错孔布置混凝土连续梁拓宽技术研究

魏海伟，宗 海

（1.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088；2.南京长江第四大桥有限责任公司，江苏 南京 210033）

错孔布置混凝土连续梁拓宽技术研究

魏海伟1，宗 海2

（1.中交公路规划设计院有限公司，北京 100088；2.南京长江第四大桥有限责任公司，江苏 南京 210033）

以某分离式立交桥为例，对以错孔布置方式进行横向拓宽的连续箱梁桥横向拓宽方案的可行性进行了研究。依据梁格法原理，应用有限元软件Midas Civil 2010建立梁格法模型，着重计算分析旧桥在拓宽前后的内力变化，并以此为依据来进行该桥的横向拓宽可行性分析，可供类似桥梁的横向拓宽方案研究参考。

错孔布置；连续箱梁桥；梁格法；可行性；受力性能

随着交通量的不断增加，我国较早建设的高速公路，出现了严重的交通拥堵现象，影响了道路的通行能力与服务水平，为此不得不考虑建设第二通道或者扩建以缓解日趋紧张的交通压力。高速公路扩建工程中很重要的问题是如何对已有桥梁进行拓宽。国内在高速公路桥梁拓宽技术方面进行了很多研究，尤其是在中小跨径的T梁、I梁和空心板梁的拓宽技术研究上取得了一定成绩，拓宽工艺也逐渐成熟［1］。

但国内高速公路桥梁已拓宽实例中涉及错孔布置混凝土连续梁拓宽结构不多，这种桥型的横向拓宽将使旧桥的受力状态趋于复杂，尤其是旧桥由原先的连续箱梁桥变为边界条件复杂的连续箱梁桥,其力学性能与原有桥梁会有很大的不同，迫切需要对这种错孔布置的桥梁横向拼接问题作一完整的力

1 工程概况

学性能研究,从而对其横向拼接的可行性作出更为合理的评价。本文分析研究了某分离式立交桥的错孔布置横向拓宽可行性问题，通过分析旧桥在拓宽前后内力的变化规律来判断拓宽工程是否可行。

某分离式立交桥位于沂淮高速公路，主线桩号为K6+7 720.06～K14+000。主桥为3孔等截面连续箱梁桥，桥宽27.0 m，净空为5.0 m，如图1所示。

桥梁设计荷载为汽—超20，挂—120；地震基本烈度为8°。桥面铺装如下：先浇5 cm混凝土，涂FYT-I型防水剂，再铺9 cm沥青混凝土。箱梁采用满堂支架现浇法施工，左右半桥跨径不相同。桥梁横坡由箱梁整体转动2%完成，箱梁采用50号混凝土。如图2所示。

图1　 全桥平面布置图（单位：cm）

图2　 箱梁截面（左幅）（单位：cm）

图3　 旧桥拼宽后平面图（左幅）（单位：cm）

2 桥梁拓宽方案

本桥左右两幅为分离式，设计方案采用在每一幅桥的外侧进行拓宽。旧桥单幅宽度为13.5 m，拓宽部分新桥宽度为7.0 m。原桥是单箱双室连续箱梁桥，新拓宽桥梁拟采用单箱单室连续箱梁结构，两者跨径数量一致。由于旧桥与被交道路有一定的斜交角度，因此横向拓宽时新旧桥之间的中支点不可能在同一横断面上，即新旧桥的中支点纵向是错开布置的，同时跨径布置相互错开，形成了错孔布置方式的横向拓宽形式。旧桥左幅跨径为（31.60+40+25.06）m，新桥跨径为（36.25 + 40 + 20.41）m，形成错孔布置的拓宽结构，如图3所示。新旧桥之间采用铰接连接。

图3　 旧桥拼宽后平面图（左幅）（单位：cm）

现选取左半幅进行有限元模型设计来研究拓宽后主梁的受力状态分析，拟采用两个工况进行计算分析：

（1）工况1：建立旧桥受力模型，按照设计要求计算其关键截面的内力值。

（2）工况2：采用梁格法建立新、旧桥拼宽后的整体受力模型。为了分析新旧桥横向拼接完成以后，由于结构形式、边界条件以及各种作用的变化给旧桥截面受力带来的内力影响，着重考虑新桥混凝土收缩徐变、新桥基础沉降、活载作用等对旧桥结构的影响，分析拼接后旧桥的内力变化值［2］。

基于上述力学分析结果，综合判断旧桥在横向拼接前后内力变化是否能够满足规范要求。如果满足要求，表明新旧桥以错孔布置方式进行横向拼接是可行的。

3 计算分析

3.1 拓宽前主梁受力状态分析

拓宽前旧桥模型采用Midas Civil 2010进行计算，应用梁格法进行分析。共建立了381个节点、652个单元，有限元模型如图4所示。

图4　 旧桥有限元模型图

3.2 拓宽前旧桥承载能力极限状态验算

对于拓宽前老桥按老规范进行承载力验算：

（1）活载

设计采用2车道，实际采用3车道进行验算。

（2）附加荷载

非线性温度，拓宽前旧桥按85规范规定，取桥面板整体升降温5 ℃考虑；整体升温，计算体系取升温、降温各20 ℃；支座沉降，旧桥按相邻桥墩0.5 cm的不均匀沉降考虑。

