現澆箱梁拼寬橋上部結構受力特性分析

摘要 隨著城市建設的不斷發展和交通運輸需求的增加，現澆箱梁拼寬橋因其整體性好、承載能力強等特點得到廣泛應用。文章對拼寬橋上部箱梁結構的拼接特性及受力特點進行了分析，并通過實例研究了橋梁的偏載系數及不均勻沉降對拼接箱梁的影響。結果表明，新橋和現有橋梁的內梁能夠支撐由基礎造成的內力，橋梁結構中混凝土收縮產生的內力以橫向表現為主，而混凝土徐變產生的內力則以縱向表現為主。

關鍵詞 現澆箱梁；上部結構；受力特性；有限元分析

中圖分類號 U443.3 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）03-0072-03

0 引言

橋梁是當今城市交通網絡中承載交通運輸壓力的重要組成部分，而現澆箱梁拼寬橋也廣泛應用于市區道橋、高速公路等交通基礎設施的建設。由于其特殊的結構形式和復雜的受力機理，不僅需要考慮靜態荷載下的強度和穩定性，還需關注動態荷載、溫度變化等因素對結構安全性的影響，因此對其上部結構的受力特性研究仍具有重要的理論和實踐意義。該文將從構造特點、受力分析等方面對現澆箱梁拼寬橋上部結構的受力行為規律和特點進行研究，通過對現澆箱梁拼寬橋上部結構受力特性的深入分析，有助于進一步提高橋梁結構的安全性、可靠性和經濟性，推動城市交通建設邁向更加智能、高效及可持續發展的方向[1]。

1 箱梁拼接原則特性

由于拼寬橋梁的自身特性，其施工工序復雜，影響因素眾多。在施工前需妥善管理交通，以減少對市民出行的影響，且應保證工程和交通的協調進行，可以設置交通引領標志、臨時交通路牌等。在拼寬橋梁施工過程中，為了抵消新老橋梁上部結構間的相互作用，保證結構受力均衡，有效控制變形，使結構安全穩定，應確保連接部位設計合理。除此之外，施工過程中還需要各部門協同合作安排工程任務進度，保證項目的整體周期且不影響工程質量或延誤工期[2]。

為了避免上述因素的影響，箱梁拼接需遵循以下三項原則：首先是合理設計連接部位，使橋梁整體安全穩定，新老結構協同受力，滿足整體受力要求；其次是在施工過程中應保證新老結構的設計荷載等級相同，使結構整體具有良好的受力性能與安全性能，避免出現結構受力不均等安全隱患；此外，還需選擇合適的橋梁基礎，通常選用樁基礎以使結構的承載需求得到更好滿足，且能夠提高橋梁的穩定性和安全性。

2 偏載系數計算及實例分析

2.1 工程概況

為了進一步分析現澆箱梁拼寬橋上部結構的受力特性，該文以某拼寬橋梁為研究對象。該橋梁主橋跨徑布置為40 m+60 m+40 m，新建橋梁采用的上部結構與現有橋梁一致，采用現澆連續箱梁，如表1所示，給出了連續箱梁的截面參數。

2.2 橋梁模擬偏載系數分析

在橋梁設計中，偏載系數主要是指橋梁在承受車輛和行人等移動荷載時，考慮荷載對結構產生的動態影響而設置的一個系數。偏載系數通常大于1，反映橋梁在實際使用中的承載能力需要考慮這種動態荷載的影響。而通過計算研究橋梁的應力偏載系數和撓度偏載系數，可以評估橋梁在不同偏載情況下拼寬橋上部結構的受力及變形狀況。選擇合適的結構設計方案和加固方案[3]，可以有效延長橋梁的使用壽命，提高其在實際交通運輸中的安全性和經濟性，確保橋梁在各種工況下都能夠可靠地運行。

如圖1所示，給出了橋梁控制界面的分布情況。控制截面部分對橋梁的整體效率影響重大，在設計的過程中，必須精確計算和評估與所控制截面部分相關的各種參數，以確保橋梁在偏載作用下能夠滿足設計要求，且控制截面的選擇也需考慮橋梁的整體結構形式和受力特點，以保證設計的科學性和可靠性。

經有限元模擬分析可得，如圖2～3所示，分別給出了三個截面處的應力偏載值和撓度偏載值。由圖可知，新建橋梁在拼接前截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ的應力偏載系數分別為1.18、1.18和1.15，截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅲ-Ⅲ的撓度偏載系數分別為1.13和1.04，由于截面Ⅱ-Ⅱ是支座截面，故其撓度偏載系數的影響可忽略不計。鉸接后，截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ的應力偏載系數分別變為1.13、1.15和1.05，截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅲ-Ⅲ的偏載系數分別變為1.08和1.06；剛接后，截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ的應力偏載系數分別變為1.11、1.15和1.06，截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅲ-Ⅲ的偏載系數分別變為1.07和1.06。由此可以推斷出，鉸接橋和剛接橋都出現剛度增加、應力減小的情況，從而導致偏載系數逐漸降低。

