过程中应提前预制混凝土梁，确保施工质量。 2 5 2 0 ，_ 、 量1 5 鎏1 0 5 0 2 0 1 5 皇 还1 0 越5 o 2 0 时间( 月) 图2 3 标准梁位移 0 1 02 03 0 时间( 月) 图2 _ 4 加长梁位移 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 2 5 2 0 ，、 逼1 5 鎏1 0 5 o l o2 03 0 4 0 时间( 月) 图2 5 最短梁位移 由图2 - 4 - - 图2 5 可以看出，随着时间的增加，曲线逐渐趋于平缓，三年时，曲线曲 率趋于水平。加长梁由跨度大、自重大，且所配置预应力筋和其他梁相同，竖向位移 呈递减状态，但随着时间的增加，曲线也趋于水平，此时位移仍为正，即产生向上的 预拱度。由此可见，在满足承载力需求的情况下，可通过调节预应力的大小来控制t 梁 的预拱度。t 梁最大应力未用图示，其变化规律同梁位移变化规律一致，应力变化逐渐 趋于停止。 2 ) 体系转换阶段位移和内力分析 新老桥拼接前后新桥部分的位移和内力情况见表2 - 2 、表2 3 、表2 4 。分析表2 2 可 得，拼接后新桥位移和内力变化不大，x 、z 方向的位移最大值增加值均在2 m m 左右， 新桥横向由于受老桥约束，位移只能向一