旧桥的验算以主梁为预应力混凝土A类构件进行分析。为便于分析，取旧桥关键截面进行考察，如图5所示。

图5　 验算截面图示

对于旧桥主梁验算，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ 023—85）［3］规定，作用效应组合可分为3种情况：

①组合Ⅰ：汽车—超20级与永久作用效应进行组合；

②组合Ⅱ：汽车—超20级与永久作用效应以及其他可变作用效应进行组合。

③组合Ⅲ：平板挂车或履带车，与结构重量、预加应力、土的重力及土侧压力的一种或几种相组合”。

经比较发现，对于旧桥主梁验算，组合Ⅲ的效应及组合Ⅰ及组合Ⅱ两者中的设计值（两种组合下的最值）相比较小，故取组合Ⅰ及组合Ⅱ进行设计验算。

根据《公路旧桥承载能力鉴定方法》，旧桥承载力须乘以0.9的旧桥检算系数。旧桥弯矩和剪力值如表1、表2所示。

3.3 拓宽后主梁受力状态分析

分析模型采用Midas Civil 2010进行计算，采用梁格法建立新、旧桥拼宽后的整体受力模型。为了分析新旧桥横向拼接完成以后，由于结构形式、边界条件以及各种作用的变化给旧桥的截面受力带来的内力影响，着重考虑新桥混凝土收缩徐变、基础沉降、活载作用等对旧桥结构的影响，分析拼接后旧桥的内力变化值。拓宽后拼接缝采用横梁单元模拟，全桥整体模型共计单元1 283个，节点738个，有限元模型如图6所示。

表1　 拓宽前旧桥弯矩 kN·m

3.4 拓宽后旧桥承载能力极限状态验算

（1）活载

活载：设计采用4车道，实际采用5车道进行验算。对老桥主梁进行验算时考虑图7所示的布置形式。

（2）附加荷载

非线性温度，拓宽结构按《公路桥涵通用规范》JTG D60—2004）［4］桥面板最高温度T1取14 ℃、T2取5.5 ℃，竖向日照反温差为正温差乘以-0.5。拓宽后新旧桥部分的计算体系都取升温、降温各20 ℃。在连接后整体计算时，假设旧桥沉降已终止，新桥按照基础工后沉降量0.5 cm的不均匀沉降进行最不利组合。拓宽后新旧桥连接后整体计算时，假设旧桥收缩徐变已终止，只考虑新桥的收缩徐变对全桥的影响。

表2　 拓宽前旧桥剪力 kN

图6　 拓宽后全桥有限元模型图示

图7　 活载布置方式（单位：cm）

拓宽后旧桥弯矩和剪力值如表3、表4所示。

3.5 拓宽前后主梁内力变化对比和分析

对比拓宽前后弯矩和剪力的变化可知：弯矩变化较大的截面，主要集中在1#支座处、第1跨（4#）、第2跨（9#）处，但拓宽前后这些截面均未超出其承载能力。根据分析，桥墩处截面弯矩的变化主要是由桥墩基础沉降引起，第1跨第2跨（9#）处截面的弯矩变化主要是由活载作用引起，收缩徐变等其他作用影响较小。

表3　 拓宽后旧桥弯矩 kN·m

根据旧桥承载能力极限状态验算结果及内力变化情况对比可知旧桥主梁内力是符合规范要求的，即该分离式立交是可以进行横向拓宽的，但是由于部分截面承载力富余度较小，建议结合旧桥现有使用状态的监测数据，综合判断旧桥是否需要加固补强或者无需采取措施即可进行横向拓宽。

4 结语

由于交通量的持续增长，目前许多已建的高速公路需要进行横向拓宽，相应沿线各座桥梁也需要横向拓宽，错孔布置拓宽后由于结构形式、边界条件以及各种作用的变化，需对旧桥拓宽前后进行承载能力极限状态验算，验算应按照“新桥新规范、老桥老规范”的原则进行。本论文通过对某分离式立交横向拓宽的可行性分析，以研究错孔布置桥梁横向拓宽的可行性分析方法，为类似桥梁的横向拓宽方案研究提供参考。

表4　 拓宽后旧桥剪力 kN

［1］江苏省交通规划设计院有限公司桥梁设计研究所.京沪高速公路（淮安至江都段）扩建工程桥梁拓宽关键技术研究中间报告［R］.2009.

［2］林峰.错孔布置变截面连续梁拓宽结构的研究［D］.南京：东南大学，2011.

［3］JTJ 023—85公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［4］JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范［S］.

Study on Broadening Technology for A Concrete Continuous Beam with Staggered Arrangement

Wei Haiwei1, Zong Hai2
（1. CCCC Highway Consultants CO., Ltd, Beijing 100088, China; 2. Nanjing Yangtze River Fourth Bridge Co., Ltd, Nanjing 210033, China）

This paper studied the feasibility of the broadening scheme of a concrete continuous beam structure with staggered arrangement based on a separated interchange bridge.According to principle of grillage method ,this paper established grillage method model by using finite element software Midas Civil 2010. It emphatically calculated and analyzed the internal force redistribution of the main girder before and after broadening, and then the feasibility analysis of bridge broadening were given. It could provide a reference for similar bridges' broadening plan .

staggered arrangement; continuous box-girder bridge; grillage method; feasibility; mechanical performance

U441+5

A

1672-9889（2016）04-0028-04

魏海伟（1986-），男，山东菏泽人，工程师，主要从事桥梁检测评估、加固设计、结构计算等工作。

2015-09-28）