城市高架鋼梁橋拼寬改造受力分析

羅文藝， 黃福云， 李雅杰， 崔玉龍， 王金安

(1.中建五局土木工程有限公司, 湖南 長沙 410000；2.福州大學 土木工程學院)

1 前言

市政橋梁作為城市道路交通的樞紐，在整個城市經(jīng)濟的發(fā)展以及城市化推進過程中，起著十分重要的作用。隨著中國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，交通量的需求不斷增大，許多橋梁出現(xiàn)設計荷載較低、橋齡較長，橋面寬度不足以及通行能力逐漸趨于飽和等問題。為了解決這些問題并提高交通量，往往選擇將橋梁加固、加寬甚至拆除重建等措施。

橋梁的拆除重建一般很浪費資源并且違背低碳原則，因此，當橋梁剩余承載力仍然較大時，在原有橋梁基礎上進行加固是一種較好的選擇。目前，橋梁加固的研究得到了較多的關注。張樹仁等采用粘貼鋼板或其他纖維復合材料的方法對鋼筋混凝士構件受拉或受剪薄弱區(qū)段進行補強加固，以提高薄弱區(qū)的承載能力，并重新計算其抗剪承載力；項貽強等對橫向聯(lián)系失效的空心板梁橋采用施加橫向預應力鋼絞線進行加固，并對其橫向分布進行了新的計算。不過，相對來說，為提高橋梁的通行量而進行橋梁加寬的研究相對不多，原因主要是其通常以新建橋梁的方式在原橋旁相鄰位置進行拓寬，形成上、下幅橋梁，從而不改變原橋的結構和受力。拓寬以后的新橋可以增加新的車道數(shù)目，保留舊橋的上下部結構繼續(xù)使用，從而提高原有的交通流量。然而，對于城市橋梁來說，由于空間有限，在舊橋相鄰位置新建橋梁較為困難，特別是對于城市高架橋或立交橋來說，通常為曲線橋梁，新建橋梁更為困難。因此，在城市空間有限條件下，選擇在舊橋的兩側拼接加寬是一種難以避免的改造方式。這種加寬措施不可避免會影響到原橋的受力性能，因此有必要進行深入的分析。

目前，關于橋梁拼接加寬改造的研究不多，僅有少量關于混凝土梁橋加寬的文獻。與常規(guī)梁橋設計分析不同，橋梁拼接加寬分析時，需要考慮新舊梁橋由于成橋時間差異所帶來的一系列作用差異，如新建橋梁存在新的地基沉降變形、主梁片數(shù)增加導致橫向分布系數(shù)變化等，這些差異會給拓寬后的橋帶來不同的作用效應。吳文清等就某預應力混凝土連續(xù)箱梁橋的拼寬，探討了橋梁橫向拼接加寬后給既有箱梁橋面板可能帶來的結構病害。該橋的加寬采用新橋和舊橋僅箱梁頂板和橋面板翼緣鉸接連接、其他部位不連接的方式；Wu Wenqing等介紹了某混凝土空心板橋的拼寬，探討并建立了地基沉降對拼寬后橋梁力學性能影響的數(shù)學模型。該橋的加寬采用在新橋和舊橋的空心板頂板之間現(xiàn)澆拼接板連接、下部結構不連接的方式；黃立浦等通過建立舊橋拓寬加固的模型，研究加固橫梁的設置位置、數(shù)量、剛度；加寬主梁、舊橋的剛度以及主梁連接方式不同時，各主梁橫向分布系數(shù)的變化規(guī)律。并提出一種既有橋梁拓寬加固的方法——縱橫梁拓寬加固法。關于鋼梁橋的拼接加寬還未見文獻報導。

與混凝土橋梁的新舊橋采用現(xiàn)澆拼接進行鉸接連接方式不同，鋼梁橋的新橋與舊橋通常采用焊接方式進行剛接，其除使箱梁頂板或翼緣連接外，還可使上部結構主梁相連接，新舊橋的連接更緊密。因此，新舊橋之間的相互影響相比混凝土橋梁來說更大，同時加寬后的舊橋內(nèi)力也會發(fā)生改變。

為了研究施工場地空間有限條件下城市鋼梁橋拼寬后的受力性能，該文以福州市五四路高架橋為工程背景，通過Midas/Civil有限元軟件分別建立舊橋和加寬后的新橋有限元模型，進行豎向荷載(車輛荷載)、溫度荷載以及不均勻沉降荷載作用下新舊橋的力學性能研究，對比新橋和原橋的受力變化，為此類型橋梁的加寬設計計算和有關規(guī)范的制定提供參考與借鑒。

