異形鋼箱梁拼寬橋的受力分析及處理措施

熊禮鵬

（武漢市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司 武漢 430023）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)和道路橋梁事業(yè)的發(fā)展，舊橋改造工程將越來(lái)越多，如何在安全、美觀、經(jīng)濟(jì)、適用的原則下做好舊橋拓寬改建工作是擺在橋梁建設(shè)者面前的一個(gè)重要課題。

1 橋梁拓寬的總體原則

橋梁拓寬的關(guān)鍵問(wèn)題在于拼接構(gòu)造的選擇和拼寬橋梁整體受力特性分析。橋梁拓寬后，由于新舊橋梁的受力性能相互影響，制約因素也很多，因此，橋梁拓寬的設(shè)計(jì)原則可從如下幾個(gè)方面考慮［1－2］。

（1）新建橋梁的結(jié)構(gòu)形式、跨徑布置和橋長(zhǎng)，原則上和老橋相同，采用上部連接，下部不連接的連接方式。

（2）在設(shè)計(jì)計(jì)算等方面，以及施工工藝等方面應(yīng)該充分加以考慮，在施工時(shí)應(yīng)采取必要技術(shù)措施保證接縫施工質(zhì)量。

（3）老橋的下部基礎(chǔ)沉降已基本穩(wěn)定，新建橋梁可能會(huì)發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致橋梁橫向不平順，影響行車安全。因此新建橋梁的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工應(yīng)該盡量避免擾動(dòng)老橋基礎(chǔ)，并采取必要措施減少新橋的沉降，控制新橋沉降是保證新老橋梁縱向接縫受力良好的關(guān)鍵之一。

（4）新老橋梁縱向連接接縫必須認(rèn)真設(shè)計(jì)和考慮，要保證新老橋梁共同承擔(dān)汽車荷載，變形協(xié)調(diào)，防止橋面產(chǎn)生縱向裂縫和接縫兩側(cè)出現(xiàn)高差，影響行車安全。

（5）施工簡(jiǎn)便可行，盡量不干擾既有橋梁交通。同時(shí)要考慮既有交通振動(dòng)對(duì)縱向接縫質(zhì)量的影響。

（6）拓寬橋梁的荷載等級(jí)不應(yīng)低于既有橋梁。由于既有橋梁的荷載等級(jí)一般都比較小，或者不能滿足現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)男枨?，因此在老橋拓寬時(shí)，最好結(jié)合老橋加固改造進(jìn)行。

2 工程概況

該立交改造工程中的某聯(lián)為異形塊，與新建匝道對(duì)接，橋梁需要拓寬改造。舊橋異形塊為鋼箱梁，跨徑布置為29.2m＋27.5m＋27.5m＋26.8m＝111.0m，橋?qū)挒?6.0～47.4m。拓寬新橋也采用鋼箱梁的形式，跨徑布置與舊橋一致，加寬寬度為7.5～14.6m不等。舊橋與新橋之間的連接，首先將舊橋懸臂切割一部分，然后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)焊接鋼橫梁拼接。舊橋拓寬前后平面圖和斷面圖見(jiàn)圖1～圖4。

圖1 鋼箱梁拓寬前平面圖

圖2 鋼箱梁拓寬前斷面圖（單位：mm）

圖3 鋼箱梁拓寬后平面圖

圖4 鋼箱梁拓寬后斷面圖（單位：mm）

舊橋鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)段橋?qū)?6.0m，梁高1.92 m，截面為單箱4室，兩側(cè)懸臂各3.75m。新橋鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)段橋?qū)?.5m，梁高1.62m，截面為單箱2室。鋼箱梁板厚與舊橋保持相同，即箱梁頂?shù)装搴?6mm，在支點(diǎn)橫梁區(qū)域加厚至20 mm；箱梁兩外側(cè)腹板采用斜腹板，中間采用直腹板，厚度為14mm，在支點(diǎn)橫梁附近區(qū)域加厚至20mm。

