箱梁拼寬橋上部結(jié)構(gòu)受力分析研究

劉瑞，劉容

（中榕規(guī)劃設(shè)計有限公司，湖南 長沙 410000）

1 箱梁拼接的基本形式

1.1 新舊橋主梁、橋墩不相連

新舊橋梁主梁、橋墩都不相連的拼接形式主要是新舊橋梁結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)獨立構(gòu)造，兩者各自承受車輛荷載，且對新建橋梁的受力分析較為簡便，橋梁新建施工過程也比較簡單，對于新舊橋梁拼接處理后的變形受力分析則不需要開展。但是相互獨立的橋梁構(gòu)建難以有效提升舊橋的車輛承載水平，橋面的不相連則需要構(gòu)建分隔帶，對于后續(xù)的橋梁美觀性及行車視野會造成影響，加大了橋梁的維修養(yǎng)護成本。隨著橋梁使用荷載標(biāo)準(zhǔn)的不斷優(yōu)化，舊橋由于自身的承載缺陷難以適應(yīng)車輛通行要求。

1.2 新舊橋主梁、橋墩相連

該方式主要是將新舊橋的主梁、橋墩相互連接以優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)的強度和剛性，同時也弱化了新舊橋接縫處的變形。但是外界因素導(dǎo)致橋梁變形差較大時，會在主梁、橋墩連接位置產(chǎn)生極大的應(yīng)力分布，繼而產(chǎn)生較大裂縫。橋墩的相互連接在設(shè)計階段具備較大難度，且后續(xù)施工成本及工序應(yīng)用較為復(fù)雜，檢測養(yǎng)護維修開展流程較多，在應(yīng)用推廣上具備局限性，一般需要選擇跨徑小、地質(zhì)情況良好的工程環(huán)境，以充分把控好新舊橋之間的變形差。

1.3 新舊橋主梁相連、橋墩不相連

主梁相連、橋墩不相連的形式能夠?qū)崿F(xiàn)新舊橋上部結(jié)構(gòu)的整體化，弱化上部結(jié)構(gòu)的變形差、應(yīng)力分布、錯臺、裂縫等情況，優(yōu)化行車舒適性及安全性；橋墩的不相連則可以減少橋墩結(jié)構(gòu)和主梁之間的相互局限性，主梁產(chǎn)生較大的變形幾乎不影響橋墩的整體穩(wěn)定效果；在主梁連接處往往需要進行翼緣板的植筋加固處理，必要時可以設(shè)置橫隔板來保證整體連接效果。

2 箱梁的拼接構(gòu)造形式及其影響

2.1 拼接形式

2.1.1 鉸接

新舊橋梁鉸接構(gòu)造是在舊橋翼緣進行混凝土鋼筋露出，新橋連接處構(gòu)建相應(yīng)鋼筋，并且實現(xiàn)側(cè)翼緣的焊接工作，最后需要進行該位置高強混凝土澆筑，形成整體性良好的新舊結(jié)合主梁，鉸接結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。新舊橋鉸接位置只進行剪力和軸力的傳遞，不傳遞彎矩，在該位置存在較小的轉(zhuǎn)角和變形，優(yōu)化內(nèi)力的消除及變形差影響程度，也可以消除重載車輛行駛誘發(fā)的不平衡振動及錯臺現(xiàn)象。

圖1 鉸接構(gòu)造示意圖（單位：cm）

2.1.2 剛接

剛接則在新舊橋側(cè)翼緣拼接處進行鋼筋焊接，繼而澆筑二次高強混凝土、設(shè)置間距橫隔板來優(yōu)化主梁穩(wěn)定性。對于新舊梁的受力分析則可以視作一體化，新舊梁之間可以傳遞彎矩、剪力和軸力，整體性的提高可以確保受力的均勻，但是新舊橋也形成了一個超靜定結(jié)構(gòu)，在外界和在的影響下會產(chǎn)生極大的內(nèi)力變化，引發(fā)混凝土嚴重開裂等不良情況[1]。

2.1.3 半剛性連接

該結(jié)構(gòu)介于鉸接和剛接之間，主要在翼緣板進行鋼筋焊接和混凝土澆筑，并且在連接處構(gòu)建橡膠止水結(jié)構(gòu)，在橋面鋪裝上采取剛性連接，確保半剛性連接橋梁具備彎矩、剪力的傳遞和轉(zhuǎn)動剛度，減少車輛荷載、基礎(chǔ)沉降、混凝土變形造成的影響。

2.2 拼接后主梁影響

箱梁拼寬造成的特殊截面受力情況極為復(fù)雜，主要表現(xiàn)為以下幾點：

（1）車輛活載施加過程中，主梁會形成較小的扭轉(zhuǎn)和豎向撓度變形，且通過橫向連接傳遞到附近主梁，由此形成相對撓度；

（2）橋梁主梁加寬時，翼緣板連接處往往是荷載作用下的最不利位置，經(jīng)常出現(xiàn)過大拉應(yīng)力導(dǎo)致的開裂情況，偏載效應(yīng)對于新舊橋翼緣的受力分析也較為復(fù)雜。

