現(xiàn)澆箱梁拼寬橋上部結(jié)構(gòu)受力特性分析

張 凡

（中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司,北京 100007）

0 引言

橋梁拼寬設(shè)計(jì)中采用濕接縫和橫隔板將新舊梁板連接起來，導(dǎo)致后期運(yùn)營過程中產(chǎn)生基礎(chǔ)不均勻沉降，對(duì)新舊橋梁協(xié)同受力造成較大影響。分離結(jié)構(gòu)中新橋與原橋相對(duì)獨(dú)立，新舊橋梁干擾性較小，不均勻地基沉降帶來的影響較小，然而存在費(fèi)用高，占地較多等缺點(diǎn)。為了解決橋梁拼寬后出現(xiàn)的問題，眾多專家、學(xué)者展開了大量研究。通過T梁拼寬后上部結(jié)構(gòu)的有限元分析，莫迪[1]對(duì)橋梁橫向分布系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果顯示橫向分布得到較大改善。通過對(duì)箱梁受力影響因素參數(shù)敏感性分析，戴光亞[2]發(fā)現(xiàn)箱梁結(jié)構(gòu)受力影響最大的是地基基礎(chǔ)沉降，且受力最大的位置是主墩和邊墩的支點(diǎn)附近。通過對(duì)拼寬橋梁新建橋梁混凝土收縮徐變的模擬分析，陳炳華[3]對(duì)拼寬結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和附加內(nèi)力進(jìn)行了分析，結(jié)果表明新舊橋梁連接的不同會(huì)導(dǎo)致拼寬結(jié)構(gòu)受力的不同。我國橋梁拼寬技術(shù)仍然有部分問題亟待解決，因此展開拼寬橋梁的受力研究很有必要。

1 箱梁拼接原則及受力影響分析

1.1 箱梁拼接原則

橋梁拼寬施工影響因素較多，如交通通行要求新舊結(jié)構(gòu)協(xié)同受力和變形，且拼寬施工需要與路基、路面和附屬設(shè)施同時(shí)施工以確保工期[3-5]?；谏鲜鲇绊懸蛩兀瑯蛄浩磳拺?yīng)遵循以下四原則：

（1）新舊橋梁拼寬后應(yīng)協(xié)同受力，整體性應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)受力要求。

（2）新舊橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)應(yīng)保持一致。

（3）橋梁下部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)地基的承載能力確定地基基礎(chǔ)形式，原則上多采用樁基礎(chǔ)。

（4）橫隔板和橫隔梁的選擇方面，因?yàn)闄M隔板強(qiáng)度和剛度較強(qiáng)，能滿足新舊橋梁的橫向承載需求，而橫隔梁剛度較大，會(huì)造成整體受力性能較好，但是容易因應(yīng)力集中造成破壞。

1.2 箱梁拼接的受力影響分析

1.2.1 新舊橋梁基礎(chǔ)的不均勻沉降

對(duì)于分離式結(jié)構(gòu)的拼寬橋梁，由于新舊橋梁建設(shè)時(shí)間不同，甚至存在較長年代差，在新建橋梁服役時(shí)，舊橋的地基基礎(chǔ)沉降差不多已完全發(fā)生，成為導(dǎo)致新舊橋梁無法協(xié)調(diào)變形的主要影響因素。由于舊橋地基基礎(chǔ)運(yùn)營時(shí)間較長，地基基礎(chǔ)沉降已大部分完成，因此地基基礎(chǔ)的沉降主要表現(xiàn)為新橋地基基礎(chǔ)沉降。由于受到不均勻沉降影響，拼寬橋梁的內(nèi)力增大，達(dá)到一定極限后則發(fā)生結(jié)構(gòu)病害，其中影響最大的是T梁的橫隔板結(jié)構(gòu)。

綜上所述，橋梁拼寬設(shè)計(jì)和施工過程中，需要采取必要措施降低新建橋梁地基基礎(chǔ)的沉降，如設(shè)計(jì)上可以考慮增大樁長、樁徑的樁基礎(chǔ)，施工方面可以采取強(qiáng)夯、換填等地基加固處理技術(shù)。

