橋梁拓寬中新舊橋梁連接方法和受力分析應(yīng)用與研究

劉 斌，楊重陽

（1.中交第二公路勘察設(shè)計研究院有限公司,湖北武漢 430056；2.中交城鄉(xiāng)建設(shè)規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司,湖北武漢 430056）

引言

伴隨著我國城市化進(jìn)程的日益增加，城市人口越來越多，對城市的道路和橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施提出了更高的要求。目前城市建筑中存在的主要矛盾是，早期的城市道路和橋梁比較狹小，和現(xiàn)代化城市的快速的發(fā)展，使得交通量需求也隨之快速增長，這就要求提高城市交通的通行能力和基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)水平。人口的快速增長的矛盾日益突出。為了解決這一矛盾，要求對現(xiàn)有城市橋梁進(jìn)行加寬處理，新舊橋在擴(kuò)寬時的連接方法及連接后的受力狀態(tài)成為橋梁建設(shè)者需要解決的主要問題，有些學(xué)者對此進(jìn)行了研究。劉曉南[1]結(jié)合有限元模型與梁格法，并且通過荷載試驗得出的數(shù)據(jù)和對模型的分析計算，對橋梁拓寬方案的設(shè)計進(jìn)行了分析和研究，并提出了拓寬橋梁施工過程的建議和處理措施。張元[2]分析了高速公路擴(kuò)建工程前橋梁拼接的準(zhǔn)備，拼接和防護(hù)措施，發(fā)現(xiàn)并有效解決了高速公路擴(kuò)建工程施工中橋梁加寬拼接問題。加寬橋梁與原橋梁施工力量不一致，橋梁質(zhì)量等問題可能會受到影響。邢方義[3]對公路擴(kuò)建T 橋拼接施工技術(shù)進(jìn)行了簡要分析和研究。史東升和徐冰[4]在文章中提出了，根據(jù)實際情況設(shè)計相適應(yīng)的施工方案，同時按照相應(yīng)的施工規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對待建橋梁進(jìn)行拓寬，并控制施工中容易出現(xiàn)的質(zhì)量問題，探討了高速公路擴(kuò)建工程橋梁拼裝施工技術(shù)。賀國峰[5]在文章中分析了我國橋梁運行中面臨的實際困難。彭輝等[6]以外部預(yù)應(yīng)力筋為研究對象，對新橋施工和舊橋改建加固進(jìn)行了研究。為了研究寬大公路橋梁荷載橫向分布系數(shù)的變化情況，黃立普等[7]提出了加寬縱橫梁的方法。通過建立加固舊橋的模型，研究了加固梁的位置，數(shù)量和剛度。當(dāng)主梁和舊橋剛度加寬，主梁連接方式不同時，各主梁橫向分配系數(shù)的變化規(guī)律發(fā)生變化。這些研究對解決工程問題可起到積極作用。但是，對于新舊橋梁的連接方法研究不多，如何使新舊橋梁在伸縮縫與沉降縫交點處在通車后既保持橋面平整，又具有良好防水、防塵性能，是值得研究的問題。本文結(jié)合實際工程，對此進(jìn)行研究，探討橋梁拓寬中新舊橋梁的連接方法，并對拓寬后的受力情況進(jìn)行分析。

1 工程概況

研究對象為武漢市某環(huán)形匝道，因為城市建設(shè)和發(fā)展的需要，對環(huán)形匝道高架橋做加寬處理。原有橋梁是11（跨數(shù)）×25 m（跨徑）的簡支梁橋，梁采用的是預(yù)應(yīng)力空心板梁，下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式橋墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)形式。待加寬的橋梁和原橋跨數(shù)、跨徑均一致。

