錯孔拓寬連續(xù)箱梁力學性能分析

周新平，湯陳皓，丁文博，宗雪梅

(1.中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710075； 2.長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；3.陜西通環(huán)路橋新技術(shù)有限責任公司，陜西 西安 710061； 4.中聯(lián)西北工程設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引 言

公路橋梁是公路交通的重要組成部分和關(guān)鍵樞紐，對聯(lián)系地區(qū)經(jīng)濟，促進經(jīng)濟發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用[1]。隨著社會與經(jīng)濟的快速發(fā)展，交通量不斷增加，許多公路橋梁逐漸無法滿足現(xiàn)有交通需求，而在原有橋梁的基礎(chǔ)上進行擴建拓寬，是常見、經(jīng)濟和高效的選擇[2-3]。如滬寧高速、廣佛高速[4]和滬陜高速[5]等高速公路的許多橋梁都進行了擴建拓寬，并積累了寶貴的設(shè)計、施工經(jīng)驗。但公路橋梁擴建依舊面臨著包括不中斷交通，合理拼接，控制不均勻沉降和收縮徐變[6]等一系列工程問題。在實際拓寬工程中，往往面臨著不同的控制性問題，需要設(shè)計出合理有效的拓寬方案[7-8]。絕大多數(shù)的橋梁拓寬工程都是依托原橋，在其橋墩臺一側(cè)，設(shè)置相同跨徑的新橋下部結(jié)構(gòu)，再進行橋梁上部結(jié)構(gòu)拓寬。但也存在一些較為特殊的橋梁拓寬工程，新橋和舊橋的橋墩不能在同一橫向位置，即形成了錯孔布置。拓寬橋梁錯孔布置后，其受力情況不同于常規(guī)拓寬橋梁，因此，本文針對錯孔布置連續(xù)箱梁拓寬結(jié)構(gòu)，做詳細的受力分析，并找出合適的拼接方式，為相關(guān)橋梁拓寬工程提供借鑒和幫助。

1 工程背景及拓寬方案

1.1 工程背景

以深圳市梅觀高速公路擴建工程為背景，選取拓寬擴建中的觀瀾分離立交橋為例，研究錯孔拓寬連續(xù)箱梁的力學性能。該橋為雙幅鋼筋混凝土連續(xù)梁橋，左右兩幅橋形一致，進而主要以右幅橋梁為研究對象。右幅橋孔布置為(20+30+20)m，為變截面單箱雙室橋梁，如圖1所示。該橋舊橋為斜橋正做，新擴建橋梁為配合舊橋設(shè)計，也采用斜橋正做方案；此外，擴建時為不影響橋下道路交通，新舊橋墩不在同一橫向位置上，即新舊橋梁形成了錯孔布置。與常規(guī)連續(xù)梁橋的拓寬結(jié)構(gòu)相比，這一類橋梁拼接拓寬后，結(jié)構(gòu)受力更復雜，面臨的工程問題也更嚴峻。

圖1 觀瀾立交橋舊橋立面布置和箱梁截面

1.2 拓寬及計算方案

觀瀾分離式立交橋新建拓寬橋梁設(shè)計荷載為公路I級；右幅橋拓寬采用預應力混凝土連續(xù)箱梁，加寬8.25 m；除鉸縫及橋面鋪裝外，均采用C30混凝土；預應力鋼絞線均采用ASTM416-97標準270級鋼絞線，非預應力鋼筋選用Ⅱ級熱軋螺紋鋼筋(d>12 mm)，和Ⅰ級鋼筋(d<12 mm)。拓寬后橫截面布置如圖2所示，拓寬新橋橋孔布置為35 m+35 m，拼接后與舊橋形成錯孔布置。由于新舊橋都是沿縱橋向中心對稱的，因而僅設(shè)置了一半的計算截面用于結(jié)構(gòu)分析，分別為Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ、Ⅴ-Ⅴ，拼接后平面圖和觀測截面圖如圖3所示。

