混凝土连续箱梁桥错孔拓宽新旧桥翼缘板受力性能分析

■丁自明

（苏交科集团股份有限公司，南京 210019）

1 工程概况

本桥位于武进市遥观镇坊前村南侧，是常州市东西向干线公路上的一座桥梁，其跨径布置为23+30+30+30m，于2004年建成通车。桥梁上部结构采用单箱双室预应力混凝土箱梁，单幅桥宽13.5m，梁高1.55m；下部结构为柱式墩。桥梁采用斜桥正做、错孔反对称布置的方式跨越被交道，与被交道路的交角为39°09′。

本次改扩建中，拟采取错孔布置桥墩的新桥跨径为32.62+33+26+21.38m，单幅拓宽至20.5m。错孔跨径和支墩的平面布置及断面情况分别如图1、图2所示。

图1 采用错孔拓宽的混凝土桥梁平面布置（单位：cm）

图2 混凝土箱梁拓宽时标准节段断面尺寸图

2 拼宽方案研究

混凝土箱梁的错孔拓宽，使桥梁结构受力十分复杂。拓宽后使新桥的部分跨径增大，新、旧桥之间的荷载传递规律复杂[1][2]。

为了解新旧桥横向拼接方式对旧桥翼缘板受力的影响，需对新旧桥翼缘板刚接/铰接方案分别进行研究。通过建立两种拼接方式的理论力学模型，4m标准节段以及全桥模型等不同维度模型来分析旧桥拼接翼缘板受力情况，了解刚性连接和铰接拼接方案的不同受力规律。

3 拼接方案对节段受力影响分析

采用Abaqus通用有限元软件建立纵向长度为4m的实体单元梁段空间模型，考虑到局部分析关注翼缘板的受力情况，该模型的边界条件为箱梁腹板底部设为简支条件。翼缘板接缝位置新旧桥翼缘端面采用TIE技术连接为整体；当采取铰接方案时可径直简化为端面中间连线绑定。其模型示意图如图3所示。

图3 标准节段受力分析模型示意图

3.1 新桥发生沉降时翼缘板受力分析[3]

为了揭示新桥沉降下翼缘受力规律，研究旧桥在更不利情况下新桥发生统一沉降下的应力分布情况，可根据标准节段模型进行受力分析。

（1）新桥沉降时刚性连接翼缘板局部受力分析

采用TIE技术将新旧桥翼缘板端面连接之后，新旧桥梁段模型形成一个刚性整体结构。该模型的新桥梁段发生5mm沉降后发生明显下沉，最大的竖向位移是-5.125mm，如图4所示。

图4 混凝土桥新梁沉降时竖向位移云图（单位：m）

在新、旧桥翼缘板根部相应也产生了拉应力区，其等效应力最大值为7.088MPa。

对于旧桥梁段翼缘板部分，位移沉降使翼缘板根部上端产生局部拉应力区，最大为5.645MPa，其剪切应力最大为1.298MPa。

（2）新桥沉降时铰接拼接翼缘板局部受力分析

采用TIE技术将新旧桥翼缘板端面中线连接之后，新旧桥梁段模型翼缘板拼接部分形成一个铰接构造。该模型的新桥梁段发生5mm沉降后新桥箱梁整体发生明显竖向位移，最大为-5.334mm，如图5所示，翼缘板发生明显变形。

图5 混凝土桥新梁沉降时竖向位移云图（单位：mm）

在新、旧桥翼缘板根部产生了较大范围的应力，其等效应力最大值为6.966MPa。

对于旧桥梁段翼缘板部分，沉降使翼缘板上端产生较大范围的拉应力区，最大为5.866MPa，很可能使旧桥翼缘板产生批量纵向裂缝，这也说明新桥沉降在局部受力分析中起控制性作用。另外，旧桥翼缘根部也承受较大剪应力。

（3）对比分析

对比混凝土箱梁新旧桥拼接翼缘板应力分布，详见图6，刚接/铰接两种方案时拼接翼缘板上、下表面正应力比较接近。在新桥发生5mm沉降作用下，旧桥翼缘板根部产生较大的正应力，超过了混凝土开裂应力的限值，如果沉降发生，旧桥翼缘板根部必定批量出现纵向开裂现象，影响行车使用性能和安全性。

图6 （a）混凝土梁拼接翼缘板上表面的正应力分布情况

图6 （b） 混凝土梁拼接翼缘板下表面正应力分布情况

3.2 车辆荷载轮压下翼缘板的局部受力分析[4]