原有橋梁中，橋面系由12 片預(yù)應(yīng)力混凝土空心板構(gòu)成橋跨結(jié)構(gòu)，橋面寬度為13.75 m，單向三車道，其中兩側(cè)防撞墻各0.5 m，橋面施工工藝為在空心板梁上部澆筑10 cm 厚混凝土，然后施工防水層，最后鋪設(shè)9 cm 厚的瀝青混凝土作為橋面面層。擬拓寬連接的新橋采用單側(cè)拓寬，在舊橋一側(cè)橋?qū)捲黾?.5 m 由4 片預(yù)應(yīng)力空心板組成，同時最外側(cè)的防撞墻與舊橋尺寸、形狀、大小一致，橋面鋪裝的施工工藝與舊橋一樣（如圖1 所示），拓寬后增加為單向四車道。

圖1 拓寬后新橋橫向布置圖Fig.1 Lateral layout of the new bridge after widening

2 新舊橋連接技術(shù)

2.1 新舊橋連接技術(shù)

在現(xiàn)有橋梁加固拓寬項目中，新舊橋之間的連接主要面臨啃邊、錯臺和連接不牢等問題。為了使得新舊橋梁連接后形成整體，需要在兩者之間構(gòu)建一定連接，這樣可以分擔(dān)整體拓寬后的荷載。新舊之間的連接形式主要有四類，上部和下部均不連接的分離式結(jié)構(gòu)、上部和下部同時連接的整體式結(jié)構(gòu)、上部構(gòu)造相連下部不相連、上部連接下部弱連（鉸接）結(jié)構(gòu)體系[8-10]。

分離式連接形式，可以抵抗變形和受力，但是，沿縱橋向有一定空隙，隨著橋梁服役年限的增加，伸縮裝置材料老化、施工質(zhì)量、兩側(cè)混凝土徐變和新舊橋荷載不均勻等會有錯臺出現(xiàn)，不利于交通安全，同時車輛荷載對連接處也有很大的沖擊。

解法六：由函數(shù)圖象的對稱性可知函數(shù)圖象上與對稱軸距離相等兩點的函數(shù)值相等，即：，則在中，任取可求出a=-1.

1）高位嫁接。獼猴桃建園時必須培育健壯實生主干，適當(dāng)提高嫁接部位，一般在距地面80～120 cm處實生干上嫁接品種。

對拓寬后舊橋結(jié)構(gòu)的連接技術(shù)和受力變化進(jìn)行了研究。對比現(xiàn)有連接方式的特點并研發(fā)了新型的連接技術(shù)，同時通過Midas-Civil 軟件，采用梁格法分別建立橋梁拓寬前和拓寬后的有限元仿真模型，分析橋梁在拓寬前后的內(nèi)力和位移變化情況。具體結(jié)論如下：

系統(tǒng)融典型機(jī)電一體化設(shè)備機(jī)械部件裝調(diào)、電氣控制電路裝調(diào)、氣動系統(tǒng)裝調(diào)、PLC編程、觸摸屏編程、工業(yè)機(jī)器人編程、數(shù)控機(jī)床編程、自動控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試于一體，涵蓋了PLC技術(shù)、觸摸屏技術(shù)、機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝、驅(qū)動調(diào)速、氣動控制、傳感檢測、系統(tǒng)調(diào)試等內(nèi)容。同時從選材、造型及功能等多方面貼合工業(yè)生產(chǎn)實際，著重體現(xiàn)真實工業(yè)現(xiàn)場的技術(shù)應(yīng)用。設(shè)備的各個模塊可分別逐次運行，可以由淺入深，漸進(jìn)全面地掌握各項自動控制技術(shù)。通過該實訓(xùn)系統(tǒng)的使用、訓(xùn)練和培訓(xùn)，幫助學(xué)習(xí)者更好地理解和掌握工業(yè)自動化生產(chǎn)線。

