异形钢箱梁拼宽桥的受力分析及处理措施

熊礼鹏

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司 武汉 430023）

随着我国经济建设和道路桥梁事业的发展，旧桥改造工程将越来越多，如何在安全、美观、经济、适用的原则下做好旧桥拓宽改建工作是摆在桥梁建设者面前的一个重要课题。

1 桥梁拓宽的总体原则

桥梁拓宽的关键问题在于拼接构造的选择和拼宽桥梁整体受力特性分析。桥梁拓宽后，由于新旧桥梁的受力性能相互影响，制约因素也很多，因此，桥梁拓宽的设计原则可从如下几个方面考虑［1－2］。

（1）新建桥梁的结构形式、跨径布置和桥长，原则上和老桥相同，采用上部连接，下部不连接的连接方式。

（2）在设计计算等方面，以及施工工艺等方面应该充分加以考虑，在施工时应采取必要技术措施保证接缝施工质量。

（3）老桥的下部基础沉降已基本稳定，新建桥梁可能会发生不均匀沉降，导致桥梁横向不平顺，影响行车安全。因此新建桥梁的基础设计与施工应该尽量避免扰动老桥基础，并采取必要措施减少新桥的沉降，控制新桥沉降是保证新老桥梁纵向接缝受力良好的关键之一。

（4）新老桥梁纵向连接接缝必须认真设计和考虑，要保证新老桥梁共同承担汽车荷载，变形协调，防止桥面产生纵向裂缝和接缝两侧出现高差，影响行车安全。

（5）施工简便可行，尽量不干扰既有桥梁交通。同时要考虑既有交通振动对纵向接缝质量的影响。

（6）拓宽桥梁的荷载等级不应低于既有桥梁。由于既有桥梁的荷载等级一般都比较小，或者不能满足现代交通运输的需求，因此在老桥拓宽时，最好结合老桥加固改造进行。

2 工程概况

该立交改造工程中的某联为异形块，与新建匝道对接，桥梁需要拓宽改造。旧桥异形块为钢箱梁，跨径布置为29.2m＋27.5m＋27.5m＋26.8m＝111.0m，桥宽为26.0～47.4m。拓宽新桥也采用钢箱梁的形式，跨径布置与旧桥一致，加宽宽度为7.5～14.6m不等。旧桥与新桥之间的连接，首先将旧桥悬臂切割一部分，然后通过现场焊接钢横梁拼接。旧桥拓宽前后平面图和断面图见图1～图4。

图1 钢箱梁拓宽前平面图

图2 钢箱梁拓宽前断面图（单位：mm）

图3 钢箱梁拓宽后平面图

图4 钢箱梁拓宽后断面图（单位：mm）

旧桥钢箱梁标准段桥宽26.0m，梁高1.92 m，截面为单箱4室，两侧悬臂各3.75m。新桥钢箱梁标准段桥宽7.5m，梁高1.62m，截面为单箱2室。钢箱梁板厚与旧桥保持相同，即箱梁顶底板厚16mm，在支点横梁区域加厚至20 mm；箱梁两外侧腹板采用斜腹板，中间采用直腹板，厚度为14mm，在支点横梁附近区域加厚至20mm。

桥梁施工步骤。下部结构施工→搭设临时支架→切割旧桥悬臂→吊装新桥钢箱梁→浇筑新桥钢纤维层铺装→拼接钢横梁→浇筑沥青铺装→拆除临时支架→成桥运营。

3 有限元模型

桥梁整体计算采用梁格法，按梁格法原理划分横断面，纵向梁格构件按腹板位置划分，截面特性按实际计算，将加劲肋的面积均摊到顶板和底板厚度中；横向梁格构件取在横隔板的位置，按工字形计算截面特性。有限元模型采用Midas 2010空间梁单元模拟，全桥共计1 171个单元，943个节点，边界条件根据支座的具体位置情况确定，有限元模型见图5。

图5 桥梁整体有限元模型

本文计算主要对钢箱梁进行施工阶段和运营阶段的受力分析，活载为城－A级，横向10车道。

施工阶段计算。主桥施工按新旧桥连接前和连接后，计算各阶段钢箱梁的内力和位移。

运营阶段计算。包括恒载、活载、支点沉降、温度等工况，按规范进行最不利荷载组合，对结构的安全性和适用性进行计算。

4 拼接桥的受力特性分析

4.1 拼接桥的纵梁受力状态

通过对钢箱梁的计算分析，得出钢箱梁在施工阶段和运营阶段各项荷载标准组合作用下的应力包络图，见图6～图7；桥梁在恒载和活载作用的位移见图8～图9。

图6 纵梁上缘标准组合正应力包络图（单位：MPa）

图7 纵梁下缘标准组合正应力包络图（单位：MPa）

图8 桥梁恒载位移图（单位：mm）

图9 桥梁活载位移图（单位：mm）

由整体计算结果可知，上缘最大拉应力91 MPa，发生在中墩截面，最大压应力－65.2MPa，发生在边跨跨中截面，考虑与桥面板局部应力叠加仍小于规范容许应力210MPa，满足规范要求；下缘最大拉应力101.5MPa，发生在边跨跨中截面，最大压应力－103.5MPa，发生在中墩截面，小于规范容许应力210MPa，满足规范要求。

