高速公路工程中拼寬橋梁的受力性能研究

陽東陵，何凡

（浙江交工金筑交通建設(shè)有限公司，浙江杭州 310051）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)和道路橋梁事業(yè)的發(fā)展，部分已建高速公路已不能滿足正常交通需求，目前普遍采用橋梁拓寬方法解決上述問題，既能有效增加公路通行能力，又可避免拆除老橋，顯著提高經(jīng)濟效益。目前，對橋梁的拼寬研究內(nèi)容主要包括橋梁拼寬的施工方案、設(shè)計方法和質(zhì)量控制等[1-5]，而對拼寬橋梁受力特性的研究還較少。本文基于有限元軟件ABAQUS，以G60滬昆高速公路金華互通至浙贛界段改擴建工程第TJ04標段橋梁拼寬工程為背景，對拼寬橋梁的受力特性和可靠度進行分析和探討。

1 工程概況

杭金衢高速公路是G60滬昆高速公路在浙江境內(nèi)的重要組成部分，其中的橋梁拼寬工程是金華互通至浙贛界改擴建工程的重要組成部分，主線共有大中橋拼寬26座，小橋拼寬90座。工程中一個典型的拼寬橋梁整體立面如圖1所示。老橋的結(jié)構(gòu)形式為簡支橋面連續(xù)空心板梁、預應(yīng)力T梁，為便于新老結(jié)構(gòu)物的拼接，擴建結(jié)構(gòu)物與原有結(jié)構(gòu)選用相同結(jié)構(gòu)和孔徑，即遵循結(jié)構(gòu)同型原則。

圖1 拼寬橋梁整體立面與平面圖

橋梁拼寬部分的平面圖如圖2所示。拼寬部分寬6.75m，老橋荷載等級為汽-超20，掛-120，拼寬橋荷載等級為公路I級，荷載約為10kPa。兩側(cè)拼寬6.75m，橋面凈寬每側(cè)6.25m，橋面厚0.95m。老橋上部結(jié)構(gòu)采用預應(yīng)力混凝土空心板，先簡支后連續(xù)，墩臺采用擴大基礎(chǔ)。拼寬橋墩臺采用樁基礎(chǔ)，樁帽高度1.1m，寬6.75m，長1.6m。樁徑為1.1m，高為18m。

圖2 橋梁拼寬部分平面圖

2 拼寬橋梁受力性能分析

2.1 有限元模型建立

利用ABAQUS對拼寬橋和老橋進行建模，如圖3～圖4所示。取中心樁K358+523.679為例進行分析，該樁樁底標高28.1m，橋面標高48.095m。左右各取半跨計算，每側(cè)跨長為6.5m，寬度與樁帽一致。老橋的厚度、跨度與新橋一致，但模型中老橋的寬度取老橋整體寬度的一半，約14m。

圖3 拼寬橋梁有限元模型

圖4 拼寬橋梁有限元網(wǎng)格

2.2 模型整體應(yīng)力分布特征

僅在拼寬橋施加重力荷載，同時施加重力荷載和車輛荷載的模型中Mises應(yīng)力分布如圖5所示。

由圖5可知，在自重荷載作用下，應(yīng)力主要集中于兩根樁內(nèi)，同時靠近新老橋搭接處的樁（樁B）內(nèi)的應(yīng)力明顯大于靠近自由邊界處的樁（樁A）內(nèi)的應(yīng)力。由對Mises應(yīng)力云圖的分析可以看出，在實際工程中應(yīng)適當提高內(nèi)側(cè)樁的強度，以增強拼寬橋的整體承受荷載能力。

圖5 拼寬橋梁整體Mises應(yīng)力云圖

2.3 橋面板應(yīng)力分布

僅施加重力與同時施加重力和車輛荷載時橋面板的Mises應(yīng)力如圖6所示。橋面板內(nèi)的應(yīng)力集中于與拼寬橋連接的位置。結(jié)果表明，在剛施工完畢拼寬橋的沉降還未穩(wěn)定時，應(yīng)重點關(guān)注新老橋連接部位的力學性能。橋面板內(nèi)的應(yīng)力主要集中于樁帽附近和老橋的邊界B和邊界D處。除了對新老橋搭接處橋面板的強度給予重視外，還應(yīng)適當增強老橋的邊界B和邊界D處的強度，以防止橋梁由于車輛荷載的作用而發(fā)生破壞。