該種沉降縫主要有以下特點：1）針對現(xiàn)有的沉降縫結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，充分利用橡膠的彈性和彈性恢復(fù)能力，避免新舊橋沉降差異對沉降縫結(jié)構(gòu)的破壞；2）采用的氯丁橡膠板具有較高的拉伸強(qiáng)度、伸長率和可逆的結(jié)晶性，粘接性好，耐老化、耐熱、耐油、耐化學(xué)腐蝕性優(yōu)異；3）采用橡膠瀝青作為頂面填料，具備較好的表面構(gòu)造、密水性、抗剪切穩(wěn)定性、彈性，提高了路面對疲勞裂縫、反射裂縫的抵抗能力。其優(yōu)異的抗疲勞性也提高了路面的耐久性能，具有優(yōu)異的抗車轍永久變形能力等，將連接縫的設(shè)計方案已經(jīng)成功運用于實際拓寬項目。

2.2 一種適用于新舊橋梁銜接的沉降縫結(jié)構(gòu)

利用有限元軟件MIDAS CIVIL 建立其空間模型，在建模中對各預(yù)應(yīng)力空心板采用梁格法進(jìn)行建模。分別建立舊橋和拼寬之后橋梁的模型，對于舊橋模型考慮混凝土結(jié)構(gòu)的收縮徐變的特性，混凝土結(jié)構(gòu)澆筑成功的時間越長,其收縮徐變的值越大，但隨著時間的推進(jìn)其變化的速率越小。不是同時澆注成型的混凝土結(jié)構(gòu)來說，其收縮徐變的變形值是有差距的，建立MIDAS 有限元梁格模型進(jìn)行收縮徐變作用的效應(yīng)分析。舊橋建成時間較久，混凝土收縮徐變作用已經(jīng)穩(wěn)定，凈乎達(dá)到收斂值，而新橋剛剛建成其混凝土的收縮徐變呈發(fā)展擴(kuò)大的趨勢，在建立新橋模型時考慮后澆連接帶的混凝土徐變作用。將主梁作為縱向單元，每片主梁縱向分為100個單元，每個單元0.25 m，總跨度25 m，單元劃分精細(xì)有利于提高計算精度。橋梁預(yù)應(yīng)力空心板的連接中，各板之間采用虛擬橫梁增加聯(lián)系，模型中橫梁不設(shè)重量只設(shè)置剛度。拼寬后全橋模型分別如圖5 所示.

圖2 沉降縫構(gòu)造示意圖Fig.2 Structural diagram of subsidence joint

圖中：①U 型止水帶，材料為紫銅片或鍍鋅鋼板；②氯丁橡膠板；③橡膠瀝青（主要是間斷級配混合料）；④固定螺栓。

整體式連接形式，新舊橋之間形成一個有機(jī)整體，可以抵抗基礎(chǔ)沉降、車輛荷載和溫度變化等在連接處產(chǎn)生的變形。上部結(jié)構(gòu)因混凝土徐變的影響會有附加應(yīng)力出現(xiàn)，運行后會影響橋梁下部結(jié)構(gòu)，從而影響橋梁的安全性，也增大了新橋的維修成本。

基于此，本文在考慮這四種連接方式的前提下，對新舊橋的連接方式進(jìn)行探索，并研發(fā)出更加適合新舊橋連接的關(guān)鍵技術(shù)。

2.3 一種曲線雙向伸縮橡膠止水片

為了解決新舊橋梁相連沉降縫和伸縮縫相交位置的雙向伸縮問題，提出了一種沉降縫結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)適用于橋梁銜接工程，特別是新舊橋梁銜接工程，目的是更好的應(yīng)對此類工程中存在的普遍問題，即沉降縫表面由于縫兩側(cè)橋體的沉降差異所造成的開裂、破壞等。此沉降縫整體結(jié)構(gòu)由橡膠止水帶、氯丁橡膠板、橡膠瀝青填料組成。雙向伸縮橡膠立面圖如圖3 所示。采用U 型橡膠止水帶，在做到結(jié)構(gòu)防水的同時，保證兩側(cè)橋體的沉降互不影響。通過氯丁橡膠板將止水帶與填料分隔，并連同止水帶一起固定于橋體中，保證兩者的穩(wěn)定性。在橡膠板上方均勻攤鋪橡膠瀝青填料，做到與沉降縫兩側(cè)橋面平整連接，保持路面的平整。