圖3 右幅橋拼接后平面圖

圖2 右幅橋拓寬后橫截面布置圖

2 計算模型

錯孔布置的連續(xù)箱梁拓寬結(jié)構(gòu)的研究，主要采用了橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計理論與結(jié)構(gòu)空間有限元方法，基于梁格理論進行結(jié)構(gòu)離散，并忽略箱梁畸變影響，建立有限元計算模型，如圖4所示。計算荷載包括橋梁自重、二期恒載、收縮徐變、汽車荷載、溫度荷載、新橋基礎(chǔ)沉降和新橋預應力，并根據(jù)實際工程中的加載情況，將施工過程分為6個階段：舊橋整體現(xiàn)澆及橋面鋪裝；發(fā)生3 600 d的收縮、徐變；新橋整體現(xiàn)澆及橋面鋪裝；新橋放置180 d；新舊橋拼接；發(fā)生收縮徐變1 000 d。

圖4 右幅橋計算模型

3 拓寬橋梁結(jié)構(gòu)分析

新舊橋梁拼接后，兩橋協(xié)同受力變形，但在原舊橋設(shè)計時，大多未考慮到拓寬拼接的情況，因此，橋梁拓寬，首先需要關(guān)注原橋的受力能否滿足現(xiàn)行規(guī)范荷載等級的要求[9]，再選擇合適的拼接方式及拼接時間。

3.1 箱梁縱向內(nèi)力分析

該橋梁拓寬形式為錯孔布置，拼接后的內(nèi)力變化情況特殊，有必要對拓寬拼接后的舊橋進行關(guān)鍵截面的內(nèi)力分析，包括彎矩和剪力。

新橋建成6個月后與舊橋剛接和鉸接，并拓寬運營3年后對舊橋部分進行內(nèi)力分析。包括拼接前后舊橋箱梁在不同截面處的彎矩和剪力，并考慮鉸接和剛接2種不同的拼接方式，其計算結(jié)果見表1。

分析表1的彎矩部分可知：Ⅰ-Ⅰ和Ⅲ-Ⅲ是正彎矩區(qū)，Ⅱ-Ⅱ是負彎矩區(qū)，分別對于正負彎矩區(qū)考慮最大彎矩值和最小彎矩值，將結(jié)果繪制成圖5。

表1 箱梁縱向內(nèi)力分析

圖5 箱梁縱向各截面彎矩變化

由圖5可知，錯孔拓寬拼接后，舊橋Ⅰ-Ⅰ和Ⅲ-Ⅲ截面的正彎矩最大值都有不同程度的降低。根據(jù)拼接形式的不同，舊橋Ⅰ-Ⅰ截面處的最大彎矩分別降低了1.5%(鉸接)和2%(剛接)，在Ⅲ-Ⅲ截面處則降低了3.7%(鉸接)和2.6%(剛接)，說明錯孔布置的連續(xù)箱梁拓寬結(jié)構(gòu)可以在一定程度上提升舊橋的抗彎承載能力。這是由于新舊橋梁錯孔拓寬拼接后，兩者協(xié)同變形，錯孔布置的橋墩使舊橋橋面板獲得了額外的約束，一定程度上降低了箱梁的縱向彎矩。但舊橋的Ⅱ-Ⅱ截面，即舊橋支座處，其負彎矩值卻有一定程度的增大，分別增加了2.2%(鉸接)和3.6%(剛接)。這是由于原舊橋橋墩所在的截面上，新橋并未設(shè)置橋墩，而兩者拼接拓寬后，協(xié)同受力變形，相當于額外給舊橋的負彎矩區(qū)增加了彎矩，會產(chǎn)生不利影響，需著重驗算舊橋負彎矩區(qū)的承載能力。

