不等跨單側(cè)拼寬橋梁受力特性數(shù)值分析研究

摘要：針對城市橋梁單側(cè)拼寬工程中，部分城市橋梁左右兩幅跨度不等，會導(dǎo)致橋面板、支座、梁等結(jié)構(gòu)元素的受力不均勻，產(chǎn)生復(fù)雜的受力分布，使得受力特性數(shù)值分析困難問題，以南光高速市政化改造工程中的料坑互通主線橋的拼寬工程為背景，通過Abaqus CAE有限元軟件建立了不等跨拼寬橋梁的有限元模型，對其施工過程及成橋階段進(jìn)行模擬分析。研究結(jié)果表明：不等跨拼寬橋梁在濕接縫和橋面板會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，并且在成橋階段，在靠近濕接縫與墩柱的截面頂板的局部拉應(yīng)力較大，橋梁拼寬時(shí)需要對現(xiàn)有橋梁及原橋梁翼緣板處采取必要的加固措施，濕接縫可使用抗拉性能較好的材料。

關(guān)鍵詞：不等跨橋梁；單側(cè)拼寬；有限元分析；接縫處理

中圖分類號：TQ050.4；U448.21文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-5922（2025）02-0158-04

Numerical analysis and study of the mechanicalcharacteristics of unequal span unilateral span bridge

LI Jiali1，BU Jiantao1，ZUO Baopu1，WANG Qiang2，RUAN Jingpeng2，LIU Yingqi2

（1.Centralamp;Southern China Municipal Engineering Design and Research Institute Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China；

2.School of Transportation and Logistics Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430074，China）

Abstract：In view of the problem that the the left and right spans of bridges are unequal，which can lead to uneven stress distribution of structural elements such as bridge decks，supports，and beams，and making it difficult to nu?merically analyze the force characteristics，Taking the widening project of the material pit interchange main bridge in theNanguang Expressway municipal renovation project as the background，a finite element model of the unequal span widening bridge was established using Abaqus CAE finite element software，and its construction process and bridge completion stage were simulated and analyzed.The research results indicated that unequal span bridges would generate significant tensile stress in wet joints and bridge decks，and during the completion stage，the local tensile stress in the section top plate near the wet joint and pier column was relatively high.Necessary reinforce?ment measures should be taken at the existing bridge and the original bridge flange plate during bridge widening，and materials with good tensile performance could be used for wet joints.

Key words：uneven-span bridge；one-way widening；finite element analysis；connection treatment

針對相關(guān)拼寬橋梁進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，橋面拓寬后，整橋橫向分布系數(shù)出現(xiàn)明顯不同，通過合適加固措施緩解突變造成的不利影響[1]。為探求新舊主梁的粘接性能，通過抗剪試驗(yàn)，進(jìn)行空心板構(gòu)件下，拼寬橋新增絞縫試驗(yàn)[2]。以新舊箱梁之間產(chǎn)生的相互作用為突破點(diǎn)，利用有限元方法分析研究了新舊接縫可能導(dǎo)致的既有箱梁病害，剖析相應(yīng)致害機(jī)理[3]。對拼寬鋼梁橋進(jìn)行了有限元結(jié)構(gòu)受力分析，發(fā)現(xiàn)拼寬橋梁特征斷面僅在恒載作用下負(fù)荷提高，焊接拼縫始終處于穩(wěn)定狀態(tài)[4]。

為了研究不等跨拼寬橋梁的受力特性，研究以南光高速市政化改造工程中的料坑互通主線橋的拼寬工程為背景，通過Abaqus CAE有限元軟件建立了不等跨拼寬橋梁的有限元模型，進(jìn)行一期恒載、二期恒載、成橋階段的力學(xué)性能研究，今后為此類橋梁的拓寬設(shè)計(jì)提供相關(guān)的參考。

1工程背景

南光高速市政化改造工程是深圳市交通公用設(shè)施建設(shè)中心承辦的政府投資項(xiàng)目。該項(xiàng)目的建設(shè)對落實(shí)“十四五”交通規(guī)劃，完善區(qū)域快速路網(wǎng)體系與西部軸線貨運(yùn)體系，推動粵港澳大灣區(qū)建設(shè)，緩解南光高速交通擁堵現(xiàn)狀具有十分重要的意義。