圖3 防水橡膠立面圖Fig.3 Waterproof rubber elevation

該雙向伸縮止水橡膠的特點：1）針對現(xiàn)有的U型防水橡膠進(jìn)行改進(jìn)，滿足伸縮縫與沉降縫相交處的雙向伸縮，避免橡膠沿長度方向的疲勞破壞；2）在伸縮縫與沉降縫相交處，將二者均斷開，以滿足雙向伸縮的要求，施工簡便，且較為經(jīng)濟(jì)，便于廣泛應(yīng)用。

2.4 一種雙向變形伸縮-沉降縫裝置

沉降縫裝置的構(gòu)造圖如圖4 所示，圖中：①梳齒狀伸縮縫；②預(yù)留鋼板凹槽，后期用橡膠填充；③下部為沉降縫交錯處，上部為鋼板；④交錯處梳齒狀沉降縫，⑤正常狀態(tài)沉降縫。主要解決新舊橋梁相連沉降縫和伸縮縫相交位置的雙向變形問題。伸縮縫在交錯處直接斷開，并將斷開后的四部分，分別于沉降縫對應(yīng)的部分焊接（新舊橋各兩部分）。因新舊橋連接采用柔性連接，先建立新橋，在與舊橋相同的位置設(shè)置伸縮縫，新橋完工后，再施工沉降縫，沉降縫的鋼筋與新舊橋翼緣板鋼筋焊接在一起，以固定沉降縫，在交錯處對沉降縫進(jìn)行一定的處理，其余各個部分沉降縫與伸縮縫均采用裝配式安裝。

圖4 雙向變形沉降縫構(gòu)造Fig.4 Two-way deformation subsidence joint structure

3 新舊橋連接后受力分析

3.1 力學(xué)模型

該沉降縫結(jié)構(gòu)所采用的技術(shù)方案是：主要用于解決新舊橋梁銜接中沉降縫的結(jié)構(gòu)問題。新舊橋梁之間采用上部結(jié)構(gòu)銜接，下部結(jié)構(gòu)不銜接的方式進(jìn)行銜接，中間留有空隙安裝沉降縫，沉降縫的防水采用防水橡膠止水片。沉降縫的具體構(gòu)造圖如圖2所示。利用氯丁橡膠板將止水片與鋪設(shè)瀝青分隔開，沉降縫上部鋪設(shè)橡膠瀝青，以保證橋面的平整。

圖5 拼寬后全橋Midas 有限元模型Fig.5 Midas finite element model of full bridge after flattening

3.2 計算結(jié)果分析

為了研究新橋?qū)蠘騼?nèi)力變化的影響，采用控制變量法對計算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。建模是考慮舊橋和拼寬橋的結(jié)構(gòu)構(gòu)造不同，其他受力、約束等邊界條件都設(shè)置成一樣，本節(jié)主要是利用MIDAS 軟件計算舊橋和拼寬之后橋梁在相同的移動荷載工況作用下的最大內(nèi)力情況，選取1#、2#、11#、12#和1′#梁進(jìn)行內(nèi)力比較分析，找出其中的變化規(guī)律。各主梁拓寬前后的內(nèi)力變化幅度大小比較如圖6 所示，其中，左坐標(biāo)軸表示彎矩，右坐標(biāo)軸表示剪力。

圖6 梁擴(kuò)寬前后內(nèi)力變化Fig.6 Internal force changes before and after widening of beam