分析表1的剪力部分可知：3個計算截面的最大剪力值都要大于最小剪力的絕對值，因此僅需考慮最大剪力值的變化即可，將計算結(jié)果繪制成圖6。

圖6 箱梁縱向各截面剪力變化

由圖6可發(fā)現(xiàn)：舊橋拓寬拼接后，3個計算截面的最大剪力值都有不同程度的增加，尤其是Ⅰ-Ⅰ截面處，剪力值分別上升了27.4%(鉸接)和28.9%(剛接)、而在Ⅱ-Ⅱ截面，則是所有計算截面中所受剪力最大的，分別達到了4 420.8 kN(鉸接)和4 433.1 kN(剛接)。這是由于錯孔布置導致的新舊橋墩不在同一截面上，使得在同一荷載作用下新舊橋面板的變形不一致導致的，橋面板差異性的變化趨勢對舊橋橋面板施加了額外的剪力效應。因此，有必要對錯孔布置的連續(xù)箱梁拓寬結(jié)構(gòu)做剪力分析，并適當采取加固措施。

3.2 拼接部位受力分析

橋梁拓寬拼接方式多樣，根據(jù)邊界條件的不同，可以分為剛性和柔性連接兩種：剛性連接即將新老結(jié)構(gòu)固結(jié)，柔性連接即采用鉸接的方式連接。

橋梁拓寬拼接后，拼接部位較為薄弱，在多因素荷載耦合作用下，會對拼接部位產(chǎn)生較為復雜的受力影響。因此，對建成6個月后拼接拓寬，并運營3年后的拼接部位進行受力分析，主要考慮鉸接方式下的橫向彎矩和剛接方式下的橫向彎矩和豎向剪力。計算時，自0#墩(含0#墩)從左向右每隔6 m取一計算截面，并加上Ⅲ-Ⅲ截面，共7個計算截面。經(jīng)計算，鉸接和剛接方式下的各截面處的剪力效應結(jié)果如圖7所示；剛接方式下拼接處的橫向彎矩計算結(jié)果如圖8所示。

圖7 鉸接和剛接時各截面拼接處的剪力

圖8 剛接時各截面拼接處的橫向彎矩

從圖7、8中可以發(fā)現(xiàn)：在最不利車輛荷載和多因素荷載耦合作用下，剛接和鉸接對于拼接部位的剪力效應有略微不同，在多數(shù)截面處鉸接時的剪力要稍大一些，但兩者相差不大，只有數(shù)kN之差。但剛接時，橋梁拼接處會產(chǎn)生彎矩，并且在Ⅲ-Ⅲ截面處的正負彎矩值都較其他截面更大些，尤其正彎矩區(qū)最大可達到85 kN·m。這是由于Ⅲ-Ⅲ截面恰好處于舊橋跨中，在此截面上新橋設(shè)立了橋墩，因此，在荷載作用下，舊橋橋面板有下?lián)系内厔?，但新橋橋面板在橋墩的支撐下不易產(chǎn)生彎曲變形，使得此截面產(chǎn)生了正彎矩的極大值和負彎矩的突變。

綜上所示，錯孔布置的拼接拓寬橋梁結(jié)構(gòu)若拼接方式采用剛接，則需要比較注意橋墩相互錯位截面處的正負彎矩情況。

3.3 支反力分析

橋梁拼接拓寬后，新舊結(jié)構(gòu)剛度的不同會對荷載在新舊橋梁之間的傳遞產(chǎn)生影響，導致支座處的支反力發(fā)生改變。而錯孔拼接拓寬的橋梁支座受力情況則更為復雜，需考慮支座處是否會受拉力，從而確定是否需要增加相應措施。

在計算中主要考慮了橋梁自重，二期恒載，最不利汽車荷載，橋梁拼接后的收縮徐變，新橋不均勻沉降和溫度荷載，觀測截面為新舊橋梁的各支座截面處。通過計算，新舊橋梁拓寬拼接后豎向支座反力的情況如圖9所示。

圖9 新舊橋梁拓寬拼接后豎向支座反力情況

從圖9中可以發(fā)現(xiàn)：拓寬拼接后的橋梁在多因素荷載作用下，縱橋向各個支座處的支座反力值都大于零，說明即使橋梁錯孔布置，新舊橋梁支座都是受壓的，因此不必擔心支座處受拉脫空。將各個荷載因素對支座反力的作用情況詳細考慮后，可將各因素對支座反力值的占比匯總出來。由此可以發(fā)現(xiàn)：最小汽車荷載，新橋整體沉降，溫度梯度和收縮徐變，在新舊橋梁的不同支座處產(chǎn)生了不同數(shù)值、比例的負反力，即可使支座處受拉。但由于恒載、最不利汽車荷載產(chǎn)生的支座反力遠大于前者，因此從多因素荷載角度考慮，新舊橋支座處都不會出現(xiàn)受拉脫空的情況。