橋梁施工步驟。下部結(jié)構(gòu)施工→搭設(shè)臨時(shí)支架→切割舊橋懸臂→吊裝新橋鋼箱梁→澆筑新橋鋼纖維層鋪裝→拼接鋼橫梁→澆筑瀝青鋪裝→拆除臨時(shí)支架→成橋運(yùn)營(yíng)。

3 有限元模型

橋梁整體計(jì)算采用梁格法，按梁格法原理劃分橫斷面，縱向梁格構(gòu)件按腹板位置劃分，截面特性按實(shí)際計(jì)算，將加勁肋的面積均攤到頂板和底板厚度中；橫向梁格構(gòu)件取在橫隔板的位置，按工字形計(jì)算截面特性。有限元模型采用Midas 2010空間梁?jiǎn)卧M，全橋共計(jì)1 171個(gè)單元，943個(gè)節(jié)點(diǎn)，邊界條件根據(jù)支座的具體位置情況確定，有限元模型見(jiàn)圖5。

圖5 橋梁整體有限元模型

本文計(jì)算主要對(duì)鋼箱梁進(jìn)行施工階段和運(yùn)營(yíng)階段的受力分析，活載為城－A級(jí)，橫向10車道。

施工階段計(jì)算。主橋施工按新舊橋連接前和連接后，計(jì)算各階段鋼箱梁的內(nèi)力和位移。

運(yùn)營(yíng)階段計(jì)算。包括恒載、活載、支點(diǎn)沉降、溫度等工況，按規(guī)范進(jìn)行最不利荷載組合，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性和適用性進(jìn)行計(jì)算。

4 拼接橋的受力特性分析

4.1 拼接橋的縱梁受力狀態(tài)

通過(guò)對(duì)鋼箱梁的計(jì)算分析，得出鋼箱梁在施工階段和運(yùn)營(yíng)階段各項(xiàng)荷載標(biāo)準(zhǔn)組合作用下的應(yīng)力包絡(luò)圖，見(jiàn)圖6～圖7；橋梁在恒載和活載作用的位移見(jiàn)圖8～圖9。

圖6 縱梁上緣標(biāo)準(zhǔn)組合正應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

圖7 縱梁下緣標(biāo)準(zhǔn)組合正應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

圖8 橋梁恒載位移圖（單位：mm）

圖9 橋梁活載位移圖（單位：mm）

由整體計(jì)算結(jié)果可知，上緣最大拉應(yīng)力91 MPa，發(fā)生在中墩截面，最大壓應(yīng)力－65.2MPa，發(fā)生在邊跨跨中截面，考慮與橋面板局部應(yīng)力疊加仍小于規(guī)范容許應(yīng)力210MPa，滿足規(guī)范要求；下緣最大拉應(yīng)力101.5MPa，發(fā)生在邊跨跨中截面，最大壓應(yīng)力－103.5MPa，發(fā)生在中墩截面，小于規(guī)范容許應(yīng)力210MPa，滿足規(guī)范要求。

由圖8～圖9可見(jiàn)，恒載作用下最大豎向位移為36mm，發(fā)生在邊跨跨中；活載作用下最大豎向位移為12mm，發(fā)生在邊跨跨中，滿足剛度要求。

4.2 拼接橋的橫梁受力狀態(tài)

對(duì)于拓寬擴(kuò)建工程，新老橋之間沉降是不一致的，沉降的控制是橋梁拼接是否能夠成功的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。新老橋的不均勻沉降主要影響結(jié)構(gòu)的局部受力，特別是對(duì)鋼箱梁拼接橫梁的影響較大，所以在設(shè)計(jì)中要著重計(jì)算拼接橫梁的受力狀態(tài)，同時(shí)，由于橫橋向支座間距較小，沉降容易引起支座脫空，此時(shí)可在支點(diǎn)橫梁局部填充混凝土提供壓重。