在橋梁拓寬前后，從剪力圖和彎矩圖分布來看，1#主梁的各選擇節(jié)點中，在橋梁拓寬前后剪力呈現(xiàn)減小的趨勢，其中91#單元節(jié)點剪力減小最大達(dá)到87.76 kN，橋梁拓寬前后彎矩呈現(xiàn)減小的趨勢，其中51#單元節(jié)點彎矩減小最大達(dá)到46.06 kN·m；2#主梁的各選擇節(jié)點中，在橋梁拓寬前后剪力呈現(xiàn)減小的趨勢，其中91#單元節(jié)點剪力減小最大達(dá)到75.78 kN，橋梁拓寬前后彎矩呈現(xiàn)減小的趨勢，其中51#單元節(jié)點彎矩減小最大達(dá)到339.08 kN·m；11#主梁的各選擇節(jié)點中，在橋梁拓寬前后剪力呈現(xiàn)減小的趨勢，其中91#單元節(jié)點剪力減小最大達(dá)到 31.7 kN，橋梁拓寬前后彎矩呈現(xiàn)減小的趨勢，其中51#單元節(jié)點彎矩減小最大達(dá)到196.67 kN·m；12#主梁的各選擇節(jié)點中，在橋梁拓寬前后剪力呈現(xiàn)減小的趨勢，其中91#單元節(jié)點剪力減小最大達(dá)到 33.6 kN，橋梁拓寬前后彎矩呈現(xiàn)減小的趨勢，其中51#單元節(jié)點彎矩減小最大達(dá)到228.5 kN·m；1'#主梁的各選擇節(jié)點中，在橋梁拓寬前后剪力呈現(xiàn)增加的趨勢，其中91#單元節(jié)點剪力相對增大最大達(dá)到 7.8 kN，橋梁拓寬前后彎矩呈現(xiàn)增加的趨勢，其中51#單元節(jié)點彎矩相對增大最大達(dá)到59.1 kN·m，可以明顯看出，拓寬后的新梁段參與到了全橋的受力，分擔(dān)了分部荷載，也說明拓寬后的整體性比較好，全橋形成一個整體，共同受力。

4 結(jié)語

成都平原城市群縣域經(jīng)濟(jì)差異與綜合經(jīng)濟(jì)實力、經(jīng)濟(jì)發(fā)展結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)規(guī)模和政府調(diào)控能力等密切相關(guān)，因此，應(yīng)從幾個方面來推動縣域經(jīng)濟(jì)的持續(xù)健康發(fā)展：(1)以成都市為經(jīng)濟(jì)發(fā)展中心，發(fā)揮其對外圍縣域的輻射帶動作用，加快外圍落后縣域的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)步伐，為其提供一系列有利于經(jīng)濟(jì)發(fā)展的政策支持，吸引外部投資，增強(qiáng)縣域自主發(fā)展能力.(2)政府進(jìn)行產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整時，應(yīng)立足縣情，結(jié)合區(qū)域比較優(yōu)勢，走差異化城市發(fā)展道路，減少區(qū)域間的相互競爭，增強(qiáng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)合作.(3)培養(yǎng)新的經(jīng)濟(jì)增長點，在綿陽、眉山、資陽等地發(fā)展次一級經(jīng)濟(jì)中心，為研究區(qū)偏遠(yuǎn)縣域注入新的經(jīng)濟(jì)活力，推動區(qū)域經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展.

上部構(gòu)造相連下部不相連、上部連接下部弱連（鉸接）結(jié)構(gòu)體系的特點是在結(jié)合處會發(fā)生變形和轉(zhuǎn)動，新建橋梁和原有橋梁不是整體。上部結(jié)構(gòu)受載更均衡合理，下部結(jié)構(gòu)各自承擔(dān)荷載，受力合理，互不影響。能夠避免不均勻沉降、混凝土徐變和不均勻受載產(chǎn)生的影響。同時，這種連接方式對于施工質(zhì)量有一定的要求。