3 箱梁拼接上部結構受力影響分析

3.1 不均勻沉降對拼接箱梁的影響

若新橋一端剛接，沉降量的不對稱性會導致橋梁上部結構產生較大的應力變化，尤其是剛接部位應力分布可能出現集中的現象，需特別關注。若新橋兩端剛接，沉降量的均衡性會對橋梁上部結構內力分布產生影響，沉降差的存在會導致橋梁產生水平位移和扭轉，從而引起不同位置的內力變化。故加固措施的確定需要綜合考慮橋梁整體結構，且有針對性地考慮橋梁的受力特性，以保證橋梁運行安全穩定[4]。

3.1.1 新橋箱梁基礎一端出現沉降

此時新老箱梁上部主梁結構的內力變化基本一致，在發生沉降的支座處產生較大的內力，最大值通常出現在支座處，并隨著距離支座的增加而逐漸減小，直到在另一端支座處基本變為0。如果新建橋梁的地基受到不均勻沉降的影響，則所產生的內力將主要分布在位于連接位置的內梁上，外梁和中梁也會受到一定程度的影響。

3.1.2 新橋箱梁基礎兩端出現沉降

此時新老箱梁上部主梁結構內力變化出現數值大小一致、方向相反的情況，且都在發生沉降的支座處產生相反方向的較大內力，最大值通常出現在支座處，并隨著支座距離的增加而逐漸減小，直到在另一端支座處基本變為0。當新橋兩端剛性連接、地基出現不均勻沉降時，主要由連接位置的舊內邊梁承擔額外的內力，外邊梁和中間梁次之。

3.2 混凝土收縮徐變對拼接箱梁的影響

混凝土因收縮徐變而產生的變形受多種因素的影響，需要在建模和分析中進行全面研究。首先可以假設新橋與原橋上部結構拼接形式為剛性，兩者作為一個受力整體，其間沒有相對位移；其次應考慮鋼筋、混凝土等材料自重，以免在混凝土收縮徐變過程中影響結構整體的穩定性能和變形性能。此外，由于收縮徐變的持續性，還應考慮時間因素對混凝土收縮徐變的影響，對不同時間范圍內的內力變化進行模擬研究。

通過模擬收縮徐變的過程，可以觀察內力的變化情況。一般來說，隨著混凝土的收縮，上部結構會受到拉應力的影響，可能導致主梁的彎曲和剪切變形。同時，由于新舊橋梁上部結構的剛性拼接，內力可能會在拼接處集中，產生較大的應力。

3.2.1 混凝土收縮的影響

（1）軸力分布

當僅考慮新橋混凝土的收縮徐變時，拼寬結構的受力將產生一定的協同受力差異，上部結構的軸向力將呈現對稱分布，中跨軸線附近有拉力，縱橋中跨方向的軸向力大于邊跨方向。此外，對新橋內腹板和外腹板的軸力進行檢查后發現，這些構件軸力之間的偏差很小。由于新橋混凝土的收縮會產生自身結構的附加應力，這將較大程度地影響原有橋梁的軸力表現，原有橋梁將承受軸向力從而產生壓力，而中跨的縱橋與邊跨的縱橋相比，將承受更大的軸向力。

（2）橫向剪力

由于新橋主梁混凝土的收縮影響，新橋主梁上部結構將受到一定的附加剪力作用，而最不利的位置出現在中墩支座處的主梁上，沿邊跨主梁的剪力分布相對均勻。然而，在主跨主梁上，縱橋向的剪力分布呈現出顯著差異。在橋梁上部結構的縱向走向上，這種明顯的變化模式表現為先下降后上升，而在橫向上則相反，新橋和原有橋梁上部結構的剪力分布模式基本相似，且內側腹板的剪力大于外側。

（3）橫向彎矩

由于新橋主梁混凝土收縮的影響，新橋上部結構在縱橋向上產生較大的附加彎矩，其中最大的彎矩出現在主墩處的主梁上。新主梁和原有主梁的剪力分布呈現出類似模式，其特點是沿橋梁縱軸方向，剪力呈先減后增的趨勢。對箱梁截面的檢查顯示，與支座相鄰的主梁上部承受著拉應力，而位于跨中位置的主梁下部也承受著拉應力。在橫橋向上，新橋與原有橋上部結構的彎矩分布相對均勻，但資料分析顯示，腹板內側的彎矩相比腹板外側要大很多，尤其在主墩處的主梁上出現了最大彎矩，可能會造成結構的承載力不足或結構失穩破壞。

