拼寬混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能和可靠度研究

王鵬程

（山東高速基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250102）

0 引言

改革開放以來，伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路橋梁所承擔(dān)的運(yùn)輸車輛荷載和人員通行壓力也不斷增長，使得我國早期建設(shè)的部分公路橋梁無法滿足現(xiàn)有的交通需求。因此，為了提高公路橋梁的服務(wù)水平，若完全將舊橋拆除，重新建設(shè)新的滿足現(xiàn)有需求的橋梁，這樣不但影響交通出行、成本高昂，而且對生態(tài)環(huán)境也會有不利影響。如果可以將舊橋合理加寬，不但能避免以上不利因素，還可以使舊橋得以重新利用，帶來巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。綜上所述，拼寬技術(shù)在公路橋梁領(lǐng)域具有顯著的應(yīng)用價值。

隨著拼寬技術(shù)理論研究和實(shí)踐應(yīng)用的不斷發(fā)展，這一技術(shù)在混凝土橋梁領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。因此，針對拼寬混凝土橋梁開展理論研究和實(shí)踐應(yīng)用評估變得愈發(fā)重要，而對拼寬混凝土橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力性能和可靠度研究則是首要任務(wù)。

1 混凝土橋梁拼接拓寬方法

目前，針對混凝土橋梁拼寬的方法多種多樣，在選取拼寬方法時，應(yīng)綜合考慮橋梁的結(jié)構(gòu)類型、施工條件、工程地質(zhì)等因素，從而選擇最經(jīng)濟(jì)合理的拼寬方法。從結(jié)構(gòu)受力情況分析，拼接方法和工序不同，拼寬后橋梁的受力體系也不同，拼寬方法對混凝土橋梁的受力性能和可靠度有著決定性影響。在當(dāng)前工程實(shí)踐中，主要采用以下幾種拼接拓寬方法。

1.1 增設(shè)邊梁拓寬法

增設(shè)邊梁拓寬法，即拆除橋梁兩側(cè)的欄桿或人行道板后，在舊橋結(jié)構(gòu)上采用與原橋一致或類似的結(jié)構(gòu)對橋梁進(jìn)行拓寬，并且采用加設(shè)蓋梁或加寬橋墩的措施分擔(dān)豎向荷載。這一方法的優(yōu)勢在于采用增設(shè)邊梁措施將橋梁拓寬后，橋梁整體剛度增大，舊橋的橫向分布系數(shù)隨之減小，進(jìn)而改善橋梁的橫向受力情況。然而，在實(shí)踐應(yīng)用中應(yīng)考慮蓋梁的受力的情況，確保加寬仍具備較好的受力性能。圖1為某高架橋采用增設(shè)邊梁對舊橋拓寬。

圖1 某高架橋增設(shè)邊梁拓寬示意圖

1.2 增設(shè)懸臂挑梁拓寬法

增設(shè)懸臂挑梁加寬法一般有兩種方法，方法一：若舊橋結(jié)構(gòu)受力性能可以滿足拓寬后的要求時，可以將橋面鑿除后再鋪裝鋼筋加以混凝土澆筑，并且在橋墩邊緣增設(shè)懸臂梁，滿足車輛和行人通行需求，實(shí)現(xiàn)拓寬目的。圖2為某國道上一座T 梁橋通過該方法增設(shè)人行道的示意。方法二：采用拼裝整體式肋形蓋板用作橋面板，利用蓋板的外伸臂提高懸挑臂的長度，從而實(shí)現(xiàn)對橋梁的拓寬。與懸臂挑梁技術(shù)相比，采用肋形蓋板技術(shù)可以使橋梁剛度值更大，加寬范圍值更廣，也無需新建橋梁墩，節(jié)省人力物力。根據(jù)工程實(shí)踐可知，采用該方法加固后的橋梁，不僅承載力滿足要求，而且在特殊情況需要增設(shè)橋墩時，也具備較好的經(jīng)濟(jì)合理性。

圖2 使用增設(shè)懸臂挑梁拓寬法拓寬橋梁

1.3 SBWM 法

21世紀(jì)初，受到新建橋梁采用內(nèi)撐桿寬箱梁的案例的影響，美國KSI Structural Engineering 公司提出采用增設(shè)斜桿支撐的措施用來對箱梁加寬，這一方法被稱之為SBWM 法，如圖3所示。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以根據(jù)拓寬橋梁的實(shí)際需求對箱梁進(jìn)行拓寬，具有較高的靈活性。

圖3 SBWM 法拓寬混凝土箱梁示意圖

2 拼寬混凝土橋梁結(jié)構(gòu)受力性能

2.1 結(jié)構(gòu)短期受力性能

2.1.1 新、舊橋間荷載橫向重分布效應(yīng)