2 工程背景

福州市五四路思兒亭高架橋，建于2008年。該橋是一座跨度為3×30 m+(30+40+30) m+3×30 m的鋼箱梁橋，全橋為三聯(lián)，橋面寬度16.5 m，梁高1.7 m，雙向四車道。箱梁頂板厚14 mm，底板和腹板厚12 mm，腹板間距為9.5 m。橋墩由西向東分別為1#墩～10#墩，采用雙柱式墩(墩身直徑1.4 m)，雙柱之間設有一橫系梁(橫系梁截面尺寸為0.8 m×1.2 m)，原橋立面圖和斷面圖見圖1、2。

圖1 橋型立面布置圖(單位：cm)

圖2 原橋橫斷面布置圖(單位：cm)

由于城市發(fā)展較快，車流量迅速增長，原橋已不能滿足現(xiàn)在的交通量，需將原橋拓寬并改造為立交橋。新橋?qū)Ρ仍本€橋主要增設了4條匝道，分別為A、B、C和D匝道。A、B、C、D匝道設計長度分別為527.4、123.4、134.7、218.3 m，除A匝道設計寬度為16 m外，其他匝道的設計寬度均為8.0 m。橋梁改造后的布局如圖3所示。限于篇幅，該文主要針對原橋按A、B和C共3個匝道拼寬后的受力性能進行研究，對于匝道橋自身的受力不進行分析。

圖3 高架橋布局圖

A、B和C匝道的跨徑布置均為(32+45+38+34) m。拼寬橋面采用正交異性板結構，橋面全寬為8～16 m，梁高為1.5～1.7 m，結構形式為雙箱雙室。鋼箱梁懸臂長度為2.0 m，標準斷面頂板板厚16 mm，底板板厚16 mm，腹板板厚14 mm。鋼箱梁頂?shù)装?、腹板在中支點兩側4～6 m范圍進行加厚，頂板和底板均加厚至35 mm，腹板加厚至20 mm。加寬后的上部結構橫截面如圖4所示。拼寬橋的橫隔板布置與原橋橫隔板布置一致。另外，為使新、舊橋連接可靠，在新舊橋連接處的腹板之間焊接一道連接橫隔板，新舊橋頂板采用鋼板和螺栓連接。

圖4 新橋橫截面布置圖(單位：cm)

匝道橋墩采用鋼管混凝土柱式墩，其中，A匝道較寬，采用雙柱式墩，墩柱中心間距為7 m；B、C匝道則采用獨柱式墩。墩柱外鋼管截面尺寸為直徑Φ=1.3 m，壁厚t=20 mm，內(nèi)灌C30微膨脹混凝土。

3 有限元計算

3.1 有限元建模

有限元模型采用Midas/Civil 2015 進行建模。模型中鋼箱梁、橫隔梁、橋墩等皆采用梁單元模擬，支座采用彈性連接模擬，每一聯(lián)的端點用鉸連接模擬伸縮縫，樁底固結。因考慮施工及新設匝道對舊橋的影響，對于A匝道，模型只取部分建模分析，匝道端點支撐在彈性支座上。新舊橋采用虛擬橫梁來模擬剛接拼寬，不考慮箱梁畸變效應和樁基礎。原橋有限元模型共460個節(jié)點和598個單元，加寬后的新橋共1 582個節(jié)點、2 335個單元。原橋和新橋模型分別如圖5、6所示。

圖5 原橋有限元模型

圖6 新橋有限元模型

3.2 材料和作用

主梁采用Q345qc鋼，彈性模量E=2.1×105MPa，剪切模量G=0.81×105MPa，容許彎曲應力σw=210 MPa。墩柱采用C40混凝土，彈性模量Ec=32.5 GPa，軸心抗壓設計強度fcd=18.4 MPa，軸心抗壓標準強度fck=26.4 MPa,抗拉設計強度ftd=1.65 MPa,抗拉標準強度ftk=2.40 MPa。

荷載作用包括永久作用和可變作用，不考慮施工過程的影響。永久作用包括結構自重和二期恒載，其中鋼箱梁主梁自重按78.5 kN/m3考慮，二期鋪裝按78.1 kN/m均布荷載作用在主梁上；可變作用中的汽車荷載為城市-A級，考慮汽車沖擊力、離心力和制動力；溫度變化考慮升溫25 ℃、降溫20 ℃；沉降考慮舊橋沉降10 mm，新拼橋沉降20 mm，產(chǎn)生10 mm沉降差。表1為7種荷載作用以及4種荷載組合工況。