1.2.2 混凝土的收縮徐變

收縮徐變是混凝土材料的固有屬性，且會(huì)伴隨混凝土結(jié)構(gòu)服役的全壽命周期。由于新舊橋梁建成年限存在較大間隔，連接部位兩側(cè)結(jié)構(gòu)存在較大齡期差。由于原橋梁收縮徐變效應(yīng)已經(jīng)發(fā)生了很大部分，而新建橋梁結(jié)構(gòu)的收縮徐變才剛剛開始，因此，在橋梁拼寬設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮新舊橋梁收縮徐變差異，確保新舊橋梁結(jié)構(gòu)的協(xié)同受力。

2 工程概況及有限元模型分析

2.1 工程概況

某連續(xù)梁橋拼寬項(xiàng)目，橋梁全長170.0 m，跨徑布置為（45.0+80.0+45.0）m，設(shè)計(jì)車速為80.0 km/h，原橋?qū)挾葹?3.5 m，上部結(jié)構(gòu)為單箱雙室結(jié)構(gòu)，橋梁荷載等級(jí)城市—B級(jí)。由于新建橋梁需要與原橋協(xié)同受力，要求其剛度與原橋保持一致，因此截面參數(shù)應(yīng)基本保持一致，具體參數(shù)如表1所示。

表1 新橋箱梁截面參數(shù)表 /m

2.2 橋梁有限元模型

采用通用有限元軟件Midas Civil建立拼寬橋梁的梁格模型，新舊橋梁通過施工過程調(diào)整齡期差異，全橋共2 236個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 651個(gè)單元。齒塊采用等效荷載模擬，橫隔板采用等效荷載處理，預(yù)應(yīng)力束采用等效預(yù)應(yīng)力荷載進(jìn)行處理，橋面鋪裝及護(hù)欄采用等效線荷載模擬。拼寬橋梁的梁格模型如圖1所示。

圖1 橋梁模型圖（1/2模型）

2.3 模型驗(yàn)證

在偏載荷載作用下，最大豎向位移與平均豎向位移的商即為撓度增大系數(shù)。連續(xù)梁橋撓度控制截面為S1斷面、S3斷面，應(yīng)力控制斷面為S1斷面、S2斷面和S3斷面。具體斷面布置如圖2所示。

圖2 橋梁控制截面（單位：cm）

根據(jù)上圖橋梁控制截面，通過有限元模型施加偏載荷載，可以得到截面S1斷面、S2斷面和S3斷面的撓度偏載系數(shù)如表2所示。

根據(jù)表2可知，相對(duì)于新舊橋梁結(jié)構(gòu)未連接，無論采用鉸接還是剛接的連接方式，拼寬橋梁的整體剛度具有不同程度提高，橋梁應(yīng)力也有所降低。根據(jù)規(guī)范要求和滿足結(jié)構(gòu)最不利受力工況的計(jì)算分析，橋梁偏載系數(shù)偏保守定為1.15。

表2 拼寬橋梁截面偏載系數(shù)

3 基礎(chǔ)沉降對(duì)拼接箱梁的影響

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，確定新、舊橋梁地基基礎(chǔ)沉降差為10.0 mm，以此分析不均勻沉降對(duì)橋梁拼寬結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響，擬選擇如下兩種工況進(jìn)行分析：工況一為新舊橋梁拼寬結(jié)構(gòu)中新橋邊墩基礎(chǔ)沉降；工況二為新舊橋梁拼寬結(jié)構(gòu)中新橋任一主墩地基基礎(chǔ)的沉降。

3.1 工況一

當(dāng)工況一發(fā)生時(shí)，根據(jù)有限元模型模擬分析結(jié)果顯示，主梁產(chǎn)生的附加內(nèi)力主要是剪力和彎矩。具體結(jié)果如下：