橫向分布系數(shù)是用于多梁式橋梁計算上部結(jié)構(gòu)的橫向活載效應(yīng)，部分梁-板式橋梁也應(yīng)用此系數(shù)。而橫向分布系數(shù)受多因素的影響，比如主梁根數(shù)和間距、主梁跨徑、主梁和縱梁的橫向連接剛度等。而新舊混凝土結(jié)構(gòu)的參數(shù)不同，橫向分布系數(shù)也會有所變化。比如，新舊混凝土的主梁跨徑不同，加之二者之間的拼接縫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得橫向受力差異大。在上部汽車荷載的作用下，新舊混凝土受力分配不均，橫向荷載也會重新分布。

2.1.2 拼接縫局部結(jié)構(gòu)的受力性能

拼接縫是拼寬后的混凝土與舊混凝土連接處，拼接縫處能否正常受力工作，是拼裝后橋梁結(jié)構(gòu)運(yùn)行的前提條件。目前，拼裝縫的設(shè)計也存在多元化，比如：鉸接、剛接、半剛性接等。針對不同的橋梁結(jié)構(gòu)，采取不同的拼裝縫。拼裝縫在上部荷載的作用下，在混凝土收縮徐變的作用下以及基礎(chǔ)不均勻沉降的作用下，受力情況復(fù)雜，受力狀態(tài)難以模擬。

2.2 結(jié)構(gòu)長期受力性能

2.2.1 收縮徐變效應(yīng)

拼寬混凝土橋梁是在原有橋梁基礎(chǔ)上增加新的結(jié)構(gòu)，以此增大橋梁的路面寬度。原有混凝土的結(jié)構(gòu)變形存在收縮徐變，拼寬之后的混凝土橋梁不僅存在收縮徐變，還存在附加的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。簡而言之，拼寬大多數(shù)是在已建好的橋梁上完成的，已建混凝土經(jīng)過長期的反應(yīng)，收縮徐變已基本穩(wěn)定。而拼寬后的新混凝土，還未進(jìn)行收縮徐變，因此新混凝土的收縮徐變帶動舊混凝土的結(jié)構(gòu)變形，轉(zhuǎn)變成施加在舊混凝土上的作用，引發(fā)拼寬后橋梁結(jié)構(gòu)的重力重分配。這種現(xiàn)象已引發(fā)設(shè)計師的關(guān)注，如何確定新舊混凝土的結(jié)構(gòu)效應(yīng)對橋梁結(jié)構(gòu)的影響已成為拼寬橋梁的設(shè)計要點(diǎn)，專家和學(xué)者對此展開了深入的研究和試驗(yàn)。但是橋梁結(jié)構(gòu)形式多樣，受力復(fù)雜，拼寬方式也多種多樣，無法統(tǒng)一結(jié)論。目前解決此問題最有效的辦法是采用數(shù)值仿真軟件，模擬橋梁拼寬后的受力特點(diǎn)。圖4為混凝土徐變應(yīng)變與時間的關(guān)系。橫坐標(biāo)為時間，縱坐標(biāo)為混凝土變形。t為舊橋梁開始徐變時間，t為拼寬后混凝土開始徐變時間，從圖中可以看出兩種混凝土在不同時間的變形變化。

圖4 混凝土徐變應(yīng)變-時間關(guān)系

2.2.2 基礎(chǔ)沉降差效應(yīng)

基礎(chǔ)的沉降也與時間相關(guān)。新建橋梁還未完全固結(jié)沉降，產(chǎn)生較大的變形沉降。而舊混凝土經(jīng)過長期的固結(jié)沉降，變形已基本穩(wěn)定。拼寬后的新舊混凝土，因沉降量不一，會導(dǎo)致不均勻沉降，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。另外，不均勻沉降導(dǎo)致的變形差，也會給橋梁支座產(chǎn)生外加的荷載作用，在拼寬交界處，產(chǎn)生新的內(nèi)力與應(yīng)變?；A(chǔ)的不均沉降是一個長期的過程，會隨著時間增長變得愈發(fā)明顯。拼寬后的新混凝土導(dǎo)致基礎(chǔ)不均勻沉降，是影響橋梁拼寬設(shè)計的長期因素。

3 拼寬混凝土橋梁結(jié)構(gòu)時變可靠度分析

3.1 拼寬混凝土橋梁可靠度研究總述

目前，一般依托于以可靠度理論為基礎(chǔ)的概率極限狀態(tài)指標(biāo)開展公路橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且利用可靠度指標(biāo)對工程結(jié)構(gòu)評估和編制規(guī)范也愈發(fā)成熟。拼寬混凝土橋梁結(jié)構(gòu)作為一種由舊橋和新橋形成的組合結(jié)構(gòu)，對其開展可靠度分析時，不但要對新橋結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行分析，而且要求拼寬后橋梁在服役期的整體受力性能開展研究。同時，拼寬混凝土橋梁結(jié)構(gòu)與舊橋或普通新橋在結(jié)構(gòu)組成、受力情況等方面存在不同，需要開展具體研究。