对于混凝土连续箱梁桥，翼缘或者是拼接后的中间顶板是直接承受汽车轮压作用的承重结构，在构造上是拓宽后新旧桥梁整体结构的组成部分，又将汽车荷载传给箱梁部分，保证了新旧箱梁的整体作用。

通过Abaqus通用有限元软件建立纵向长度为4m的实体单元梁段空间模型，考虑到局部分析关注翼缘板的受力情况，模型的边界条件模拟为箱梁地面局部为简支条件。将车辆荷载后轴轮压作用于接缝位置中心，按公路桥涵设计通用规范计取车辆荷载后轴重力标准值2×140kN，考虑铺装层厚度计算板上荷载压力面的尺寸为0.4m×0.8m，如下图7所示。拓宽后计算中间顶板内力的冲击系数取0.3。

（1）刚性连接时翼缘板局部受力分析

在局部轮压荷载工况下，车辆荷载后轴轮压区域发生明显的变形，最大的位移是0.13mm。在翼缘板接缝位置相应也产生了应力集中区，其最大值为1.062MPa。

对于旧桥梁段翼缘板部分，车轮压力作用使翼缘板接缝位置下表面产生局部拉应力区，其最大拉应力不超过0.96MPa。

（2）铰接拼接时翼缘板局部受力分析

在局部轮压荷载工况下，汽车轮压区域发生相应下沉，最大的位移是0.28mm。在新、旧桥翼缘板根部均有近似对等的应力集中分布区域，等效应力最大值为0.936MPa。

图7 车辆后轮荷载布置横截面图和平面图（单位：cm）

对于旧桥梁段翼缘板部分，车辆荷载后轴车轮压力作用使翼缘板上端产生较大范围的拉应力区，其最大剪切应力为0.86MPa。

（3）刚接和铰接方案在局部受力情形对比分析

混凝土连续箱梁桥翼缘板拼接构造的不同明显影响翼缘板和接缝位置的应力分布和变形情况。对于运营期达十多年的旧桥梁段翼缘板，轮压作用下翼缘板根部上端区域将会承受一定程度的拉应力。刚接和铰接两种拼接构造在该区域上下表面的截面正应力变化幅度见图8和图9。

图8 翼缘板截面上表面横向正应力分布对比分析

图9 翼缘板截面下表面横向正应力分布对比分析

汽车轮压作用下，采用不同构造方案拼接后的桥面板将会发生不同程度的下挠，如图10所示。

图10 拼宽后翼缘板竖向位移对比分析

在拓宽中采用刚接方案拼接的情形，汽车轮压作用下在翼缘板接缝位置底部会出现一定范围的拉应力区，旧桥的翼缘板其他部位的应力水平较低和变形也小，在翼缘板根部顶端的拉应力区最大值为0.38MPa。而对于采用铰接情形，汽车轮压作用下在翼缘板上部靠近根部范围内出现较为显著的拉应力区，最大为0.62MPa，其变形也相对较大。

对于运营期达10多年的旧桥梁段翼缘板，轮压作用使翼缘板根部上端产生局部拉应力区，该区域若拉应力过大，则会有使桥面板产生纵向裂缝的风险，所以在选择横向拼宽构造方案时应需谨慎。

3.3 新桥沉降与车辆荷载组合作用局部受力分析[5]

桥梁拓宽完成后，箱梁翼缘板往往需承受新桥沉降与车辆荷载的组合作用。

翼缘板上、下表面正应力通过组合后，沉降作用对于拼接翼缘板受力影响非常明显，旧桥翼缘板根部上表面所受拉应力主要来自于新桥梁段发生沉降5mm。由于模型选取中间典型位置拓宽方案分析，刚接和铰接方案在该位置的拉应力接近，超过了混凝土开裂应力的限值。而在组合轮压荷载作用时，刚接/铰接方案的差异会对箱梁翼缘有一定程度的影响。

因此，采用混凝土箱梁拓宽既有桥梁技术中，对于将翼缘板的拼接缝设在中间位置的情形，翼缘板上表面所受的截面正应力较为接近，起主导作用的新桥沉降作用使旧桥翼缘根部承受水平接近的横向拉应力，有使产生混凝土翼缘板根部上表面产生纵向裂缝的可能。

