錯孔布置混凝土連續梁橋拓寬結構分析

欒靜靜，余 波

（1.山東省交通規劃設計院有限公司，山東 濟南 250031；2.山東省交通運輸事業服務中心，山東 濟南 250031）

引言

高速公路改擴建工程中很重要的問題是如何對已有橋梁進行拓寬，國內在高速公路橋梁拓寬技術研究方面開展了很多工作，尤其在中小跨徑的T 梁、I 梁和空心板梁的拓寬技術研究上取得了一定成績，拓寬工藝也逐漸成熟。但國內高速公路橋梁已拓寬實例中涉及錯孔布置混凝土連續梁拓寬結構不多，這種橋型的橫向拓寬將使舊橋的受力狀態趨于復雜，尤其是舊橋由原先的連續箱梁橋變為邊界條件復雜的連續箱梁橋，其力學性能與原有橋梁會有很大的不同，迫切需要對每一座這種錯孔布置的橋梁橫向拼接問題做一完整的力學性能研究，從而對其橫向拼接的可行性作出更為合理的評價。

1 舊橋工程概況

某高速公路分離式立交橋為3 孔等截面連續箱梁橋，橋寬27.0 m，凈空為5.0 m。橋梁設計荷載為：汽-超20，掛-120；地震基本烈度為8 度。橋面鋪裝：先澆5 cm 混凝土，涂FYT-I 型防水劑，再鋪9 cm 瀝青混凝土。箱梁采用滿堂支架現澆法施工，左右半橋跨徑不相同。橋梁橫坡由箱梁整體轉動2%完成，箱梁采用50 號混凝土，見圖1。

圖 1 橋梁布置 （cm）

2 橋梁拓寬方案

本橋左右兩幅為分離式，設計方案采用在每一幅橋的外側進行拓寬。舊橋單幅寬度為13.5 m，拓寬部分新橋寬度為7.0 m。原橋是單箱雙室連續箱梁橋，新拓寬橋梁擬采用單箱單室連續箱梁結構，兩者跨徑數量一致。由于舊橋與被交道路有一定的斜交角度，因此橫向拓寬時新舊橋之間的中支點不可能在同一橫斷面上，即新舊橋的中支點縱向是錯開布置的，同時跨徑布置相互錯開，形成了錯孔布置方式的橫向拓寬形式。舊橋左幅跨徑為31.60 m +40 m+25.06 m，新橋跨徑為36.25 m +40 m +20.41 m，形成錯孔布置的拓寬結構，新舊橋之間采用鉸接連接。見圖2。

圖2 舊橋拼寬后平面（左幅） （cm）

現選取左半幅進行有限元模型設計，來研究拓寬后主梁的受力狀態分析，擬采用兩個工況進行計算分析：（1）工況1：建立舊橋受力模型，按照設計要求計算其關鍵截面的內力值。（2）工況2：采用梁格法建立新、舊橋拼寬后的整體受力模型。為了分析新舊橋橫向拼接完成以后，由于結構形式、邊界條件以及各種作用的變化給舊橋的截面受力帶來的內力影響，著重考慮新橋混凝土收縮徐變、新橋基礎沉降、活載作用等對舊橋結構的影響，分析拼接后舊橋的內力變化值。

基于力學分析結果，綜合判斷舊橋在橫向拼接前后內力變化是否能夠滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）的要求。如果滿足要求，表明新橋以錯孔布置方式進行橫向拼接是可行的。

3 計算分析

3.1 拓寬前主梁受力狀態分析

拓寬前舊橋模型采用Midas Civil 2016進行計算，應用梁格法進行分析。共建立了381 個節點、652 個單元，有限元模型見圖3。

圖3 舊橋有限元模型

3.1.1 拓寬前舊橋承載能力極限狀態驗算

對于拓寬前老橋按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTJ 023—85）進行承載力驗算：（1）活載。設計采用兩車道，實際采用3車道進行驗算。（2）附加荷載。①非線性溫度：拓寬前舊橋按《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTJ 023—85）規定，取橋面板整體升降溫5℃考慮；②整體升溫：計算體系取升溫、降溫各20℃；③支座沉降：舊橋按相鄰橋墩0.5 cm的不均勻沉降考慮。

舊橋驗算以主梁為預應力混凝土A 類構件進行分析。為便于分析，取舊橋關鍵截面進行考察，見圖4。

圖4 驗算截面

3.1.2 拓寬前舊橋承載能力極限狀態驗算結果

對于舊橋主梁驗算，根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTJ 023—85）規定，作用效應組合兩種情況：（1）組合Ⅰ：汽車-超20級與永久作用效應進行組合。（2）組合Ⅱ：汽車-超20 級與永久作用效應以及其他可變作用效應進行組合。