表1 荷載作用工況

4 有限元計算結果分析

4.1 永久荷載作用

圖7為主梁在恒載作用下(工況1)的彎矩圖，其中括號外的數(shù)值為拼寬后的彎矩值、括號內(nèi)為舊橋彎矩值。限于篇幅，剪力等分布未給出。從圖7可以看出：無論是正彎矩或者負彎矩，拼寬后的直橋?qū)Ρ仍瓨虻慕^對值都有增大。原因是新橋一部分重量也由原橋承受，所以彎矩會有所增加，其中圖7(a)第一聯(lián)和圖7(c)第三聯(lián)的彎矩值變化較大。

圖7 主梁在恒載作用下的彎矩包絡圖(單位：kN·m)

比較可知：該橋拓寬對第二聯(lián)的正、負彎矩增加量最小，尤其是5#墩、6#墩處的主梁負彎矩和第二、第三跨跨中處的正彎矩，這是因為舊橋僅在第一聯(lián)、第三聯(lián)和第二聯(lián)的第一跨處加寬，因而對第二聯(lián)影響最??；對第三聯(lián)的影響最大，對第一聯(lián)的影響其次?？傊?，在恒載作用下，拼寬后的橋梁比原橋受力更大。

4.2 可變荷載作用

4.2.1 汽車荷載作用

原橋采用四車道對稱布置。圖8為主梁在汽車荷載作用下(工況2)的彎矩包絡圖，其中括號外的數(shù)值為舊橋彎矩值、括號內(nèi)的數(shù)值為拼寬后的彎矩值。限于篇幅，剪力等分布未給出。

圖8 主梁在汽車荷載作用下的彎矩包絡圖(單位：kN·m)

從圖8可以看出：無論是正彎矩或者負彎矩，拼寬后的直橋?qū)Ρ仍瓨虻慕^對值都有減小。這是因為拼寬后的橋梁主梁數(shù)量增加，橫向分布系數(shù)減小，荷載分布在更多的主梁上。其中圖8(a)第一聯(lián)和圖8(c)第三聯(lián)的彎矩值變化較大。

比較可知：該橋拓寬對第二聯(lián)彎矩減小量最小，尤其是墩柱5#、6#處的主梁負彎矩和第二、三跨跨中處的正彎矩。這是因為舊橋僅在第一聯(lián)、第三聯(lián)和第二聯(lián)第一跨處加寬，因而對第二聯(lián)影響最??；對第三聯(lián)的影響最大，對第一聯(lián)的影響其次。

在汽車荷載作用下，拼寬后的橋梁計算結果比原橋更小，這是不利的和偏不安全的。因此，拼寬后橋梁的車道折減系數(shù)計算方法還需進一步研究。

4.2.2 溫度荷載作用

由于該橋為鋼結構，溫度荷載作用下的內(nèi)力較大。因此，針對原橋和拼寬后的主梁進行整體升降溫和溫度梯度變化荷載作用，進一步探究拼寬前后溫度荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力變化，不過未考慮焊接殘余應力的影響。

(1) 整體升降溫作用

計算表明：在整體溫度變化作用下，原橋的溫度應力與拼寬后的相差不大。其中，原橋在溫度升降情況下產(chǎn)生的壓、拉應力分別為-90.2、72.1 MPa，拼寬后產(chǎn)生的壓、拉應力分別為-87.2、69.8 MPa，最大下降量為3.3%；原橋在溫度升降情況下產(chǎn)生的縱向伸長、減縮量分別為26.5、21.2 mm，拼寬后產(chǎn)生的縱向伸長、減縮量分別為25.4、20.3 mm，最大下降量為4.4%。因此，整體溫度變化作用下，拼寬后的主梁受力情況對比原橋變化不大。

(2) 溫度梯度作用

溫度梯度模式按照JTG D60-2004《公路橋涵設計通用規(guī)范》中有關規(guī)定進行取用，如圖9所示。計算梯度升溫時，橋面板表面的最高溫度T1按照規(guī)范要求取14 ℃，橋面板表面以下100 mm處T2取5.5 ℃。對于帶混凝土橋面板的鋼結構，A=300 mm。計算反溫差(梯度降溫)時，按規(guī)范要求取正溫差乘以-0.5。圖10為靠近匝道一側箱梁應力點示意圖，該文主要取圖10中1、2點的應力值沿全橋方向的變化進行分析。

圖9 豎向溫度梯度曲線

圖10 箱梁應力點示意圖

在梯度升溫作用下，頂板主要產(chǎn)生拉應力，底板主要產(chǎn)生壓應力。負溫度梯度相比正溫度梯度要小，限于篇幅，該文不展開陳述。梯度升溫作用下，拼寬后橋梁的最大應力約為32.0 MPa。對比原橋，拼寬后橋梁沿跨徑方向的溫度梯度應力會產(chǎn)生較大變化，最大應力差值出現(xiàn)在第二聯(lián)，數(shù)值為3.7 MPa，增加幅度超過10%。