料坑互通主線橋橋梁全長為433.5 m，橋梁全寬為33.5 m，橋梁起點(diǎn)樁號為K13+931.500，終點(diǎn)樁號為K14+370.520。橋梁跨徑采用17 m×25.5 m裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，橋面分2幅5聯(lián)且鋪裝連續(xù)，半幅橋面寬為16.75 m，箱梁采用C50混凝土。下部采用D= 1.3 m立柱式蓋梁墩，基礎(chǔ)采用D= 1.5 m樁基礎(chǔ)。料坑互通主線橋拼寬依據(jù)及拼寬特性分為4個(gè)部位：

（1）1#橋梁：在樁號K13+933～K14+111.5段內(nèi)，左幅拼寬15.7～20.7 m；

（2）2#橋梁：在樁號K14+111.5～K14+188段內(nèi)，左幅拼寬11.5 m；

（3）3#橋梁：在樁號K14+188～K14+264.5段內(nèi)，左幅拼寬11.5 m，右幅拼寬2.85 m；

（4）4#橋梁：在樁號K14+264.5～K14+366.5段內(nèi)，左幅拼寬11.5 m，右幅拼寬5.65 m。

選取其中的1#橋梁作為典型橋梁開展研究。

原橋面橫向布置，按防撞護(hù)欄、行車道、防撞護(hù)欄、中央分隔帶、防撞護(hù)欄、行車道、防撞護(hù)欄順序設(shè)置為：0.5 m+15.75 m+0.5 m+0.66 m+0.5 m+15.75 m+0.5 m=33.5 m。

拼寬后橋梁的橫斷面布置新增聲屏障及緊急停車帶，按聲屏障+防撞護(hù)欄、集散車道、行車道、防撞護(hù)欄、中央分隔帶、防撞護(hù)欄、行車道、緊急停車帶、聲屏障+防撞護(hù)欄為：1.5 m+2×3.5 m+2×3.75 m+2×3.5 m+0.5 m+2.0 m+0.5 m+2×3.5 m+2×3.75 m+3.5 m+1.5 m=45.5 m。

拼寬橋上部采用與現(xiàn)狀橋梁結(jié)構(gòu)形式一致的預(yù)應(yīng)力裝配式小箱梁方案，下部采用立柱式蓋梁墩與樁基礎(chǔ)，墩徑分別為1.3 m、1.5 m，立柱與樁基間設(shè)置系梁以增強(qiáng)連接?，F(xiàn)狀橋防撞護(hù)欄拆除后在新建主梁外側(cè)設(shè)置防撞護(hù)欄以及全封閉式聲屏障。

新舊橋接縫采用混凝土濕接縫，濕接寬度為40 cm。連接時(shí)需先鑿除既有箱梁翼緣板40 cm，保留現(xiàn)狀橋梁橫向鋼筋。由于道路中線存在偏移，原橋中央分隔帶拆除部分懸臂后采用UHPC進(jìn)行濕接連接，開鑿并清理現(xiàn)狀橋梁橋面鋪裝，重新鋪筑UHPC現(xiàn)澆層以提高現(xiàn)狀橋梁橋面性能，新增鋪裝層厚8 cm。

2模型建立

研究對象為料石互通1#橋梁，選取其第15～第16跨進(jìn)行建模計(jì)算。拼寬前舊橋獨(dú)立左右幅結(jié)構(gòu)，為兩跨簡支組合箱梁橋。拼寬新橋建造時(shí)為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，為兩跨連續(xù)組合箱梁橋。拼寬后，由左幅舊橋、右幅舊橋、拼寬新橋連接一體形成的整體兩跨結(jié)構(gòu)。整體左幅對應(yīng)拼寬新橋部位結(jié)構(gòu)，整體中幅對應(yīng)左幅舊橋部位結(jié)構(gòu)，整體右幅對應(yīng)右幅舊橋部位結(jié)構(gòu)。

