簡支預應力空心板梁橋拼寬方案研究分析

陳 武

（祎海城市規劃設計（上海）有限公司，上海 200000 ）

0 引言

隨著經濟建設的發展，交通量的增加，早期修建的一些道路已不能滿足現有的交通需求，從而造成交通擁堵，為改善這種現況，需對其進行加寬改造[1]。簡支空心板梁橋在一些低等級公路中大量采用，故在一些道路拓寬改造項目中，經常要涉及空心板梁橋的加寬改造。

本文以上海青浦區塘昆路提檔升級改造工程項目為依托，參考借鑒實際橋梁拼寬工程，給出合適的橋梁拼寬方案，然后采用Midas 建立空間有限元模型，對比各不同拼寬方案下在新橋沉降、收縮徐變、車道荷載等作用下的整體受力分析，比選出最優的拼寬方案用于設計及施工。

1 空心板梁橋的拼寬方案

目前橋梁拼寬方案主要有上下部結構均不相連、上下部結構均相連、上部結構相連，下部結構不連三種[2]。考慮到老橋已運營多年，基礎沉降及混凝土收縮徐變已趨于穩定，又由于上海地區為軟土地基，新老橋間不均勻沉降差異明顯，如果采用下部結構相連，會引發結構連接處產生裂縫等橋梁病害，故否定下部結構相連的拼寬方案。通過調查收集上海地區的加寬改造項目，空心板梁橋拼寬方案主要采用以下3 種模式。

1.1 下部結構不連，上部結構剛性連接

剛性連接是指新舊橋梁之間通過濕接縫及端橫梁形成剛性體系。一般做法為：鑿除舊橋邊梁翼緣板混凝土，露出翼緣板鋼筋與新建邊板翼緣的預留鋼筋進行焊接，并保證10d 的鋼筋焊接長度，并在舊橋邊板端橫梁位置處進行植筋與新橋邊板端橫梁預留鋼筋進行焊接形成鋼筋網，最后對連接段進行澆筑混凝土使新老橋上部結構形成整體（如圖1）。

圖1 老橋與新橋上部板梁剛接構造圖

此拼寬連接方式的優點是連接牢靠，位置易調整，且行車平順。但由于其連接部為剛性連接，連接部位不僅要傳遞剪力還要傳遞彎矩，在新橋的沉降、收縮、徐變等作用下對老橋及連接部受力不利，且在老橋端橫梁處需要植筋，植筋過程中可能會破壞預應力鋼筋。

1.2 下部結構不連，上部結構鉸接

此方案為在新老橋連接部位通過縱向鉸縫進行連接。拼接時，需拆除老橋邊板，用中板進行替換，在新老橋之間通過現澆鉸縫進行連接。此拼寬連接方式僅傳遞剪力，不傳遞彎矩，與剛性連接相比，無需鑿除老橋邊板翼緣混凝土，且無需對老橋進行植筋。在后期運營階段，新橋的沉降、收縮、徐變作用對老橋的效應相比剛性連接較低，但也較易引起連接處橋面開裂，且還需更換一塊邊板，造價相對較高。

1.3 下部結構不連，上部結構也不連

此方案新橋與老橋之間各自相互獨立，互不影響，避免了新建橋梁沉降、收縮、徐變對老橋的影響。此方案采用型鋼伸縮縫進行斷縫處理（如圖2），由于型鋼伸縮縫的存在，很好的適應了新老橋之間的橫向及豎向變形差異，從而有效阻止了斷縫處橋面鋪裝的開裂問題，且防水效果較好，以及縱向伸縮縫維修更換方便。

圖2 新橋與老橋上部板梁不連接圖

2 工程背景

塘昆路農村改建工程提檔升級工程柘澤塘橋跨越柘澤塘河，該橋跨徑布置為13+22+13m，老橋上部結構采用先張法預應力混凝土空心板梁，橫向布置4 片空心板，下部結構為雙柱式鉆孔灌注樁接承臺基礎，橋寬4.5m，橋面布置為：凈4+2x0.25m 欄桿，根據檢測結果資料，老橋檢測評定等級為2 類橋，滿足現行公路-II 級車道荷載通行要求。根據要求對原橋進行加寬改造，需拓寬至7m，拼寬橋梁采用2 片空心板,拼寬后為雙車道布置，設計荷載：公路-II 級。