1）探討了四種新舊橋梁連接方式，在此基礎(chǔ)上采用U 型橡膠止水帶，在做到結(jié)構(gòu)防水的同時，保證兩側(cè)橋體的沉降互不影響。在橡膠板上方均勻攤鋪橡膠瀝青填料，使得沉降縫兩側(cè)橋面平整連接，保持路面的平整；解決了伸縮縫和沉降縫雙向拉伸對U 型防水橡膠的要求，避免橡膠沿長度方向拉伸疲勞破壞，保證伸縮縫與沉降縫交點處的良好防水。伸縮縫及沉降縫的鋼梁上承搭凹型金屬薄板完成，對伸縮、沉降裝置的自由伸縮與沉降不產(chǎn)生影響。同時在交錯處沉降縫及伸縮縫上部覆蓋鋼板及橡膠，起到保持平整、防塵作用。

二是舉辦開展農(nóng)民培訓(xùn)及林果大賽活動。結(jié)合新型農(nóng)民學(xué)校扶貧培訓(xùn)、三年增綠技術(shù)培訓(xùn)等活動，深入田間地頭，積極開展林果技術(shù)培訓(xùn)，培訓(xùn)果農(nóng)400人次，深受群眾歡迎。舉辦蘋果王評優(yōu)大賽，2018年10月，指導(dǎo)河口區(qū)義和鎮(zhèn)成功舉辦“第四屆蘋果王大賽”，從100多個參賽樣品中評出一等獎1名，二等獎2名，三等獎5名。進(jìn)一步激發(fā)了廣大果農(nóng)管好果園的積極性，對于引導(dǎo)果農(nóng)采取科學(xué)管理技術(shù)，生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)健康果品，促進(jìn)整個蘋果產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展產(chǎn)生了積極的影響。

據(jù)了解，德州新豐化肥有限公司2015年全年銷售化肥7.9萬噸，完成銷售額 1.7億元；2016年全年銷售化肥8.5萬噸，完成銷售額 1.9億元；2017年全年銷售化肥9.1萬噸，完成銷售額2.2億元。在種子、農(nóng)藥、化肥多管齊下，相輔相成的同時，還建立了完善的營銷網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)體系，為農(nóng)戶提供了從下種到施肥再到關(guān)鍵期用藥的全方位產(chǎn)品服務(wù)，這種套餐式的產(chǎn)品解決方案不僅為農(nóng)戶節(jié)省了挑選產(chǎn)品的時間，同時為公司農(nóng)化服務(wù)團(tuán)隊開展全程技術(shù)服務(wù)提供了便利。

2）從整體上講，每片主梁拓寬前后的彎矩圖和剪力圖的形狀都相同。剪力圖中可以看出，剪力右端在梁端支座位置取得峰值，在左端支座處最小，從左到右一直處于增大的趨勢。彎矩圖中，每片梁的彎矩圖都呈拋物線形狀，梁端位置處的彎矩最小，1/2 跨徑處彎矩取得最大值，且彎矩圖關(guān)于1/2 截面對稱。

3）由每片梁的內(nèi)力變化對比可知，老橋的主梁拓寬后在移動的車輛荷載作用下其內(nèi)力較拓寬前減小很多，而且新橋的內(nèi)力也增大了，說明新橋?qū)εf橋的荷載起到了一部分的承擔(dān)作用；新橋在荷載作用距離拼接處的距離越近，荷載分擔(dān)作用越大。因此，在新舊橋梁拓寬工工程中，距離拼接處最近的兩根邊主梁和遠(yuǎn)離拼接端的一片邊梁需要進(jìn)行剪力和彎矩的驗算，必要時需要對這幾片梁做加固處理。

4）新橋承擔(dān)了舊橋的一部分荷載，使得老橋的遠(yuǎn)離接縫處的主梁受力更加合理，更加偏于安全。新橋和老橋可以相互承擔(dān)荷載，不會使得某一片梁的內(nèi)力非常大的情況；而且新舊橋梁鉸接處理后，全橋受力性能較好，全橋內(nèi)力符合設(shè)計要求。