整體新橋新增3處連接：紅色實(shí)線處為拼寬新橋與左幅舊橋之間、左幅舊橋與右幅舊橋之間的縱橋向連接及局部加固措施。藍(lán)色虛線代表兩跨組合箱梁在墩頂處的連接及局部加固措施，使得整體新橋形成整體受力結(jié)構(gòu)。采用Abaqus CAE軟件，建立不等跨拼寬橋梁仿真計(jì)算模型，如圖1所示。

3不等跨橋梁結(jié)構(gòu)分析

3.1施工階段分析

3.1.1一期恒載

橋梁在自重與預(yù)應(yīng)力荷載作用下的結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在一期恒載的作用下橋梁最大變形為17.59 mm，發(fā)生于左幅跨中位置；跨中最小壓應(yīng)力為1.84 MPa，跨中最大壓應(yīng)力為12.01 MPa。

3.1.2二期恒載

橋梁在舊橋左右幅通過翼緣板濕接縫連接后，橋梁在橋面板與瀝青鋪裝等二期恒載作用下的結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，二期恒載作用下最大變形13.68 mm，位于左幅跨中位置；跨中最大拉應(yīng)力為0.40 MPa，跨中最大壓應(yīng)力為-11.95 MPa。濕接縫最大拉應(yīng)力2.06 MPa，最大壓應(yīng)力0.90 MPa。8 cm橋面板在瀝青鋪裝荷載作用下最大拉應(yīng)力為3.15 MPa，最大壓應(yīng)力為-1.03 MPa。

3.2成橋階段分析

橋梁拼寬后，依據(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[5]，考慮標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載布設(shè)不等跨區(qū)域濕接縫最不利工況，橫向滿布車輛荷載。在該荷載作用下的結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，在成橋階段，橋梁跨中最大變形為12.89 mm。橋梁跨中最大拉應(yīng)力為0.08 MPa，最大壓應(yīng)力為10.45 MPa。濕接縫最大拉應(yīng)力為2.04 MPa，最大壓應(yīng)力為-0.92 MPa。橋面板最大拉應(yīng)力3.95 MPa，最大壓應(yīng)力-1.47 MPa。

3.3箱梁局部應(yīng)力分析結(jié)果

成橋階段不等跨區(qū)域箱梁頂板局部拉應(yīng)力較大，具體結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，在一期恒載作用下，第15跨舊橋右幅距15#墩2 m處的箱梁頂板最大拉應(yīng)力為1.58 MPa，最大壓應(yīng)力為9.21 MPa；第16跨舊橋左幅距15#墩2 m處的箱梁頂板最大拉應(yīng)力為1.24 MPa，最大壓應(yīng)力為12.56 MPa。在成橋階段，第15跨舊橋右幅距15#墩2 m處的箱梁頂板最大拉應(yīng)力為2.27 MPa，最大壓應(yīng)力為8.43 MPa；第16跨舊橋左幅距15#墩2 m處的箱梁頂板最大拉應(yīng)力為2.21 MPa，最大壓應(yīng)力為7.94 MPa；具體結(jié)果如表1所示。

4結(jié)語

本文依托南光高速市政化改造工程，采用Abaqus CAE軟件，建立不等跨拼寬橋梁仿真計(jì)算模型，對拼寬橋梁進(jìn)行建模計(jì)算分析。仿真結(jié)果表明，單側(cè)不等跨拼寬橋梁在濕接縫和橋面板會產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，需要對現(xiàn)有橋梁及原橋梁翼緣板處采取必要的加固措施，濕接縫應(yīng)使用抗拉性能較好的材料；在成橋階段，頂板的局部拉應(yīng)力較大，發(fā)生在靠近濕接縫與墩柱的位置，向橋梁中心位置迅速衰減；驗(yàn)算結(jié)果表明該橋滿足受力要求。城市橋梁的單側(cè)不等跨拼寬是一種適合于城市中條件受限并且方便快捷的改造現(xiàn)有橋梁的方式。

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（責(zé)任編輯：平海，蘇幔）