拓寬橋梁新舊基礎不均勻沉降及其對上部結構影響的研究

張昌曜、歐陽澤卉

（中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北武漢430056）

0 引言

我國對于拼寬橋的研究起步較晚，最早是進行T梁和空心板梁橋的拼寬，在進行拼寬時將新舊橋梁通過濕接縫和橫隔板等進行連接，后期運行過程中會存在沉降等問題。為解決拼寬橋帶來的問題，我國學者進行了研究。史磊磊等人[1]通過對橋梁的橫向力分布系數(shù)進行分析，結果表明提高剛度可降低橋梁內(nèi)部應力。李子豪[2]通過研究表明半剛性連接的橋梁抗拉能力強，剛性連接橋梁具有較好的穩(wěn)定性能。

通過相關研究使我國的拼寬橋梁得到了較快的發(fā)展，但實踐中仍然存在不足，因此，本次研究具有一定的指導意義。

1 橋梁拼寬原則

橋梁在拼寬過程中應保證新舊橋梁的變形可保持統(tǒng)一，盡可能降低不均勻沉降，讓橋梁在運行的時候可共同受力，為保證工期應與道路共同施工。本文通過以下幾點詳細表明橋梁進行拼寬時應遵循的規(guī)則：

新舊橋梁進行拼寬，工程完工之后要確保穩(wěn)固，同時要確保其變形能力保持一致，符合相關施工標準。

新舊橋梁需要按照統(tǒng)一的載荷和設計標準進行計算，開始設計之前，必須先解析原橋的受力情況，驗算它現(xiàn)在的狀態(tài)，確保它有相應的承載能力[3]。

橋梁的橫隔板具有橫向連接的效果，可保持新舊橋梁連接更加穩(wěn)固。橋梁的橫隔板特征在于有著非常大的強度和剛度，可承載主梁荷載。同時，此結構還存在缺陷，比如，柔性偏低，協(xié)調(diào)變形能力有所欠缺[4]。在進行拼接的時候，由于應力過于集中而造成結構崩壞。因此，在橋梁的拼寬過程中，邊梁也是比較好用的樣式。

2 上部結構受力影響因素

2.1 新舊橋梁不均勻沉降

橋梁在后期運營過程中產(chǎn)生不均勻沉降是不可避免的。新舊橋梁在建造時間上存在一定的差異，因此，在運營過程中會出現(xiàn)不均勻沉降，不均勻沉降也是導致新舊橋梁不能協(xié)調(diào)變形的主要因素[5]。拼寬的T 梁橋受到沉降差的影響，會使內(nèi)力增大，從而發(fā)生病害，最危險的結構為T 梁橫隔板。因此，在橋梁進行施工時，應采取必要措施降低橋梁基礎的沉降量，如：采用樁基礎、增大樁長和樁徑，并在施工前對地基進行處理，如：強夯、換填基礎等[6]。

2.2 混凝土的收縮徐變

由于混凝土自身特性的原因，在澆筑完成后存在收縮徐變，新舊橋由于建橋時間不一致，在連接部位處存在齡期差，舊橋混凝土的收縮徐變比新橋的收縮徐變快，該現(xiàn)象會導致連接部位受力發(fā)生改變（附加應力增大）。因此，在進行橋梁拼接時，要著重對新舊橋混凝土的齡期差進行分析。

3 案例分析

3.1 工程概況

本文依托的橋梁上部結構為裝配式預應力簡支T，跨徑為30m，拼寬設計時考慮單側拼寬。加寬橋梁與原橋結構相同，新舊橋間通過強剛接和弱剛接進行橫向連接。

3.2 模型建立

3.2.1 假設條件

（1）利用有限元對新舊橋分析時，橋梁變形處于彈性階段，僅考慮上部結構受力變化。

（2）模型分析時，混凝土忽略材料非線性，且彈性模量不發(fā)生變化，該過程中不分析收縮徐變以及混凝土質(zhì)量的影響。

（3）忽略預應力鋼筋的作用。預應力鋼筋對上部結構的本構模型影響程度較小，因此該分析過程忽略不計。

（4）假定新橋基礎發(fā)生沉降，原橋基礎不沉降，且沉降發(fā)生后，主梁不發(fā)生橫向移動。

3.2.2 參數(shù)設定

本節(jié)將對新舊橋的主梁、拼接縫、蓋梁結構建立有限元模型，新舊橋主梁、邊梁與拼接縫間采用剛性連接，設定各個混凝土構件均為C50 混凝土，彈性模量E=3.45×104MPa，混凝土密度為2.5×103kg/m3，泊松比為0.2。

新舊橋弱剛接連接部位是新舊橋翼緣板，且邊梁間無橫隔板。連接前，對舊橋邊梁部分翼緣板進行鑿除，并進行連接，澆筑混凝土。模型中，將新舊橋邊梁削掉翼緣板，寬度為425mm，同時建立相同尺寸階段。最后對新舊橋兩端進行剛性連接。強剛接以弱剛接為基礎進行，新舊橋邊梁進行橫隔板施工，將二者邊梁進行有效連接。舊橋邊梁的腹板進行植筋，然后新舊橋進行鋼筋綁扎，最后澆筑混凝土，形成橫隔板。由上文假定條件（4）可知，新橋發(fā)生沉降時，主梁無橫向移動。因此，在主梁底部支座位置處，施加橫橋向平動約束，蓋梁底面施加X、Y、Z 方向約束。