根據(jù)文獻(xiàn)資料可知，對公路橋梁工程開展可靠度研究需要以結(jié)構(gòu)抗力和荷載效應(yīng)兩個指標(biāo)為基礎(chǔ)，同時對不確定性因素仔細(xì)了解、充分掌握后科學(xué)量化?？偟膩碚f，與普通新建混凝土橋梁和舊有的混凝土橋梁相比較，拼寬混凝土橋梁的上述兩個指標(biāo)特征與橋梁自身的舊橋與新橋結(jié)構(gòu)的二者相互作用密不可分。具體而言，主要由以下三方面組成：

一是拼寬混凝土橋梁在服役期間會發(fā)生收縮徐變，而新橋和舊橋二者的變形值不同，存在的變形差會使結(jié)構(gòu)內(nèi)部水平向產(chǎn)生彎矩和軸力，這會使得橋梁不但要承受豎向的荷載，還要承受水平向荷載，稱為壓（拉）彎構(gòu)件，從而減小橋梁的豎向抗彎承載力，對拼寬橋梁的受力性能造成不良影響。

二是新橋與舊橋結(jié)構(gòu)在設(shè)計參數(shù)時存在不同，如鋼筋布置方式、強(qiáng)度等級等等，以及鋼筋混凝土的使用年限不同，這些都會使得新橋和舊橋二者的結(jié)構(gòu)抗力在服役期間的退化過程存在差別。

三是拼寬完成后，橋梁上部作用的汽車及行人荷載會在新橋和舊橋內(nèi)部橫向重新分配，這會使得拼寬前后主梁的荷載效應(yīng)發(fā)生較大變化。

在以上三方面特征中，混凝土的收縮徐變與鋼筋銹蝕二者與服役齡期密不可分，因此應(yīng)對拼寬混凝土橋梁結(jié)構(gòu)開展時變可靠度分析。

3.2 結(jié)構(gòu)體系可靠度的區(qū)間估計法

在拼寬混凝土橋梁結(jié)構(gòu)時變可靠度分析中，結(jié)構(gòu)體系有兩方面的概念：第一，一般將橋梁工程簡化為多個構(gòu)件同時受力的體系，只有當(dāng)若干個構(gòu)件失效后，其余構(gòu)件形成機(jī)動體系之后，整個結(jié)構(gòu)體系才會失效；第二，對于單個結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言，其發(fā)生失效時處于的模式有多種情況，需要基于結(jié)構(gòu)體系層次對失效模式對構(gòu)件產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。從本質(zhì)上分析，可靠度分析的對象即為構(gòu)件的失效模式。根據(jù)失效模式和失效事件等因素間的聯(lián)系，一般將結(jié)構(gòu)體系分為串聯(lián)體系、并聯(lián)體系以及串-并聯(lián)混合體系，如圖5、6、7所示。

圖5 串聯(lián)體系

圖6 并聯(lián)體系

圖7 串-并聯(lián)混合體系

構(gòu)件觸發(fā)任一失效模式，則整個結(jié)構(gòu)體系失效被稱為串聯(lián)體系；所有失效模式生效，結(jié)構(gòu)體系失效被稱為并聯(lián)體系；串聯(lián)體系與并聯(lián)體系二者的邏輯組合被稱為串-并聯(lián)混合體系。假設(shè)g(X)=0 表示的是結(jié)構(gòu)體系第i 個失效模式的極限狀態(tài)方程，則上述三種結(jié)構(gòu)體系的失效概率計算公式見（1）、（2）、（3）：

綜上，在已知結(jié)構(gòu)體系的失效概率計算公式中，一般依據(jù)數(shù)學(xué)近似方法可以計算出失效概率的上限與下限同失效模式發(fā)生概率之間的關(guān)系，從而得到失效概率的上下限，這一方法被稱為結(jié)構(gòu)體系可靠度的區(qū)間估計法。

4 結(jié)論

第一，以拼寬混凝土橋梁為研究對象，總結(jié)了現(xiàn)有橋梁加寬的常用措施，分別是：增設(shè)懸臂挑梁拓寬法、增設(shè)邊梁拓寬法以及SBWM 法。第二，分析了影響拼寬混凝土的因素，其中混凝土收縮徐變和基礎(chǔ)沉降效應(yīng)是長期受力因素，而拼接縫局部結(jié)構(gòu)的受力性能和荷載橫向重分布效應(yīng)屬于短期因素。第三，混凝土收縮徐變與鋼混的腐蝕均屬于時間的函數(shù)，文中對拼寬混凝土的可靠度分析進(jìn)行時變分析。