（1）工況一發(fā)生時(shí)，即新橋地基基礎(chǔ)一側(cè)變短，出現(xiàn)10.0 mm沉降，拼寬結(jié)構(gòu)中新舊橋梁主梁內(nèi)力變化基本一致，受力最不利位置為發(fā)生沉降的邊墩處主梁，且內(nèi)力從邊墩向主墩呈降低趨勢(shì)，在主墩支座處降低為零。

（2）工程已發(fā)生時(shí)，由于新橋地基發(fā)生10.0 mm的沉降，新舊橋梁結(jié)構(gòu)均會(huì)產(chǎn)生附加內(nèi)力，通過連接梁傳遞，舊梁承擔(dān)較多，新梁承擔(dān)較少，因此在進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)受力分析時(shí)應(yīng)進(jìn)行舊梁的剪力和彎矩驗(yàn)算，確保整體結(jié)構(gòu)的承載安全。

（3）根據(jù)不均勻沉降發(fā)生前后主梁內(nèi)力數(shù)據(jù)對(duì)比分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)新橋主梁的彎矩和剪力變化較大，舊橋內(nèi)力和彎矩變化相對(duì)較小，說明工況一的基礎(chǔ)沉降發(fā)生對(duì)新橋影響較大。

3.2 工況二

當(dāng)工況二發(fā)生時(shí)，根據(jù)有限元模擬分析結(jié)果和橋梁結(jié)構(gòu)受力可知，工況二產(chǎn)生的主要是剪力和彎矩。具體結(jié)果如下：

（1）工況二發(fā)生時(shí)，即拼寬結(jié)構(gòu)的新建橋梁兩側(cè)邊墩地基基礎(chǔ)發(fā)生10.0 mm沉降，新舊主梁的內(nèi)力變化數(shù)據(jù)基本一致，但方向相反，受力最不利位置為發(fā)生沉降的邊墩處主梁，且內(nèi)力從主墩向邊墩逐漸減小。

（2）由于新舊橋梁地基基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定的附加內(nèi)力，內(nèi)力大部分主要由接縫處的舊梁承擔(dān)，另一部分由外側(cè)新梁承擔(dān)，因此應(yīng)對(duì)內(nèi)側(cè)舊梁的剪力和彎矩進(jìn)行驗(yàn)算。

（3）根據(jù)模型分析發(fā)現(xiàn)，地基基礎(chǔ)的不均勻沉降，新橋承擔(dān)的彎矩和剪力變化相對(duì)較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原橋彎矩和剪力變化，這說明拼寬橋梁結(jié)構(gòu)中新橋受到地基基礎(chǔ)不均勻沉降的影響更大。

4 混凝土收縮徐變對(duì)拼接箱梁受力的影響

利用有限元模型對(duì)混凝土不同齡期引起的收縮徐變對(duì)于結(jié)構(gòu)協(xié)同受力的影響進(jìn)行分析，主要考慮因素有：新舊橋梁采用剛性連接，認(rèn)為原橋梁混凝土無收縮徐變，僅考慮新橋收縮徐變對(duì)于整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響[6]。

4.1 混凝土收縮的影響

4.1.1 軸力分布

僅考慮新橋混凝土的收縮徐變，拼寬結(jié)構(gòu)受力會(huì)產(chǎn)生一定的協(xié)同受力差異，即上部結(jié)構(gòu)軸力以跨中軸線呈現(xiàn)對(duì)稱分布，新橋結(jié)構(gòu)的軸力表現(xiàn)為拉力，在縱橋向中跨軸力大于邊跨軸力。根據(jù)新橋內(nèi)外側(cè)腹板軸力分析，內(nèi)外側(cè)腹板軸力偏差較小。由于新橋混凝土的收縮產(chǎn)生自身結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力，較大程度上造成原橋軸力表現(xiàn)為壓力，縱橋向中跨軸力大于邊跨軸力。