經比較發現，對于舊橋主梁驗算，組合Ⅲ的效應與組合Ⅰ與組合Ⅱ兩者中的設計值（兩種組合下的最值）相比較小，故取組合Ⅰ與組合Ⅱ進行設計驗算。根據《公路舊橋承載能力鑒定方法》，舊橋承載力須乘以0.9 的舊橋檢算系數。舊橋彎矩包絡圖和剪力包絡圖見圖5。

圖5 拓寬前舊橋彎矩包絡和剪力包絡

3.2 拓寬后主梁受力狀態分析

分析模型采用Midas Civil 2016 進行計算，采用梁格法建立新、舊橋拼寬后的整體受力模型。為了分析新舊橋橫向拼接完成以后，由于結構形式、邊界條件以及各種作用的變化給舊橋的截面受力帶來的內力影響，著重考慮新橋混凝土收縮徐變、基礎沉降、活載作用等對舊橋結構的影響，分析拼接后舊橋的內力變化值。拓寬后拼接縫采用橫梁單元模擬，全橋整體模型共計單元1 283 個，節點738 個，有限元模型見圖6。

圖6 拓寬后全橋有限元模型

3.2.1 拓寬后舊橋承載能力極限狀態驗算

（1）活載

活載：設計采用四車道，實際采用5 車道進行驗算。老橋主梁進行驗算的布置形式見圖7。

圖7 活載布置方式（cm）

（2）附加荷載

①非線性溫度：拓寬結構按《公路橋涵通用規范》（JTG D60—2015）橋面板最高溫度T1 取14℃、T2 取5.5℃，豎向日照反溫差為正溫差乘以-0.5。②整體升溫：拓寬后新舊橋部分的計算體系都取升溫、降溫各20℃。③支座沉降：在連接后整體計算時，假設舊橋沉降已終止，新橋按照基礎工后沉降量0.5 cm 的不均勻沉降進行最不利組合。④收縮徐變：拓寬后新舊橋連接后整體計算時，假設舊橋收縮徐變已終止，只考慮新橋的收縮徐變對全橋的影響。

3.2.2 拓寬后舊橋承載能力極限狀態驗算結果

對于舊橋主梁驗算，根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTJ 023—85）的規定，作用效應組合可以為兩種情況：（1）組合Ⅰ：汽車-超20 級與永久作用效應進行組合。（2）組合Ⅱ：汽車-超20 級與永久作用效應以及其他可變作用效應進行組合。

經比較發現，對于舊橋主梁驗算，組合Ⅲ的效應與組合Ⅰ與組合Ⅱ兩種組合下的設計值，相比較小，故取組合Ⅰ與組合Ⅱ進行設計驗算。拓寬后舊橋承載力驗算，彎矩包絡圖和剪力包絡圖見圖8。

圖8 拓寬后舊橋彎矩包絡和剪力包絡

3.3 拓寬前后主梁內力變化對比和分析

拓寬前后主梁彎矩和剪力對比見表1、表2。

表1 拓寬前后舊橋彎矩對比（kN·m）

表2 拓寬前后舊橋剪力對比（kN）

由拓寬前后彎矩和剪力變化對比結果可見：彎矩變化較大的截面，主要集中在1#支座處、第一跨（4#）、第二跨（7#）、（9#）處，但拓寬前后這些截面均未超出其承載能力。根據分析，橋墩處截面彎矩的變化主要是由橋墩基礎沉降引起，第一跨（4#）、第二跨（7#）、（9#）處截面的彎矩變化主要是由活載作用引起，收縮徐變等其他作用影響較小。

從舊橋主梁的驗算結果及內力變化情況對比表明舊橋主梁內力是符合《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）要求的，即該分離式立交是可以進行橫向拓寬的，但由于部分截面承載力富余度較小，建議結合舊橋現有使用狀態的監測數據，綜合判斷舊橋是否需要加固補強或者無需采取措施即可進行橫向拓寬。

4 結語

現由于交通量的持續增長，許多已建的高速公路需要進行橫向拓寬，相應沿線各座橋梁也需要橫向拓寬，錯孔布置拓寬后由于結構形式、邊界條件以及各種作用的變化，需對舊橋拓寬前后進行承載能力極限狀態驗算，驗算應按照“新橋新規范、老橋老規范”的原則進行。通過對某分離式立交橫向拓寬的可行性分析，以研究錯孔布置橋梁橫向拓寬的可行性分析方法，為類似橋梁的橫向拓寬方案研究提供參考作用。