現(xiàn)澆箱梁拼寬橋上部結(jié)構(gòu)受力特性分析

摘要 隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展和交通運輸需求的增加，現(xiàn)澆箱梁拼寬橋因其整體性好、承載能力強等特點得到廣泛應(yīng)用。文章對拼寬橋上部箱梁結(jié)構(gòu)的拼接特性及受力特點進行了分析，并通過實例研究了橋梁的偏載系數(shù)及不均勻沉降對拼接箱梁的影響。結(jié)果表明，新橋和現(xiàn)有橋梁的內(nèi)梁能夠支撐由基礎(chǔ)造成的內(nèi)力，橋梁結(jié)構(gòu)中混凝土收縮產(chǎn)生的內(nèi)力以橫向表現(xiàn)為主，而混凝土徐變產(chǎn)生的內(nèi)力則以縱向表現(xiàn)為主。

關(guān)鍵詞 現(xiàn)澆箱梁；上部結(jié)構(gòu)；受力特性；有限元分析

中圖分類號 U443.3 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）03-0072-03

0 引言

橋梁是當今城市交通網(wǎng)絡(luò)中承載交通運輸壓力的重要組成部分，而現(xiàn)澆箱梁拼寬橋也廣泛應(yīng)用于市區(qū)道橋、高速公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。由于其特殊的結(jié)構(gòu)形式和復(fù)雜的受力機理，不僅需要考慮靜態(tài)荷載下的強度和穩(wěn)定性，還需關(guān)注動態(tài)荷載、溫度變化等因素對結(jié)構(gòu)安全性的影響，因此對其上部結(jié)構(gòu)的受力特性研究仍具有重要的理論和實踐意義。該文將從構(gòu)造特點、受力分析等方面對現(xiàn)澆箱梁拼寬橋上部結(jié)構(gòu)的受力行為規(guī)律和特點進行研究，通過對現(xiàn)澆箱梁拼寬橋上部結(jié)構(gòu)受力特性的深入分析，有助于進一步提高橋梁結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性和經(jīng)濟性，推動城市交通建設(shè)邁向更加智能、高效及可持續(xù)發(fā)展的方向[1]。

1 箱梁拼接原則特性

由于拼寬橋梁的自身特性，其施工工序復(fù)雜，影響因素眾多。在施工前需妥善管理交通，以減少對市民出行的影響，且應(yīng)保證工程和交通的協(xié)調(diào)進行，可以設(shè)置交通引領(lǐng)標志、臨時交通路牌等。在拼寬橋梁施工過程中，為了抵消新老橋梁上部結(jié)構(gòu)間的相互作用，保證結(jié)構(gòu)受力均衡，有效控制變形，使結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，應(yīng)確保連接部位設(shè)計合理。除此之外，施工過程中還需要各部門協(xié)同合作安排工程任務(wù)進度，保證項目的整體周期且不影響工程質(zhì)量或延誤工期[2]。

為了避免上述因素的影響，箱梁拼接需遵循以下三項原則：首先是合理設(shè)計連接部位，使橋梁整體安全穩(wěn)定，新老結(jié)構(gòu)協(xié)同受力，滿足整體受力要求；其次是在施工過程中應(yīng)保證新老結(jié)構(gòu)的設(shè)計荷載等級相同，使結(jié)構(gòu)整體具有良好的受力性能與安全性能，避免出現(xiàn)結(jié)構(gòu)受力不均等安全隱患；此外，還需選擇合適的橋梁基礎(chǔ)，通常選用樁基礎(chǔ)以使結(jié)構(gòu)的承載需求得到更好滿足，且能夠提高橋梁的穩(wěn)定性和安全性。

2 偏載系數(shù)計算及實例分析

2.1 工程概況

為了進一步分析現(xiàn)澆箱梁拼寬橋上部結(jié)構(gòu)的受力特性，該文以某拼寬橋梁為研究對象。該橋梁主橋跨徑布置為40 m+60 m+40 m，新建橋梁采用的上部結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有橋梁一致，采用現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，如表1所示，給出了連續(xù)箱梁的截面參數(shù)。