（3）舊橋使用周期較長導(dǎo)致其基礎(chǔ)沉降較為穩(wěn)定，新橋的基礎(chǔ)沉降則會隨著地基土的固結(jié)而不斷發(fā)生，新舊橋的拼接在基礎(chǔ)差異性沉降影響下就會造成主梁橫向的不均勻性及拼接處結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性喪失，繼而造成行車安全性的降低[1]。

3 橫向拼接偏載系數(shù)分析

3.1 偏載系數(shù)計算方法

箱梁偏載位置作用有車輛活載時，受力情況可以分為以下兩個部分：箱梁結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)造成的畸變正應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力、縱向彎曲正應(yīng)力。工程實際中選取的偏載系數(shù)一般為1.15，主要適用于寬度較小的橋梁結(jié)構(gòu)，對于寬度較大的上部結(jié)構(gòu)則需要通過更為合理的計算來確定偏載系數(shù)。

梁格法是將復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)進行等效梁格的簡單模擬，計算適用性較廣，對分割后的梁格進行受力情況的分析，相較于單梁法具備較好的精確度，尤其對于橋梁上部結(jié)構(gòu)的橫向受力計算效果較好。當(dāng)前對于梁格法主要用在斜面板梁橋、寬箱梁橋計算分析中，其可以通過離散化等效梁格構(gòu)建，進行主梁抗扭抗彎剛度的鄰近賦予，實現(xiàn)對橋梁截面考慮扭轉(zhuǎn)、彎曲、畸變的真實性模擬。梁格法在計算橋梁偏載系數(shù)中得到了大量應(yīng)用[2]。

3.2 工程概況

項目研究對象為某拼寬橋改造工程，其中橋梁全長為48m+70m+42m，上部結(jié)構(gòu)寬度達到了28.75m，中間墩位的截面示意圖如圖2所示，橋梁設(shè)計車速為40km/h，設(shè)計荷載等級為城市-A 級，設(shè)計人群移動荷載為3kN/m2，橋梁上部結(jié)構(gòu)為0.5m（防撞護欄）+15.75m（車行道）+0.5m（防撞護欄）+7.5m（車行道）+4.25m（人行道）+0.25m（人行欄桿），舊橋構(gòu)建為單箱雙室，新橋上部結(jié)構(gòu)采取預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁形式，構(gòu)建為單箱單室直腹板，縱向長度為48m+70m+42m。新舊橋之間采取主梁相連、橋墩不相連的拼接形式。其中新建箱梁頂部寬度為10m，翼緣寬度為2.2m，懸澆段落頂板厚度為30cm，腹板厚度為70～45cm，底板厚度為85～30cm。橋梁縱向布置中1 號墩、4 號墩為邊墩；2、3 號墩為中墩。

圖2 截面示意圖（單位：cm）

3.3 設(shè)計參數(shù)

模擬設(shè)計參數(shù)如下。橋梁凈空高度：人行道凈高大于2.5m、車行道凈高大于4m；橋梁通航標(biāo)準(zhǔn)：通航等級VI (1)級，通航高度4m，通航最高設(shè)計水位35m，通航凈寬42m；設(shè)計抗震標(biāo)準(zhǔn)：地震動峰值加速度0.05g，設(shè)防烈度6 度，分類為乙類，措施等級為7 度；結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性為1 級，重要性系數(shù)1.1；設(shè)計風(fēng)速為26m/s；橋面防水等級1 級，防撞護欄等級SS 級；設(shè)計溫度為20℃；橋梁設(shè)計使用年限及基準(zhǔn)期為100年[3]。

3.4 有限元模型構(gòu)建

本項目采取Midas Civil構(gòu)建新舊橋拼寬有限元模型，模型示意圖如圖3所示，有限元模型針對全橋劃分1 320個單元，節(jié)點數(shù)量為730個，橋梁材料特性如表1所示，縱橫梁截面剛度計算數(shù)據(jù)需要進行相應(yīng)截面參數(shù)的修正，項目將全橋進行8個縱梁的劃分，如圖4所示，縱向上對舊橋結(jié)構(gòu)的模擬主要是1～3號梁，新橋的結(jié)構(gòu)模擬為4～6號梁；其中4號梁是對新舊橋之間的混凝土后澆帶進行結(jié)構(gòu)模擬，鉸接拼接則可以適當(dāng)對該段約束進行釋放；7～8號梁為布置車道提供車輛活載計算的虛擬結(jié)構(gòu)。新橋內(nèi)外邊梁（5、6號）可以根據(jù)拼接縫的距離位置進行調(diào)整，原橋內(nèi)、中、外邊梁分別為1號、2號、3號；對于模型中虛擬橫梁的模擬，設(shè)定其自重系數(shù)為0，采取縱截面頂板厚度數(shù)值代入。