4.2.3 不均勻沉降作用

由于舊橋在改造施工以前，成橋運營通車數(shù)年，樁基已經(jīng)具有一定的沉降量。原橋和匝道拼寬固結在一起后，原橋的沉降空間很小，但是新拼匝道橋的沉降空間很大，這就使得新舊橋的沉降量不同，產(chǎn)生一定的沉降差。橋梁拼寬的最大技術難題在于新舊橋基礎沉降差異的控制問題，新舊橋基礎不均勻沉降差過大，會引起新、舊橋連接處產(chǎn)生開裂等病害，嚴重時會影響橋梁的正常使用。由于原橋與匝道固結，這種沉降差最終會導致主梁產(chǎn)生應力。該文針對不均勻沉降作用下的縱橋向和橫橋向受力情況進行深入的分析。

圖11為該橋主梁兩個腹板的縱橋向沉降應力圖。

圖11 不均勻沉降作用下各腹板的縱橋向應力圖(單位：MPa)

由圖11可以看出：第一聯(lián)和第三聯(lián)墩柱處的應力增加較大，最大接近100 MPa。且靠近匝道一側的腹板應力值較大。第二聯(lián)拼接部分較少，所以不均勻沉降產(chǎn)生的應力值較小。

圖12為該橋在不均勻沉降作用下2#、9#墩柱處主梁的橫橋向應力圖。

圖12 不均勻沉降作用下墩柱處主梁橫橋向應力圖(單位：MPa)

由圖12可以看出：① 不均勻沉降作用下新橋主梁各個位置都產(chǎn)生一定的應力。其中，主梁各個位置處的應力值有所不同，大致呈現(xiàn)的規(guī)律為：與連接隔板位置的橫向距離越大，產(chǎn)生的應力值越小。連接隔板附近位置的應力值較大，特別是對于原橋底板處與新拼橋頂板處，應力值最大接近100 MPa；② 不均勻沉降作用下新拼橋主梁產(chǎn)生的應力值較原橋主梁的應力大。

由上述分析可知：在不均勻沉降作用下，拼寬后的鋼梁產(chǎn)生較大的應力，受力較拼寬前更不利。

4.3 荷載組合作用

對上部結構進行驗算，荷載組合Ⅰ～Ⅳ下的主梁最大撓度和應力值見表2。

表2 荷載組合下的最大撓度和應力值

由表2可知：截面最大應力為191.3 MPa，小于容許拉應力210 MPa。主梁最大撓度為31.9 mm，小于規(guī)范規(guī)定的容許值50 mm(計算跨徑30 m的1/600)，拼寬后的橋梁滿足承載能力極限狀態(tài)下的主梁抗彎承載力要求和撓度要求，并具有一定的安全儲備。因此，鋼梁橋拼寬是一種適合使用的、有發(fā)展前景的改造方式。

5 結論

通過建立Midas/Civil有限元模型，對某公路鋼箱梁高架橋開展了拼寬改造設計分析，并與原橋的受力性能進行了對比，得到以下結論：

(1) 恒載作用下，拼寬后的橋梁比原橋受力更大，其中墩柱處的主梁彎矩最大增大了43.4%、跨中處的主梁彎矩最大增加了35.9%。

(2) 拼寬后的橋梁主梁數(shù)量增加，橫向分布系數(shù)減小，荷載分布在更多的主梁上，汽車荷載作用下，拼寬后橋梁受力比原橋小。

(3) 拼寬后的橋梁和原橋在溫度整體升降作用下的應力和變形量相差較小，應力變化量為3.3%，橋梁縱向伸縮變化量為4.4%；溫度梯度作用下拼寬后的橋梁應力和原橋相比有所變化，最大應力增加了10%。

(4) 在不均勻沉降作用下，拼寬后的鋼梁產(chǎn)生較大的應力。對于縱橋向，在有拼寬的第一聯(lián)和第三聯(lián)墩柱處的應力增加較大。而第二聯(lián)拼接部分較少，不均勻沉降產(chǎn)生的應力值較小。對于橫橋向，與連接隔板位置的橫向距離越大，產(chǎn)生的應力值越小。連接隔板附近位置的應力值較大，特別是對于原橋底板處與新拼橋頂板處，應力值最大接近100 MPa。

(5) 荷載驗算表明：該橋滿足受力要求。鋼梁橋拼寬是一種適合于城市交通量大而施工條件有限的、有發(fā)展前景的改造方式。