2.2 橋梁模擬偏載系數(shù)分析

在橋梁設(shè)計中，偏載系數(shù)主要是指橋梁在承受車輛和行人等移動荷載時，考慮荷載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動態(tài)影響而設(shè)置的一個系數(shù)。偏載系數(shù)通常大于1，反映橋梁在實際使用中的承載能力需要考慮這種動態(tài)荷載的影響。而通過計算研究橋梁的應(yīng)力偏載系數(shù)和撓度偏載系數(shù)，可以評估橋梁在不同偏載情況下拼寬橋上部結(jié)構(gòu)的受力及變形狀況。選擇合適的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和加固方案[3]，可以有效延長橋梁的使用壽命，提高其在實際交通運輸中的安全性和經(jīng)濟性，確保橋梁在各種工況下都能夠可靠地運行。

如圖1所示，給出了橋梁控制界面的分布情況?？刂平孛娌糠謱蛄旱恼w效率影響重大，在設(shè)計的過程中，必須精確計算和評估與所控制截面部分相關(guān)的各種參數(shù)，以確保橋梁在偏載作用下能夠滿足設(shè)計要求，且控制截面的選擇也需考慮橋梁的整體結(jié)構(gòu)形式和受力特點，以保證設(shè)計的科學(xué)性和可靠性。

經(jīng)有限元模擬分析可得，如圖2～3所示，分別給出了三個截面處的應(yīng)力偏載值和撓度偏載值。由圖可知，新建橋梁在拼接前截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ的應(yīng)力偏載系數(shù)分別為1.18、1.18和1.15，截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅲ-Ⅲ的撓度偏載系數(shù)分別為1.13和1.04，由于截面Ⅱ-Ⅱ是支座截面，故其撓度偏載系數(shù)的影響可忽略不計。鉸接后，截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ的應(yīng)力偏載系數(shù)分別變?yōu)?.13、1.15和1.05，截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅲ-Ⅲ的偏載系數(shù)分別變?yōu)?.08和1.06；剛接后，截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ的應(yīng)力偏載系數(shù)分別變?yōu)?.11、1.15和1.06，截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅲ-Ⅲ的偏載系數(shù)分別變?yōu)?.07和1.06。由此可以推斷出，鉸接橋和剛接橋都出現(xiàn)剛度增加、應(yīng)力減小的情況，從而導(dǎo)致偏載系數(shù)逐漸降低。

3 箱梁拼接上部結(jié)構(gòu)受力影響分析

3.1 不均勻沉降對拼接箱梁的影響

若新橋一端剛接，沉降量的不對稱性會導(dǎo)致橋梁上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的應(yīng)力變化，尤其是剛接部位應(yīng)力分布可能出現(xiàn)集中的現(xiàn)象，需特別關(guān)注。若新橋兩端剛接，沉降量的均衡性會對橋梁上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布產(chǎn)生影響，沉降差的存在會導(dǎo)致橋梁產(chǎn)生水平位移和扭轉(zhuǎn)，從而引起不同位置的內(nèi)力變化。故加固措施的確定需要綜合考慮橋梁整體結(jié)構(gòu)，且有針對性地考慮橋梁的受力特性，以保證橋梁運行安全穩(wěn)定[4]。

3.1.1 新橋箱梁基礎(chǔ)一端出現(xiàn)沉降

此時新老箱梁上部主梁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化基本一致，在發(fā)生沉降的支座處產(chǎn)生較大的內(nèi)力，最大值通常出現(xiàn)在支座處，并隨著距離支座的增加而逐漸減小，直到在另一端支座處基本變?yōu)?。如果新建橋梁的地基受到不均勻沉降的影響，則所產(chǎn)生的內(nèi)力將主要分布在位于連接位置的內(nèi)梁上，外梁和中梁也會受到一定程度的影響。

3.1.2 新橋箱梁基礎(chǔ)兩端出現(xiàn)沉降

此時新老箱梁上部主梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化出現(xiàn)數(shù)值大小一致、方向相反的情況，且都在發(fā)生沉降的支座處產(chǎn)生相反方向的較大內(nèi)力，最大值通常出現(xiàn)在支座處，并隨著支座距離的增加而逐漸減小，直到在另一端支座處基本變?yōu)?。當新橋兩端剛性連接、地基出現(xiàn)不均勻沉降時，主要由連接位置的舊內(nèi)邊梁承擔(dān)額外的內(nèi)力，外邊梁和中間梁次之。