為保證新舊橋梁拼接能取得良好的施工效果，除了加強(qiáng)施工過(guò)程中的沉降觀測(cè)外，同時(shí)要求新舊結(jié)構(gòu)拼接端高程誤差控制在5mm以內(nèi)。因此，本文新建橋梁的樁基沉降取為5mm，以此進(jìn)行上部構(gòu)造的計(jì)算分析。拼接橫梁在運(yùn)營(yíng)階段的標(biāo)準(zhǔn)組合正應(yīng)力包絡(luò)圖見(jiàn)圖10～圖11。

圖10 連接橫梁上緣標(biāo)準(zhǔn)組合正應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

圖11 連接橫梁下緣標(biāo)準(zhǔn)組合正應(yīng)力包絡(luò)圖（單位：MPa）

由圖10～圖11的計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，拼接橫梁上緣最大拉應(yīng)力35.0MPa，最大壓應(yīng)力－32.5 MPa；下緣最大拉應(yīng)力44.5MPa，最大壓應(yīng)力－29.2MPa，均小于規(guī)范容許應(yīng)力210MPa，滿足規(guī)范要求。

5 橋梁拓寬連接措施

5.1 連接構(gòu)造方案比較［3］

考慮到施工的可行性，通過(guò)反復(fù)論證，決定在新舊橋之間通過(guò)連接橫梁拼接，即鋼橋面板連續(xù)，縱橋向每間隔1.5m設(shè)置一道隔板橫梁。拼接橫梁與新舊橋之間的連接考慮栓焊連接（即腹板栓接，頂?shù)拙壓附樱┖腿亢附?種方案，2種連接形式的局部構(gòu)造見(jiàn)圖12。

圖12 連接方式（單位：mm）

通過(guò)對(duì)這2種連接形式的比較分析，全焊接方案相對(duì)于栓焊連接方案來(lái)說(shuō)，其優(yōu)點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單，但工地焊接工作量大、施工難度大、焊縫質(zhì)量也很難控制，并且施工時(shí)間較長(zhǎng)。因此，綜合施工難度、施工工期、結(jié)構(gòu)耐久性等方面的因素，鋼箱梁新舊結(jié)構(gòu)連接采用栓焊連接的方式。

5.2 樁基沉降控制措施

考慮沿線軟土地區(qū)地質(zhì)的特殊性，參考原橋基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，同時(shí)考慮施工工期限制等不確定因素，樁基沉降采取以下控制措施［4－6］：

（1）在樁尖標(biāo)高不變和計(jì)算分析滿足容許承載力的前提下，適當(dāng)增加樁徑或增加樁長(zhǎng)，以增大樁側(cè)壁摩阻力。

（2）拼接之前對(duì)新建橋梁橋面盡早鋪裝和采取壓重措施，使結(jié)構(gòu)更接近設(shè)計(jì)荷載，可以起到加大加快沉降的作用。

（3）上部構(gòu)造延遲拼接。當(dāng)新建橋梁上部構(gòu)造完成至橋面混凝土現(xiàn)澆層后，等待3～5個(gè)月后再拼接，讓一部分沉降在拼接之前發(fā)生，可以減小拼接后的沉降值。

6 結(jié)論

本文介紹了某立交拼寬橋的鋼箱梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并給出了橋梁拼接后受力計(jì)算結(jié)果和拼接橫梁構(gòu)造措施。分析結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，安全可靠。該工程的順利實(shí)施，為今后其他類似工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考。

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［2］ 黃 萍.福州馬尾互通匝道橋拼寬對(duì)舊橋的影響分析［J］.工程與建設(shè)，2008（2）：208－210.

［3］ 聶建國(guó)，陶慕軒，樊鍵生，等.鋼－混凝土組合結(jié)構(gòu)在橋梁加固改造中的應(yīng)用研究［J］.防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào)，2010（9）：335－344.

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［6］ 向明航.給定不均勻沉降下拓寬橋梁拼接部分受力分析案例研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2012.