圖6 拼寬橋梁面板Mises應(yīng)力云圖

自重作用下和車輛荷載作用下橋面板上應(yīng)力沿X軸分布如圖7所示。當僅在拼寬橋上施加自重荷載時，隨著離邊界A的距離增加，面板內(nèi)的應(yīng)力逐漸升高，之后隨著距離的增加應(yīng)力逐漸降低，但在拼寬橋和老橋的搭接處（x=6.75m）在應(yīng)力曲線上表現(xiàn)為一個峰值。結(jié)果表明，在拼寬橋和老橋的搭接處會出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，因此，在實際施工中應(yīng)對此處做適當?shù)募訌娞幚?。當距離超過搭接處后，面板內(nèi)的應(yīng)力將迅速降低，表明老橋內(nèi)的應(yīng)力明顯低于新橋。而在實際使用時，當橋面上施加了均布的車輛荷載，面板內(nèi)的應(yīng)力明顯增大。邊界A處的應(yīng)力增大至約600kPa，而面板內(nèi)應(yīng)力的峰值也明顯增大。

圖7 面板內(nèi)應(yīng)力沿X向分布

如圖8所示，拼寬橋和老橋的搭接處的應(yīng)力沿Y向呈現(xiàn)W形分布，在數(shù)值模擬所取的跨度兩端和中間處的應(yīng)力較大，而在所取的面板跨度1/3處和2/3處的應(yīng)力值較小，在應(yīng)力分布曲線上表現(xiàn)為低谷。當施加車輛荷載后，拼寬橋和老橋搭接處的應(yīng)力整體上有了明顯的增大。但應(yīng)力最低點的位置發(fā)生了變化，向跨度的中心發(fā)生了移動，因此，搭接處的中間部分應(yīng)力的變化更加劇烈。

圖8 新老橋搭接處應(yīng)力沿Y向分布

2.4 樁內(nèi)應(yīng)力分布特征

樁帽內(nèi)應(yīng)力分布如圖9所示。由圖9可知，樁帽的應(yīng)力分布呈M形，在兩個樁頂處樁帽中的Mises應(yīng)力最大。當施加了車輛荷載后，樁帽上的荷載有明顯提升，兩個樁頂上的應(yīng)力均有明顯增加，但增加的幅度不同。在靠近搭接處的樁承受了更大的荷載，這是因為老橋同時也承受了車輛荷載，老橋上的荷載有部分將傳遞給樁B。而在實際工程中，更應(yīng)增強這類樁和頂部的樁帽，以防止出現(xiàn)樁身破壞。

圖9 樁帽內(nèi)應(yīng)力分布

樁A和B在施加重力和施加車輛荷載時的Mises應(yīng)力隨樁身的分布如圖10和圖11所示。在自重基礎(chǔ)上再施加車輛荷載后，樁A內(nèi)的應(yīng)力明顯增大，樁頂?shù)膽?yīng)力增大至約11 200kPa，應(yīng)力隨著樁身的變化規(guī)律和僅施加自重荷載時相似，但應(yīng)力最低點的位置下降到距離樁頂約7m處，該處應(yīng)力已經(jīng)接近0kPa。由圖11可知，樁B的樁頂附近應(yīng)力略小于樁A樁頂附近的應(yīng)力。當施加了車輛荷載后，樁B內(nèi)的應(yīng)力整體上有明顯提高，樁B內(nèi)的應(yīng)力最小值的位置接近，均在距離樁頂約1m附近。除了樁頂附近樁B的應(yīng)力略小于樁A外，樁B內(nèi)的應(yīng)力整體高于樁A。

圖10 樁A內(nèi)Mises應(yīng)力沿樁身分布

圖11 樁B內(nèi)Mises應(yīng)力沿樁身分布

3 結(jié)論

（1）在拼寬橋和老橋的搭接處會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在實際施工中應(yīng)對此處做適當?shù)募訌娞幚?。在剛施工完畢拼寬橋的沉降還未穩(wěn)定時，應(yīng)重點關(guān)注新老橋連接部位的力學性能。

（2）樁帽的應(yīng)力分布呈M形，在兩個樁頂處樁帽中的Mises應(yīng)力最大。在實際工程中，更應(yīng)該對這類樁和頂部的樁帽給予增強，以防止出現(xiàn)樁身破壞。

（3）靠近搭接處的樁比靠近自由邊界處的樁承受了更大的荷載，在實際工程中應(yīng)重視樁頂附近的樁身強度，同時應(yīng)適當提高靠近搭接處樁整體的樁身強度。