現澆箱梁拼寬橋上部結構受力特性分析

張 凡

（中交公路規劃設計院有限公司,北京 100007）

0 引言

橋梁拼寬設計中采用濕接縫和橫隔板將新舊梁板連接起來，導致后期運營過程中產生基礎不均勻沉降，對新舊橋梁協同受力造成較大影響。分離結構中新橋與原橋相對獨立，新舊橋梁干擾性較小，不均勻地基沉降帶來的影響較小，然而存在費用高，占地較多等缺點。為了解決橋梁拼寬后出現的問題，眾多專家、學者展開了大量研究。通過T梁拼寬后上部結構的有限元分析，莫迪[1]對橋梁橫向分布系數進行了計算分析，結果顯示橫向分布得到較大改善。通過對箱梁受力影響因素參數敏感性分析，戴光亞[2]發現箱梁結構受力影響最大的是地基基礎沉降，且受力最大的位置是主墩和邊墩的支點附近。通過對拼寬橋梁新建橋梁混凝土收縮徐變的模擬分析，陳炳華[3]對拼寬結構的內力和附加內力進行了分析，結果表明新舊橋梁連接的不同會導致拼寬結構受力的不同。我國橋梁拼寬技術仍然有部分問題亟待解決，因此展開拼寬橋梁的受力研究很有必要。

1 箱梁拼接原則及受力影響分析

1.1 箱梁拼接原則

橋梁拼寬施工影響因素較多，如交通通行要求新舊結構協同受力和變形，且拼寬施工需要與路基、路面和附屬設施同時施工以確保工期[3-5]。基于上述影響因素，橋梁拼寬應遵循以下四原則：

（1）新舊橋梁拼寬后應協同受力，整體性應滿足結構受力要求。

（2）新舊橋梁設計荷載等級應保持一致。

（3）橋梁下部結構設計時，應根據地基的承載能力確定地基基礎形式，原則上多采用樁基礎。

（4）橫隔板和橫隔梁的選擇方面，因為橫隔板強度和剛度較強，能滿足新舊橋梁的橫向承載需求，而橫隔梁剛度較大，會造成整體受力性能較好，但是容易因應力集中造成破壞。

1.2 箱梁拼接的受力影響分析

1.2.1 新舊橋梁基礎的不均勻沉降

對于分離式結構的拼寬橋梁，由于新舊橋梁建設時間不同，甚至存在較長年代差，在新建橋梁服役時，舊橋的地基基礎沉降差不多已完全發生，成為導致新舊橋梁無法協調變形的主要影響因素。由于舊橋地基基礎運營時間較長，地基基礎沉降已大部分完成，因此地基基礎的沉降主要表現為新橋地基基礎沉降。由于受到不均勻沉降影響，拼寬橋梁的內力增大，達到一定極限后則發生結構病害，其中影響最大的是T梁的橫隔板結構。

綜上所述，橋梁拼寬設計和施工過程中，需要采取必要措施降低新建橋梁地基基礎的沉降，如設計上可以考慮增大樁長、樁徑的樁基礎，施工方面可以采取強夯、換填等地基加固處理技術。

1.2.2 混凝土的收縮徐變

收縮徐變是混凝土材料的固有屬性，且會伴隨混凝土結構服役的全壽命周期。由于新舊橋梁建成年限存在較大間隔，連接部位兩側結構存在較大齡期差。由于原橋梁收縮徐變效應已經發生了很大部分，而新建橋梁結構的收縮徐變才剛剛開始，因此，在橋梁拼寬設計中應考慮新舊橋梁收縮徐變差異，確保新舊橋梁結構的協同受力。

2 工程概況及有限元模型分析

2.1 工程概況

某連續梁橋拼寬項目，橋梁全長170.0 m，跨徑布置為（45.0+80.0+45.0）m，設計車速為80.0 km/h，原橋寬度為13.5 m，上部結構為單箱雙室結構，橋梁荷載等級城市—B級。由于新建橋梁需要與原橋協同受力，要求其剛度與原橋保持一致，因此截面參數應基本保持一致，具體參數如表1所示。