圖3 全橋梁格法構(gòu)建示意圖

圖4 橋梁縱橫向模擬圖

表1 全橋材料參數(shù)設(shè)置圖

上部結(jié)構(gòu)偏載系數(shù)的計算主要分為應(yīng)力偏載系數(shù)和撓度偏載系數(shù)，前者為車輛偏載情況下橋梁某一特定截面的最大應(yīng)力值和平均應(yīng)力值的比值；后者主要是在車輛偏載情況下某一特定截面的撓度最大值和平均撓度值之間的比值。本文根據(jù)設(shè)計規(guī)范對車道進行荷載施加模擬，對不同縱向截面的荷載影響線進行計算，車道偏載工況主要布置在新建拼接橋梁行車道處，項目選取縱向支座、中跨跨中、邊跨跨中為主要控制截面。

根據(jù)計算結(jié)果，在進行新橋拼寬之前的撓度偏載系數(shù)一般控制在1.1～1.12，相較于經(jīng)驗系數(shù)（1.15）要?。辉谛聵蚱磳捦瓿芍?，考慮鉸接或者剛接基礎(chǔ)上，由于整體穩(wěn)定性剛度的提升，上述三個控制截面的分布應(yīng)力要顯著降低，且撓度偏載系數(shù)控制在1.01～1.04；為此，撓度偏載系數(shù)可以適當(dāng)降低其要求，以便施工實際中可以達到材料進度成本的控制，本文設(shè)定撓度計算偏載系數(shù)為1.12。在拼寬之前舊橋的截面應(yīng)力偏載系數(shù)為1.12～1.14，小于經(jīng)驗偏載系數(shù)（1.15）；在新橋拼寬完成之后，整體穩(wěn)定性剛度的優(yōu)化，鉸接、剛接處理下，不同控制截面的應(yīng)力降低明顯，導(dǎo)致應(yīng)力偏載系數(shù)的降低，整體分布在1.02～1.12；本文建議采取應(yīng)力偏載系數(shù)為經(jīng)驗值，以有效確保上部結(jié)構(gòu)的強度穩(wěn)定性[4]。

偏載系數(shù)在不同控制截面并不相同，其中，撓度偏載系數(shù)、應(yīng)力偏載系數(shù)在邊跨跨中截面位置處要大于中跨位置，邊跨為偏載效應(yīng)最不利位置；鉸接下的偏載系數(shù)要大于剛接，但是差異性較小；為確保偏載安全穩(wěn)定性，項目考慮撓度偏載系數(shù)設(shè)定為1.12，應(yīng)力偏載系數(shù)為1.15。

4 基礎(chǔ)沉降對箱梁結(jié)構(gòu)受力分析

橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的沉降分析需要考慮地基土的類別、底部設(shè)計荷載、壓縮模量等多項技術(shù)指標(biāo)，且沉降的分析多采取一些近似性的計算方法，結(jié)果存在較大的差異性?；诖?，本項目開展新舊橋之間在特定沉降差（10mm）前提下對全橋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布情況進行定性上的分析。沉降分析中的模型采取上述梁格法有限元模型，主要開展以下工況的有限元模擬：控制新建拼寬橋梁2號中墩產(chǎn)生沉降差10mm，全橋采取主梁連接、橋墩不連接形式，拼縫處采取剛接。根據(jù)計算分析結(jié)果可知，新建橋梁2號墩產(chǎn)生沉降情況下，在全橋梁縱向主要產(chǎn)生了豎向剪力、軸力、豎向彎矩，而在橋梁截面的橫向內(nèi)力分布則較為輕微。本文針對一端沉降產(chǎn)生時，新舊橋之間的軸力分布變化進行分析，如圖5所示。

圖5 軸力變化分析表

根據(jù)圖5可知，在拼寬新橋2號墩產(chǎn)生相對10mm沉降時，新橋上的軸力主要表征為拉力，且在橋梁縱向上，拉力最大值發(fā)生在2號墩支座附近，繼而向左右兩側(cè)進行不斷衰減，隨著距離支座越遠，軸力數(shù)值越??；在橋梁橫向上，新橋5號梁為內(nèi)邊梁，6號梁為外邊梁，5號梁距離拼接縫要小于6號梁，此時5號梁的軸力要大于6號梁；同樣，舊橋軸力則表現(xiàn)為壓力，在舊橋上的3號梁內(nèi)邊梁軸力數(shù)值要大于舊橋外邊梁2號梁和中梁1號梁，隨著距離拼接縫越遠，軸力分布越小；1號梁的軸力數(shù)值可以忽略不計，此時新橋沉降對1號梁的影響較小，舊橋內(nèi)邊梁在承受新橋沉降時起到了主要抵抗作用[5]。

5 結(jié)語

公路橋梁改擴建工程中，橋梁拼寬是主要建設(shè)內(nèi)容，對于長周期運行的橋梁進行拼寬處理不僅可以大規(guī)模節(jié)省公路橋梁運營成本，緩解局部交通壓力，優(yōu)化交通通行承載水平，而且能夠?qū)崿F(xiàn)城市環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展。和新建橋梁相比，橋梁拼寬只需要在原有的規(guī)劃布局下考慮既有橋梁設(shè)計技術(shù)指標(biāo)和施工工藝，對于其中的拼接結(jié)構(gòu)、接縫形式等則要根據(jù)實際工程特點重點分析，并且結(jié)合已有施工設(shè)計經(jīng)驗進行橋梁工程質(zhì)量的優(yōu)化。