由图8～图9可见，恒载作用下最大竖向位移为36mm，发生在边跨跨中；活载作用下最大竖向位移为12mm，发生在边跨跨中，满足刚度要求。

4.2 拼接桥的横梁受力状态

对于拓宽扩建工程，新老桥之间沉降是不一致的，沉降的控制是桥梁拼接是否能够成功的一个关键问题。新老桥的不均匀沉降主要影响结构的局部受力，特别是对钢箱梁拼接横梁的影响较大，所以在设计中要着重计算拼接横梁的受力状态，同时，由于横桥向支座间距较小，沉降容易引起支座脱空，此时可在支点横梁局部填充混凝土提供压重。

为保证新旧桥梁拼接能取得良好的施工效果，除了加强施工过程中的沉降观测外，同时要求新旧结构拼接端高程误差控制在5mm以内。因此，本文新建桥梁的桩基沉降取为5mm，以此进行上部构造的计算分析。拼接横梁在运营阶段的标准组合正应力包络图见图10～图11。

图10 连接横梁上缘标准组合正应力包络图（单位：MPa）

图11 连接横梁下缘标准组合正应力包络图（单位：MPa）

由图10～图11的计算结果可见，拼接横梁上缘最大拉应力35.0MPa，最大压应力－32.5 MPa；下缘最大拉应力44.5MPa，最大压应力－29.2MPa，均小于规范容许应力210MPa，满足规范要求。

5 桥梁拓宽连接措施

5.1 连接构造方案比较［3］

考虑到施工的可行性，通过反复论证，决定在新旧桥之间通过连接横梁拼接，即钢桥面板连续，纵桥向每间隔1.5m设置一道隔板横梁。拼接横梁与新旧桥之间的连接考虑栓焊连接（即腹板栓接，顶底缘焊接）和全部焊接2种方案，2种连接形式的局部构造见图12。

图12 连接方式（单位：mm）

通过对这2种连接形式的比较分析，全焊接方案相对于栓焊连接方案来说，其优点是构造简单，但工地焊接工作量大、施工难度大、焊缝质量也很难控制，并且施工时间较长。因此，综合施工难度、施工工期、结构耐久性等方面的因素，钢箱梁新旧结构连接采用栓焊连接的方式。

5.2 桩基沉降控制措施

考虑沿线软土地区地质的特殊性，参考原桥基础的设计，同时考虑施工工期限制等不确定因素，桩基沉降采取以下控制措施［4－6］：

（1）在桩尖标高不变和计算分析满足容许承载力的前提下，适当增加桩径或增加桩长，以增大桩侧壁摩阻力。

（2）拼接之前对新建桥梁桥面尽早铺装和采取压重措施，使结构更接近设计荷载，可以起到加大加快沉降的作用。

（3）上部构造延迟拼接。当新建桥梁上部构造完成至桥面混凝土现浇层后，等待3～5个月后再拼接，让一部分沉降在拼接之前发生，可以减小拼接后的沉降值。

6 结论

本文介绍了某立交拼宽桥的钢箱梁结构设计，并给出了桥梁拼接后受力计算结果和拼接横梁构造措施。分析结果显示，结构设计合理，安全可靠。该工程的顺利实施，为今后其他类似工程结构设计提供了参考。

［1］ 宗周红，夏樟华.既有桥梁拓宽纵向接缝研究及应用［C］.全国既有桥梁加固、改造与评价学术会议论文集，北京：人民交通出版社，2008：387－395.

［2］ 黄 萍.福州马尾互通匝道桥拼宽对旧桥的影响分析［J］.工程与建设，2008（2）：208－210.

［3］ 聂建国，陶慕轩，樊键生，等.钢－混凝土组合结构在桥梁加固改造中的应用研究［J］.防灾减灾工程学报，2010（9）：335－344.

［4］ 高 冉，刘其伟.拼宽连续箱梁桥支座病害分析及处理方案的研究［J］.中外公路，2012（12）：218－222.

［5］ 梁耀文，岳静芳.大跨度连续箱型梁桥的新旧结构连接处理［J］.山西交通科技，2007（2）：35－38.

［6］ 向明航.给定不均匀沉降下拓宽桥梁拼接部分受力分析案例研究［D］.重庆：重庆交通大学，2012.