表1 新橋箱梁截面參數表 /m

2.2 橋梁有限元模型

采用通用有限元軟件Midas Civil建立拼寬橋梁的梁格模型，新舊橋梁通過施工過程調整齡期差異，全橋共2 236個節點，2 651個單元。齒塊采用等效荷載模擬，橫隔板采用等效荷載處理，預應力束采用等效預應力荷載進行處理，橋面鋪裝及護欄采用等效線荷載模擬。拼寬橋梁的梁格模型如圖1所示。

圖1 橋梁模型圖（1/2模型）

2.3 模型驗證

在偏載荷載作用下，最大豎向位移與平均豎向位移的商即為撓度增大系數。連續梁橋撓度控制截面為S1斷面、S3斷面，應力控制斷面為S1斷面、S2斷面和S3斷面。具體斷面布置如圖2所示。

圖2 橋梁控制截面（單位：cm）

根據上圖橋梁控制截面，通過有限元模型施加偏載荷載，可以得到截面S1斷面、S2斷面和S3斷面的撓度偏載系數如表2所示。

根據表2可知，相對于新舊橋梁結構未連接，無論采用鉸接還是剛接的連接方式，拼寬橋梁的整體剛度具有不同程度提高，橋梁應力也有所降低。根據規范要求和滿足結構最不利受力工況的計算分析，橋梁偏載系數偏保守定為1.15。

表2 拼寬橋梁截面偏載系數

3 基礎沉降對拼接箱梁的影響

根據相關規范，確定新、舊橋梁地基基礎沉降差為10.0 mm，以此分析不均勻沉降對橋梁拼寬結構內力的影響，擬選擇如下兩種工況進行分析：工況一為新舊橋梁拼寬結構中新橋邊墩基礎沉降；工況二為新舊橋梁拼寬結構中新橋任一主墩地基基礎的沉降。

3.1 工況一

當工況一發生時，根據有限元模型模擬分析結果顯示，主梁產生的附加內力主要是剪力和彎矩。具體結果如下：

（1）工況一發生時，即新橋地基基礎一側變短，出現10.0 mm沉降，拼寬結構中新舊橋梁主梁內力變化基本一致，受力最不利位置為發生沉降的邊墩處主梁，且內力從邊墩向主墩呈降低趨勢，在主墩支座處降低為零。

（2）工程已發生時，由于新橋地基發生10.0 mm的沉降，新舊橋梁結構均會產生附加內力，通過連接梁傳遞，舊梁承擔較多，新梁承擔較少，因此在進行整體結構受力分析時應進行舊梁的剪力和彎矩驗算，確保整體結構的承載安全。

（3）根據不均勻沉降發生前后主梁內力數據對比分析，結果發現新橋主梁的彎矩和剪力變化較大，舊橋內力和彎矩變化相對較小，說明工況一的基礎沉降發生對新橋影響較大。

3.2 工況二

當工況二發生時，根據有限元模擬分析結果和橋梁結構受力可知，工況二產生的主要是剪力和彎矩。具體結果如下：

（1）工況二發生時，即拼寬結構的新建橋梁兩側邊墩地基基礎發生10.0 mm沉降，新舊主梁的內力變化數據基本一致，但方向相反，受力最不利位置為發生沉降的邊墩處主梁，且內力從主墩向邊墩逐漸減小。

（2）由于新舊橋梁地基基礎發生不均勻沉降，橋梁結構會產生一定的附加內力，內力大部分主要由接縫處的舊梁承擔，另一部分由外側新梁承擔，因此應對內側舊梁的剪力和彎矩進行驗算。

（3）根據模型分析發現，地基基礎的不均勻沉降，新橋承擔的彎矩和剪力變化相對較大，遠遠大于原橋彎矩和剪力變化，這說明拼寬橋梁結構中新橋受到地基基礎不均勻沉降的影響更大。