3 計算分析

3.1 建立模型

采用Midas civil 軟件建立有限元模型對結構進行受力分析，對上部板梁建立梁格模型，縱梁按實際板梁截面進行建立，橫梁按空心板的頂板截面進行建立，利用剛性橫梁模擬新老橋之間的剛接，通過釋放梁端約束的邊界條件來模擬新老橋之間的鉸接和不連接。其中為模擬新老橋接縫處結構不連接，利用釋放梁端約束邊界，釋放連接處的平動位移和轉動位移，使其既不傳遞剪力又不傳遞彎矩。模擬鉸接時，只釋放轉動位移，使其只傳遞剪力不傳遞彎矩[3-4]。

3.2 新橋收縮徐變對老橋受力的影響

老橋由于長達數年的運營，其收縮徐變已趨于穩定，而拼寬的新橋部分的收縮徐變才剛開始。在計算模型中，不考慮老橋部分的收縮徐變，新橋部分考慮10年的收縮徐變。如若新老橋之間采用剛接或鉸接，老橋部分會對新橋部分的收縮徐變形成約束，進而對老橋部分產生附加次內力。新老橋之間采用結構不連接時，各自結構受力獨立，新橋部分收縮徐變對老橋不影響。新橋收縮徐變對老橋的受力影響，見表1 和表2。

表2 新橋收縮作用引起老橋空心板梁的最大彎矩

3.2 車道荷載對老橋受力的影響

老橋拼寬前，原老橋橋面寬度為4.5m，上部結構布置4 片空心板梁，橋面只能布置一個車道。拼寬成7m 后，橋面能布置雙車道，原老橋空心板橫向分布系數增大，原老橋空心板所受活載增大，拼寬所帶來的車道數的增加不利于老橋空心板。根據老橋檢測資料，并依據相關規范，對老橋空心采取一定的加固設計。老橋在拼寬前及各種拼寬連接后，車道荷載在偏載最不利布置情況下，引起老橋空心板的跨中最大彎矩見表3。

表3 車道荷載引起老橋空心板梁的最大彎矩

3.3 支座沉降對老橋受力的影響

老橋由于運營時間較長，基礎沉降已基本完成，而拼寬部分新橋的基礎沉降才剛開始。如若新老橋之間拼寬連接采用剛接或鉸接，新橋部分的基礎沉降會受到老橋的約束，必將對老橋部分產生附加內力。若新老橋之間采用結構不連接時，新老橋之間各自受力獨立，新橋基礎的沉降對老橋不影響。根據新老橋之間剛接和鉸接的梁格模型分析得，新橋的基礎沉降對老橋拼寬處的邊板影響較大，且所產生的彎矩由端部到跨中依次減小，對依次往內的中板影響逐漸減小。新橋沉降對老橋的受力影響見表4.

表4 新橋沉降引起老橋空心板梁的最大彎矩

4 結論

以塘昆路柘澤塘橋拼寬改造項目為依托，建立新老橋拼寬之間剛接、鉸接、不連接3 種有限元模型，對比3 種不同拼寬連接方式下，新橋收縮徐變、沉降、以及車道荷載對老橋的受力影響，得出以下結論：

（1） 拼寬連接處采用剛接或鉸接時，新橋部分板梁的收縮徐變對老橋的受力影響基本相同，而采用不連接時，對老橋不影響。

（2） 拼寬后隨著車道數的增加，老橋部分板梁的內力較拼寬后有所增加，采用鉸接和剛接時，增加的內力基本相同，而采用不連接時，增加的內力最大，但通過對老橋采用加固設計后，老橋承載能力滿足規范要求。

（3） 拼寬連接采用剛接或鉸接時，新橋的基礎沉降對老橋的受力影響基本相同，且內力都是由端部到跨中依次減小，對老橋其他空心板依次往內逐漸減小，而采用不連接時，對老橋不影響。

綜上所述，推薦空心板拼寬采用帶縱向伸縮縫的結構不連接方案。