3.2.2 混凝土徐變的影響

在對模型進行有限元分析后，確定混凝土徐變在不同階段產生的應力表現主要包括軸向力、垂直剪力和彎矩。首先，軸力是混凝土結構中的重要參數，不同齡期混凝土徐變引起的軸力變化可能會對結構的整體穩定性和承載能力產生影響；其次，不同齡期混凝土徐變引起的豎向剪力變化可能會導致結構受力不均，從而影響結構的整體性能和安全性；最后，不同齡期混凝土徐變引起的彎矩變化可能會引起結構的變形和裂縫，影響結構的使用壽命和安全性[5]。

（1）主梁軸力

在混凝土發生徐變的情況下，拼接橋梁上部結構的軸向力沿中跨軸線呈對稱分布。就新橋而言，主梁位置的軸向力是壓縮性的，而沿橋長的軸向力分布則表明，所有跨徑的軸向力大小一致，其中間跨徑的軸向力比邊跨徑的軸向力要低。此外，在橋梁橫向方向上，內梁和外梁之間的軸向力差距相對較小。混凝土發生徐變時，初始橋梁結構的軸向力分布會發生變化，這種變化通常會導致軸向力的不規則分布，主要表現為壓力的變化。具體來說，橋梁中跨處的軸向力將超過邊跨處。此外，在橋梁的橫向方向上，內梁和外梁之間軸向力的分布也會發生變化，通常會導致從外梁向內梁逐漸增大。

（2）豎向剪力

新舊橋梁的混凝土徐變表現出明顯的差異，其中一項是在剪力方面。在新建的橋梁中，主梁在中央橋墩支座的端點處受到的剪力最大，這兩個量級幾乎相等，但作用方向相反。主梁在各跨內的剪力分布基本一致，其特點是最初在橋梁方向上減小，隨后在相反方向上增大。與此相比，原有橋的剪力分布會受到混凝土徐變的影響，導致剪力分布情況不同。

（3）豎向彎矩

新舊橋梁的混凝土徐變行為存在差異，主要體現在沿橋梁縱軸的彎矩分布上。在新建橋梁中，最大彎矩出現在橋墩中央支座的兩端，每跨內的彎矩從支座向中跨方向逐漸減小，隨后向相反方向增大，導致在主梁中跨位置上部出現拉伸狀態。新橋橫向上主梁的彎矩變化表明，外梁的彎矩相比內梁較小。相比之下，原有橋的主梁順橋向的彎矩變化規律與新橋相似，但方向相反，即最大彎矩值位于中墩支座的兩端，主梁每跨的彎矩減小，然后方向逆轉，導致在主梁中跨位置上部出現拉伸狀態。在橫向方向上，原有橋主梁的彎矩從外梁向內梁逐漸增大。

4 結論

該文通過對某道路拼寬橋梁進行研究，得到以下結論：

（1）箱梁橋上部結構的主要應力來源有兩個方面：一個是現有橋梁和新橋地基的不同沉降，導致整個橋梁的荷載分布不同；另一個是混凝土收縮徐變導致的結構變形，應在長期使用過程中提高應力水平。

（2）經有限元模擬分析可得，鉸接橋和剛接橋都會出現剛度增加、應力減小的情況，從而導致偏載系數降低。在對模型進行有限元分析后，確定混凝土徐變在不同階段產生的應力表現主要包括軸向力、垂直剪力和彎矩，這些應力在橋梁上部結構中呈現對稱分布，其中軸力的最大值通常出現在跨中位置。

參考文獻

[1]馮玉龍，林政園，王雪鋒，等.高速公路改擴建工程中拼寬橋梁的設計與施工關鍵技術分析[J].公路工程， 2020（2）：137-142.

[2]江臣，郭趙元，傅晨曦，等.組合結構錯孔拼寬在高速公路擴建中的應用和受力性能研究[J].公路， 2023（3）：104-110.

[3]施鑫磊，高德寶，李子奇，等.溫度作用下混凝土拼接橋梁拼接縫界面剪應力研究[J].中國安全生產科學技術， 2021（11）：158-164.

[4]楊忠勝.既有拼寬T梁橋連接方式優化研究[J].世界橋梁， 2021（4）：106-111.

[5]楊曉沖，王濤，李浩師.拼寬空心板橋的承載能力與結構性能試驗研究[J].中外公路， 2020（3）：187-191.

收稿日期：2024-07-19

作者簡介：朱雁（1985—），女，本科，工程師，從事橋梁設計工作。