4 混凝土收縮徐變對拼接箱梁受力的影響

利用有限元模型對混凝土不同齡期引起的收縮徐變對于結構協同受力的影響進行分析，主要考慮因素有：新舊橋梁采用剛性連接，認為原橋梁混凝土無收縮徐變，僅考慮新橋收縮徐變對于整體結構的內力影響[6]。

4.1 混凝土收縮的影響

4.1.1 軸力分布

僅考慮新橋混凝土的收縮徐變，拼寬結構受力會產生一定的協同受力差異，即上部結構軸力以跨中軸線呈現對稱分布，新橋結構的軸力表現為拉力，在縱橋向中跨軸力大于邊跨軸力。根據新橋內外側腹板軸力分析，內外側腹板軸力偏差較小。由于新橋混凝土的收縮產生自身結構的附加應力，較大程度上造成原橋軸力表現為壓力，縱橋向中跨軸力大于邊跨軸力。

4.1.2 橫向剪力

由于新橋主梁的混凝土收縮影響，新橋主梁受到一定的附加剪力作用，其中最不利位置位于中墩支座處主梁。邊跨主梁的剪力分布基本一致，主跨主梁剪力分布縱橋向差別較大，具體變化規律在縱橋向表現為先減小后增大，在橫橋向表現為新橋和舊橋剪力分布規律基本一致，內側腹板的剪力大于外側腹板。

4.1.3 橫向彎矩

由于新橋主梁混凝土收縮的影響，新橋結構縱橋向產生較大的附加彎矩，其中最大彎矩位于主墩處主梁，新舊主梁剪力分布情況基本一致，變化規律沿縱橋向先減小后反方向增大。從箱梁截面分析，支座附近主梁上部受拉，跨中位置主梁下部受拉。在橫橋向，新橋與舊橋彎矩分布相對均勻，但數據分析顯示為內側腹板彎矩要大于外側腹板彎矩。

4.2 混凝土徐變的影響

4.2.1 主梁軸力

在新橋主梁混凝土徐變作用下，新橋主梁結構的附加軸力產生一定降低，且拼寬結構的軸力以跨中軸線呈對稱分布狀態。新橋軸力表現為壓力，在縱橋向，中跨軸力小于邊跨軸力。新橋在橫橋向內外側腹板軸力偏差較小，在橫橋向，外側腹板軸力小于內側軸力。

4.2.2 豎向剪力

新建橋梁混凝土徐變對新橋主梁結構產生一定的豎向剪力，最不利位置位于主墩處主梁。從拼寬結構受力分析，新舊橋梁的剪力分布形狀基本一致，在縱橋向，呈先減小后反向增大的趨勢。在橫橋向，新橋和原橋剪力分布趨勢基本一致，且內側腹板剪力大于外側腹板剪力，但剪力方向相反。

4.2.3 豎向彎矩

新建橋梁混凝土的徐變作用，對拼寬橋梁結構產生一定的豎向彎矩作用。在縱橋向，最大彎矩位于中墩處主梁，從支座向跨中逐漸減小，然后呈反方向增大，主梁在跨中位置呈上部受拉的情況。在橫橋向，新橋外側腹板小于內側腹板。在縱橋向，原橋的彎矩變化趨勢與新橋基本一致，但方向是相反的。綜上所述，橫橋向的彎矩主要由新橋和舊橋共同承擔。

5 結語

經濟社會的持續快速發展，對于交通運輸能力提出了新要求，因此有必要對橋梁加寬的設計、施工和檢測開展更多研究。筆者在對連續梁橋拼寬原則分析的基礎上，對新舊橋梁地基基礎不均勻沉降以及混凝土收縮、徐變對結構的受力特性進行了分析，并以某連續梁橋拼寬項目為例，通過橫向偏載系數驗證了模型的精確性，確定了橫向偏載系數；對地基基礎不均勻沉降、混凝土收縮徐變對于新舊橋梁結構的協同受力進行了系統分析，結果顯示新舊橋梁基本可以實現協同受力，滿足受力要求。希望針對橋梁拼寬設計中協同受力問題的系統研究，能對未來類似橋梁的設計、施工和檢測維護提供一定的工程經驗和理論借鑒。