大懸臂混凝土箱梁橋橫向拓寬拼接加勁肋設計

鄭建文

重慶市設計院有限公司，重慶 400015

為了能夠滿足交通量日益增長的需求，緩解交通壓力，我國每年投入大量的資金新建道路，但僅僅依靠新建的公路難以緩解交通壓力，因而還需要大力開展公路擴建[1]。公路擴建目前常用的主要是新建復線和舊線拓寬，新建復線并未改變原有道路，只是修建一條與原有道路平行的道路，而舊線拓寬則是對原有的道路進行改造，在原有道路的一側或者雙側來加寬車道。在高速公路的擴建中，橋梁的拓寬拼接尤其是大懸臂混凝土箱梁是其中的一個重點問題，但是關于橋梁橫向拓寬拼接的理論目前尚未形成成熟的結論，仍然處于探索和研究階段。為此，文章針對大懸臂混凝土箱梁橋的拓寬拼接問題進行深入研討。

1 工程概況

文章將雙幅單向四車道分離式懸臂混凝土橋梁拓寬工程作為工程背景，根據大橋外觀及主橋混凝土強度的檢測結果，發現其滿足橫向拓寬的條件。進行拓寬是為了減小對舊橋的懸臂結構造成較小的損傷，新橋依舊采用混凝土連續箱梁，并通過加勁肋來固定，待新橋完成收縮徐變之后澆筑橫向拼接加勁肋。沿著新舊主梁之間的拼接縫，間隔一定的距離設置一道加勁肋。加勁肋與新舊主梁相連接時，新舊橋梁的連接剛度會受加勁肋尺寸的影響，即加勁肋的高度、厚度及縱向間距都會直接影響新舊橋梁之間的連接效果。

通過設置加勁肋來連接新舊箱梁，能夠有效解決大懸臂混凝土箱梁橋翼緣板不能鑿除的難點，同時還能夠減小舊橋橫向預應力。加勁肋可承擔拼接處的結構受力，增加翼緣板根部的截面面積，還能提高橋梁的承載能力，解決抗力不足的問題[2]。此外，還可以通過調整加勁肋的結構尺寸及布設間距來實現對新舊主橋拼接剛度的控制。

2 加勁肋拼接對拓寬結構的受力影響

箱梁拓寬之后，上部結構的受力狀況會發生變化，在內外荷載作用力下，內力會重新分配，通過加勁肋連接新舊箱梁之后，混凝土的收縮、徐變作用，基礎的不均勻沉降作用及活載作用都會對結構的受力產生較大的影響。舊橋經過數十年的服役，收縮、徐變基本上已經完成，對結構的作用就會變得很小，但是新箱梁混凝土的收縮、徐變只是剛剛開始發生，此時會受到舊橋的約束，故新舊主梁之間就會產生附加應力[3]。新舊橋梁基礎的不均勻沉降也會導致結構出現附加應力。在拓寬之后新舊橋基礎之間會出現不均勻的沉降差，使得新舊主梁在豎直方向上產生相對位移，導致結構產生較大的附加應力。待橋梁拓寬之后，新舊箱梁會共同承擔結構上部的活載作用，從而使得結構產生撓曲變形并存在較小的扭轉。

2.1 箱梁收縮徐變差對結構的影響

新舊箱梁拼接之后，結構的動力特性會發生改變。文章采用Midas FEA有限元分析軟件對特征值進行分析，分析結果表明，箱梁橋待拓寬之后，混凝土的收縮及徐變產生的內力均發生在縱向上。橋梁拓寬之后，在自重、預應力及收縮徐變的作用下，各階段新舊橋梁支點截面縱向變形情況統計表如表1所示。其中，A、B、C、D、E分別表示新舊橋梁共同運營6個月、12個月、18個月、30個月、42個月。不管是混凝土的橫向或縱向應力，還是邊支點截面都處于最為不利的截面，而在此處設置的加勁鋼板其拼接縫處也會出現較大的應力及位移。

表1 各階段新舊橋梁支點截面縱向變形情況統計表 單位：mm

2.2 箱梁基礎沉降差對結構的影響

待橋梁拓寬新橋完成施工之后，拼接通常需要擱置一段時間待完成一定程度的沉降之后再進行，這主要是由于橋梁的基礎沉降會受到較多因素的影響，且早期的沉降量較大[4]。變形及內力是橋梁拓寬后對新舊橋梁沉降差最為不利的兩方面因素，較大的沉降差會使結構的內力超出混凝土的極限強度，出現混凝土破損開裂、支座脫空等現象。

中支點處新舊橋箱梁頂板混凝土橫向應力如圖1所示。由圖1可知，在沉降作用下，混凝土箱梁的橫向應力主要集中在翼緣處，新、舊橋翼緣頂面分別呈現出壓應力和拉應力，而在翼緣中部的位置則很可能存在混凝土開裂的問題。對于中支點處的鋼板拼接段上緣橫向壓應力較大，而下緣的豎向拉應力較大的情況，需要采取局部夾肋的方式防止失穩破壞。

圖1 中支點處新舊橋箱梁頂板混凝土橫向應力（單位：MPa）

3 加勁肋參數分析

加勁肋的結構尺寸會直接影響拓寬處的連接剛度，進而對新舊結構的受力狀態造成影響，影響剛度的加勁肋尺寸參數，主要包括加勁肋的高度、厚度以及縱向布設間距。通過有限元軟件分析，得到加勁肋參數分析圖，如圖2所示。由圖2可知，新舊箱梁受力變化受到加勁肋構造尺寸的影響較小，剪力和彎矩的變化幅度通常在5%左右，最大也低于10%，其中影響最大的界面通常為中支撐截面。隨著拼接加勁肋尺寸的變化，新舊橋箱梁的彎矩及剪力變化規律逐漸相同，隨著加勁肋高度、厚度的增大及布設間距的減小，新舊箱梁的最大正彎矩和最小負彎矩均在不斷增加，其中變化幅度在23.8%～342%。在加勁肋布設間距不同的情況下，拼接縫兩側的新舊箱梁翼緣板豎向變形較小，但是并未對結構的安全造成不利影響。

圖2 加勁肋參數分析圖

4 結束語

綜上所述，文章依托工程實例，具體分析了高速公路擴建過程中大懸臂混凝土箱梁橋拓寬的關鍵技術，通過有限元軟件從箱梁收縮徐變差對結構的影響，以及箱梁基礎沉降差對結構的影響兩個方面，詳細分析了加勁肋拼接對拓寬結構的受力影響，同時還研究了加勁肋的結構尺寸加勁肋的高度、厚度及縱向布設間距對箱梁橋拓寬處新舊結構受力狀態造成的影響，為類似大懸臂混凝土箱梁橋橫向拓寬拼接加勁肋設計項目提供了理論支撐。