3.2 混凝土收縮徐變對拼接箱梁的影響

混凝土因收縮徐變而產(chǎn)生的變形受多種因素的影響，需要在建模和分析中進行全面研究。首先可以假設(shè)新橋與原橋上部結(jié)構(gòu)拼接形式為剛性，兩者作為一個受力整體，其間沒有相對位移；其次應(yīng)考慮鋼筋、混凝土等材料自重，以免在混凝土收縮徐變過程中影響結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性能和變形性能。此外，由于收縮徐變的持續(xù)性，還應(yīng)考慮時間因素對混凝土收縮徐變的影響，對不同時間范圍內(nèi)的內(nèi)力變化進行模擬研究。

通過模擬收縮徐變的過程，可以觀察內(nèi)力的變化情況。一般來說，隨著混凝土的收縮，上部結(jié)構(gòu)會受到拉應(yīng)力的影響，可能導(dǎo)致主梁的彎曲和剪切變形。同時，由于新舊橋梁上部結(jié)構(gòu)的剛性拼接，內(nèi)力可能會在拼接處集中，產(chǎn)生較大的應(yīng)力。

3.2.1 混凝土收縮的影響

（1）軸力分布

當僅考慮新橋混凝土的收縮徐變時，拼寬結(jié)構(gòu)的受力將產(chǎn)生一定的協(xié)同受力差異，上部結(jié)構(gòu)的軸向力將呈現(xiàn)對稱分布，中跨軸線附近有拉力，縱橋中跨方向的軸向力大于邊跨方向。此外，對新橋內(nèi)腹板和外腹板的軸力進行檢查后發(fā)現(xiàn)，這些構(gòu)件軸力之間的偏差很小。由于新橋混凝土的收縮會產(chǎn)生自身結(jié)構(gòu)的附加應(yīng)力，這將較大程度地影響原有橋梁的軸力表現(xiàn)，原有橋梁將承受軸向力從而產(chǎn)生壓力，而中跨的縱橋與邊跨的縱橋相比，將承受更大的軸向力。

（2）橫向剪力

由于新橋主梁混凝土的收縮影響，新橋主梁上部結(jié)構(gòu)將受到一定的附加剪力作用，而最不利的位置出現(xiàn)在中墩支座處的主梁上，沿邊跨主梁的剪力分布相對均勻。然而，在主跨主梁上，縱橋向的剪力分布呈現(xiàn)出顯著差異。在橋梁上部結(jié)構(gòu)的縱向走向上，這種明顯的變化模式表現(xiàn)為先下降后上升，而在橫向上則相反，新橋和原有橋梁上部結(jié)構(gòu)的剪力分布模式基本相似，且內(nèi)側(cè)腹板的剪力大于外側(cè)。

（3）橫向彎矩

由于新橋主梁混凝土收縮的影響，新橋上部結(jié)構(gòu)在縱橋向上產(chǎn)生較大的附加彎矩，其中最大的彎矩出現(xiàn)在主墩處的主梁上。新主梁和原有主梁的剪力分布呈現(xiàn)出類似模式，其特點是沿橋梁縱軸方向，剪力呈先減后增的趨勢。對箱梁截面的檢查顯示，與支座相鄰的主梁上部承受著拉應(yīng)力，而位于跨中位置的主梁下部也承受著拉應(yīng)力。在橫橋向上，新橋與原有橋上部結(jié)構(gòu)的彎矩分布相對均勻，但資料分析顯示，腹板內(nèi)側(cè)的彎矩相比腹板外側(cè)要大很多，尤其在主墩處的主梁上出現(xiàn)了最大彎矩，可能會造成結(jié)構(gòu)的承載力不足或結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞。