4.1.2 橫向剪力

由于新橋主梁的混凝土收縮影響，新橋主梁受到一定的附加剪力作用，其中最不利位置位于中墩支座處主梁。邊跨主梁的剪力分布基本一致，主跨主梁剪力分布縱橋向差別較大，具體變化規(guī)律在縱橋向表現(xiàn)為先減小后增大，在橫橋向表現(xiàn)為新橋和舊橋剪力分布規(guī)律基本一致，內(nèi)側(cè)腹板的剪力大于外側(cè)腹板。

4.1.3 橫向彎矩

由于新橋主梁混凝土收縮的影響，新橋結(jié)構(gòu)縱橋向產(chǎn)生較大的附加彎矩，其中最大彎矩位于主墩處主梁，新舊主梁剪力分布情況基本一致，變化規(guī)律沿縱橋向先減小后反方向增大。從箱梁截面分析，支座附近主梁上部受拉，跨中位置主梁下部受拉。在橫橋向，新橋與舊橋彎矩分布相對(duì)均勻，但數(shù)據(jù)分析顯示為內(nèi)側(cè)腹板彎矩要大于外側(cè)腹板彎矩。

4.2 混凝土徐變的影響

4.2.1 主梁軸力

在新橋主梁混凝土徐變作用下，新橋主梁結(jié)構(gòu)的附加軸力產(chǎn)生一定降低，且拼寬結(jié)構(gòu)的軸力以跨中軸線呈對(duì)稱分布狀態(tài)。新橋軸力表現(xiàn)為壓力，在縱橋向，中跨軸力小于邊跨軸力。新橋在橫橋向內(nèi)外側(cè)腹板軸力偏差較小，在橫橋向，外側(cè)腹板軸力小于內(nèi)側(cè)軸力。

4.2.2 豎向剪力

新建橋梁混凝土徐變對(duì)新橋主梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的豎向剪力，最不利位置位于主墩處主梁。從拼寬結(jié)構(gòu)受力分析，新舊橋梁的剪力分布形狀基本一致，在縱橋向，呈先減小后反向增大的趨勢(shì)。在橫橋向，新橋和原橋剪力分布趨勢(shì)基本一致，且內(nèi)側(cè)腹板剪力大于外側(cè)腹板剪力，但剪力方向相反。

4.2.3 豎向彎矩

新建橋梁混凝土的徐變作用，對(duì)拼寬橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的豎向彎矩作用。在縱橋向，最大彎矩位于中墩處主梁，從支座向跨中逐漸減小，然后呈反方向增大，主梁在跨中位置呈上部受拉的情況。在橫橋向，新橋外側(cè)腹板小于內(nèi)側(cè)腹板。在縱橋向，原橋的彎矩變化趨勢(shì)與新橋基本一致，但方向是相反的。綜上所述，橫橋向的彎矩主要由新橋和舊橋共同承擔(dān)。

5 結(jié)語

經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)快速發(fā)展，對(duì)于交通運(yùn)輸能力提出了新要求，因此有必要對(duì)橋梁加寬的設(shè)計(jì)、施工和檢測(cè)開展更多研究。筆者在對(duì)連續(xù)梁橋拼寬原則分析的基礎(chǔ)上，對(duì)新舊橋梁地基基礎(chǔ)不均勻沉降以及混凝土收縮、徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的受力特性進(jìn)行了分析，并以某連續(xù)梁橋拼寬項(xiàng)目為例，通過橫向偏載系數(shù)驗(yàn)證了模型的精確性，確定了橫向偏載系數(shù)；對(duì)地基基礎(chǔ)不均勻沉降、混凝土收縮徐變對(duì)于新舊橋梁結(jié)構(gòu)的協(xié)同受力進(jìn)行了系統(tǒng)分析，結(jié)果顯示新舊橋梁基本可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同受力，滿足受力要求。希望針對(duì)橋梁拼寬設(shè)計(jì)中協(xié)同受力問題的系統(tǒng)研究，能對(duì)未來類似橋梁的設(shè)計(jì)、施工和檢測(cè)維護(hù)提供一定的工程經(jīng)驗(yàn)和理論借鑒。