3.4 箱梁變形及拼接時機分析

新舊橋梁的拼接拓寬，需綜合考慮新舊箱梁的高差、拼接后縱橫向的位移變形等。若新舊箱梁翼緣板端部高差過大，將導致拼接無法順利進行；同樣，拼接運營后，若收縮徐變引起的縱向位移過大，則會造成新舊箱梁平面彎曲，導致舊橋支座橫向位移過大，因此要綜合多種因素選擇合適的拼接時機。

分別計算新橋建成后6個月、3個月、1個月時，新舊橋梁內(nèi)側(cè)翼緣板端部位移差值，可以得到位移差值最大值均發(fā)生在舊橋中跨跨中(對應新橋橋墩處截面)。1個月時差值為30.37 mm；3個月時差值為30.39 mm；6個月時差值為30.41 mm?？梢?，雖然延遲拼接會導致新舊橋梁高差值變大，提升拼接難度，但也可發(fā)現(xiàn)延遲拼接的影響并不是很大，不同拼接時機的差值只有0.02 mm左右。

拼接時機的不同，還會對拼接后新橋的縱向位移和舊橋的橫向位移產(chǎn)生影響，如圖10所示，上方梁格表示舊橋，下方梁格表示新橋。

圖10 拼接拓寬后新舊橋梁位移

將拼接時機選在新橋建成后1個月，3個月，6個月，新舊橋梁拼接拓寬運營3年后，再對新橋支座處截面支座縱向位移的差值和舊橋支座處截面支座橫向位置的差值進行分析。如圖11所示，可以發(fā)現(xiàn)：新橋0#墩上支座發(fā)生的縱向位移的最大值分別為：7.055、5.680、4.855 mm；舊橋0#墩上支座發(fā)生橫向位移的最大值分別為11.414、9.143、7.79 mm。延遲拼接，可以有效地減少拼接拓寬后橋梁在運營中產(chǎn)生的橫縱向位移，一定程度上可以改善新舊橋梁協(xié)同工作的效應。新橋的縱向差值和舊橋的橫向差值變化趨勢都隨著拼接時機的延遲而減緩。說明雖然延遲拼接可以改善新舊橋梁的協(xié)同受力，但改善的效果會隨著時間的推移而降低，因此，延遲時機需要綜合考慮工程實際情況。

圖11 不同拼接時機下新舊橋梁橫縱向位移

4 結(jié) 語

通過對錯孔布置的連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)做有限元計算分析，得到了包含內(nèi)部受力，拼接部位受力，支座反力，箱梁變形等結(jié)構(gòu)受力特點，并分析了拼接時機，得到以下結(jié)論：

(1)拼接拓寬橋梁采用錯孔布置可以有效降低舊橋的正彎矩，但會增大支座處截面的負彎矩。

(2)鉸接在箱梁縱向負彎矩區(qū)彎矩增大的效應要低于剛接，在拼接處的剪力效應雖略大但可控，而剛接則會在拼接處產(chǎn)生橫向彎矩，推薦采用鉸接。

(3)橋梁恒載對新舊橋梁支座反力的作用較大，其次為汽車活載，汽車活載最小值和各分項荷載會產(chǎn)生負壓力，但數(shù)值較小，可以不必擔心支座脫空。

(4)拼接時機的延遲可改善橋梁的內(nèi)力變化，綜合考慮建議延遲拼接時間為6個月。

(5)錯孔布置的結(jié)構(gòu)形式雖會增加新舊橋梁橋面板的受力的復雜程度，但有利于正彎矩區(qū)的受力，和減小新舊橋梁翼緣板端的差值。