3.2.2 混凝土徐變的影響

在對模型進行有限元分析后，確定混凝土徐變在不同階段產(chǎn)生的應(yīng)力表現(xiàn)主要包括軸向力、垂直剪力和彎矩。首先，軸力是混凝土結(jié)構(gòu)中的重要參數(shù)，不同齡期混凝土徐變引起的軸力變化可能會對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性和承載能力產(chǎn)生影響；其次，不同齡期混凝土徐變引起的豎向剪力變化可能會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受力不均，從而影響結(jié)構(gòu)的整體性能和安全性；最后，不同齡期混凝土徐變引起的彎矩變化可能會引起結(jié)構(gòu)的變形和裂縫，影響結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全性[5]。

（1）主梁軸力

在混凝土發(fā)生徐變的情況下，拼接橋梁上部結(jié)構(gòu)的軸向力沿中跨軸線呈對稱分布。就新橋而言，主梁位置的軸向力是壓縮性的，而沿橋長的軸向力分布則表明，所有跨徑的軸向力大小一致，其中間跨徑的軸向力比邊跨徑的軸向力要低。此外，在橋梁橫向方向上，內(nèi)梁和外梁之間的軸向力差距相對較小?；炷涟l(fā)生徐變時，初始橋梁結(jié)構(gòu)的軸向力分布會發(fā)生變化，這種變化通常會導(dǎo)致軸向力的不規(guī)則分布，主要表現(xiàn)為壓力的變化。具體來說，橋梁中跨處的軸向力將超過邊跨處。此外，在橋梁的橫向方向上，內(nèi)梁和外梁之間軸向力的分布也會發(fā)生變化，通常會導(dǎo)致從外梁向內(nèi)梁逐漸增大。

（2）豎向剪力

新舊橋梁的混凝土徐變表現(xiàn)出明顯的差異，其中一項是在剪力方面。在新建的橋梁中，主梁在中央橋墩支座的端點處受到的剪力最大，這兩個量級幾乎相等，但作用方向相反。主梁在各跨內(nèi)的剪力分布基本一致，其特點是最初在橋梁方向上減小，隨后在相反方向上增大。與此相比，原有橋的剪力分布會受到混凝土徐變的影響，導(dǎo)致剪力分布情況不同。

（3）豎向彎矩

新舊橋梁的混凝土徐變行為存在差異，主要體現(xiàn)在沿橋梁縱軸的彎矩分布上。在新建橋梁中，最大彎矩出現(xiàn)在橋墩中央支座的兩端，每跨內(nèi)的彎矩從支座向中跨方向逐漸減小，隨后向相反方向增大，導(dǎo)致在主梁中跨位置上部出現(xiàn)拉伸狀態(tài)。新橋橫向上主梁的彎矩變化表明，外梁的彎矩相比內(nèi)梁較小。相比之下，原有橋的主梁順橋向的彎矩變化規(guī)律與新橋相似，但方向相反，即最大彎矩值位于中墩支座的兩端，主梁每跨的彎矩減小，然后方向逆轉(zhuǎn)，導(dǎo)致在主梁中跨位置上部出現(xiàn)拉伸狀態(tài)。在橫向方向上，原有橋主梁的彎矩從外梁向內(nèi)梁逐漸增大。

4 結(jié)論

該文通過對某道路拼寬橋梁進行研究，得到以下結(jié)論：

（1）箱梁橋上部結(jié)構(gòu)的主要應(yīng)力來源有兩個方面：一個是現(xiàn)有橋梁和新橋地基的不同沉降，導(dǎo)致整個橋梁的荷載分布不同；另一個是混凝土收縮徐變導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)變形，應(yīng)在長期使用過程中提高應(yīng)力水平。

（2）經(jīng)有限元模擬分析可得，鉸接橋和剛接橋都會出現(xiàn)剛度增加、應(yīng)力減小的情況，從而導(dǎo)致偏載系數(shù)降低。在對模型進行有限元分析后，確定混凝土徐變在不同階段產(chǎn)生的應(yīng)力表現(xiàn)主要包括軸向力、垂直剪力和彎矩，這些應(yīng)力在橋梁上部結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)對稱分布，其中軸力的最大值通常出現(xiàn)在跨中位置。

參考文獻

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收稿日期：2024-07-19

作者簡介：朱雁（1985—），女，本科，工程師，從事橋梁設(shè)計工作。