3.3 工況設定

本文對新橋發(fā)生沉降時，不同工況下上部結構內(nèi)力變化情況進行分析，上部結構僅分析混凝土自重。本文分析橋梁發(fā)生整體沉降外，還對兩端產(chǎn)生沉降差情況進行分析。因此本文設置工況如下所示。工況1：新橋基礎兩端均發(fā)生5mm 沉降。工況2：新橋基礎一端發(fā)生5mm 沉降，一端發(fā)生3mm 沉降。工況3：新橋基礎一端發(fā)生5mm 沉降，一端不發(fā)生沉降。

4 受力分析

4.1 主梁變形分析

4.1.1 主梁豎向變形

通過對主梁受力變化曲線進行分析可知，橋梁無論處于哪種沉降工況下，新橋在弱剛接條件下，主梁沉降均達到蓋梁值。強剛接條件下，新橋主梁梁端沉降達到蓋梁頂面。當主梁采用弱剛接形式時，新橋發(fā)生的沉降程度較大，因此在新舊橋梁拼接位置，主梁產(chǎn)生的豎向變形最大。拼接處，新橋主梁承受上拱產(chǎn)生的附加應力，原橋主梁承受下?lián)袭a(chǎn)生的附加應力。不同工況下，弱剛接新舊橋梁的邊梁最大變形量和分布位置一致，方向相反。新橋遠端沉降在降低時，拼接處邊梁豎向變形量降低，但變形位置向梁端移動。強剛接情況下，拼接處舊橋邊梁的變形情況較為復雜?？深愃票茸鳛樵谂f橋跨中位置施加一集中力，舊橋的梁端產(chǎn)生上拱變形，跨中產(chǎn)生下彎變形。遠端沉降降低時，最大附加上拱、最大附加下?lián)系奈恢镁l(fā)生遠端移動。

4.1.2 主梁橫向變形

當新橋的主梁發(fā)生沉降后，新舊橋在橫向力的作用下均發(fā)生橫向變形。在橫橋方向，T 梁的腹板和翼板抗彎剛度不一致，且主梁設置有橫隔板，因此T 梁底板和頂板存在變形差。弱剛接情況下，新橋基礎發(fā)生沉降后，新、舊橋主梁橫向附加變形變化規(guī)律呈反對稱形式。主梁翼板的橫向抗彎剛度比腹板大，因此新舊橋主梁梁底的變形量大于梁頂變形量。橫橋向，主梁梁頂最大附加變形量＜0.02mm，因此本文認為，在新橋發(fā)生沉降變形的條件下，梁頂未發(fā)生附加變形。新橋發(fā)生沉降變形時，新橋主梁梁底橫橋向的裂縫方向朝向拼接縫，原橋主梁梁底橫橋向的裂縫方向遠離拼接縫，拼接縫兩側邊梁產(chǎn)生較大的附加變形。強剛接情況下，新橋基礎發(fā)生沉降后，新、舊橋主梁橫向附加變形變化與拼接縫對稱情況有關。新橋發(fā)生沉降后，主梁和邊梁梁底無顯著的變形。橋跨跨中產(chǎn)生變形，變形方向朝向拼接縫，且變形的幅度隨著拼接縫距離的增大而減小，橋梁梁頂同樣產(chǎn)生朝向拼接縫的附加變形。

4.2 拼接處內(nèi)力分析

新舊橋梁拼接處，由于橫隔板的存在，順橋方向剪應力存在較大變化。無橫隔板弱剛接條件下，拼接段豎向剪應力峰值位置比邊梁橫隔板剪應力峰值位置滯后。有橫隔板強剛接條件下，拼接段剪應力達到峰值，且橫隔板承擔全部剪力，翼緣板不承擔剪力。橋梁上部結構在工況1 的條件下，新舊橋梁的支座截面會發(fā)生相對錯動，且邊梁的錯動程度大于跨中位置。橋梁的拼接方式無論采用強剛接還是弱剛接，拼接處均發(fā)生豎向剪應力，且該應力的峰值變化為兩端向跨中減少。采用強剛接方式時，橫隔板的豎向剪應力比采用強剛接時的豎向剪應力大一倍。

5 結論

本文通過對路基墊層施工進行分析，得到以下結論。對橋梁拼寬造成影響的要素包含下面兩點：混凝土存在收縮徐變，基礎沉降并不勻稱。本文通過工程實例建立有限元模型，并設定三種工況對主梁的變形情況和拼接處的內(nèi)力進行分析，結果表明：弱剛接條件下，新橋主梁沉降均勻，沉降量與蓋梁一致；強剛接條件下，新橋的邊梁沉降與蓋梁一致，主梁沉降變化為二次曲線。