图11 翼缘板上表面组合正应力分布情况

图12 翼缘板下表面组合正应力分布情况

4 拼宽方案对全桥整体受力分析

4.1 混凝土箱梁拼宽全桥有限元分析模型

分析采用MIDAS fea有限元软件建模计算，混凝土箱梁部分（C50）采用实体三维单元建模。全桥网格尺寸大小控制在20cm范围，共建立68363个节点，16582个单元。

图13 混凝土箱梁拓宽几何模型模型总体示意图

图14 模型底面支座布置示意图

划分网格后，通过分割接缝中心位置上下点的节点，可以实现铰接构造。

4.2 新桥沉降工况下两种构造拼接受力对比分析

根据拓宽新桥实际工程经验，在计算基础沉降差时，靠拼接缝越近，受旧桥约束影响越大，沉降值相对减小。在新桥沉降的同时，旧桥基础受力增加，有可能发生微小沉降，本文暂不予考虑。对于新旧桥沉降模式的确定做以下假设：

（1）假设新旧桥梁的基础沉降差为定值，不随时间发生变化；

（2）认为经过10多年的沉降，旧桥不发生沉降；

（3）拓宽后桥梁新旧基础沉降差仅考虑新桥发生沉降，且横向按照线性沉降模式。

旧桥原有悬臂2.5m，切除1m后，与新桥翼缘湿接。在沉降作用下悬臂翼缘截面上缘受拉，下缘受压，其全桥和翼缘受力情况见图15。

在沉降工况下，刚性连接构造形式的拼接翼缘板拉应力值大于铰接方案。旧桥两端边墩附近的上翼缘拉应力最大，接近3.2MPa，新桥拼接侧下翼缘根部受到最大拉应力，约为3.5MPa，在新桥设计时需要注意此处的抗拉设计。

图15 两种方案应力分布图

4.3 车辆荷载工况下两种构造拼接受力对比分析

原桥横向拓宽后，翼缘车道位置发生改变，使拼接翼缘承受汽车荷载作用。车辆荷载作用于桥梁结构的局部（旧桥拼接翼缘部分），按照老规范规定选用挂车荷载作为可变作用，不考虑温度作用、收缩徐变作用以及基础变位等作用。车辆布置位置见图16。通过计算可知此时布置时旧桥悬臂上翼缘所受拉应力最大。在车辆作用下悬臂翼缘上缘受拉为正，下缘受压为负。

在车辆荷载工况下，由表1可以看出，两种方案翼缘板上表面均出现拉应区，且最大值发生在旧桥翼缘板根部。同时，铰接和刚接对旧桥拼接翼缘的影响程度又有一定的区别：混凝土箱梁翼缘板采用铰接形式连接时，旧桥翼缘上表面出现较大范围的拉应力区，而且造成上翼缘拉应力比刚接大约15%～25%左右，特别是在单独支座处，其影响程度出现较大的差异。

图16 局部车辆荷载布置平面图

表1 局部车辆作用下旧桥拼接翼缘最大拉应力对比表

4.4 拼宽后满布车道荷载对旧桥拼接翼缘影响

旧桥拼宽后，车道数增加，在空间上新旧桥协同作用。考虑以下三种活载工况下，旧桥拼接翼缘的受力：①旧桥三车道满载；②新桥两车道满载；③全桥五车道满载。

通过计算可知，无论采用横向哪种连接方式，工况3作用下，旧桥拼接翼缘根部出现横向最大拉应力 （铰接1.31MPa、刚接 1.24MPa）。

无论采用横向哪种连接方式，工况1、工况3在旧桥拼接翼缘下表面造成最大横向拉应力（刚接1.24MPa、铰接1.31MPa），工况2在旧桥拼接翼缘上表面出现最大横向拉应力（刚接 0.94MPa、铰接 0.87MPa）。

活载作用下，铰接/刚接时，旧桥应力云图接近，即横向连接方式对应力分布影响较小。

对比各工况下旧桥拼接翼缘最大横向拉应力，工况1，铰接大于刚接，差值为0.05MPa，相差5%；工况2，刚接大于铰接，差值为0.07MPa，相差8%，工况3，铰接大于刚接，差值0.07MPa，相差5.6%。总体上刚接比铰接时横向传力较多，有利于新桥分担更多荷载。

综上，活载作用下，两种连接方式中，旧桥翼缘横向应力分布规律接近，但铰接对旧桥拼接翼缘受力更不利。全桥五车道活载为最不利工况，造成旧桥拼接翼缘的横向拉应力最大值为1.31MPa。从旧桥翼缘受力有利角度，宜采用新旧桥刚接。

5 结论

通过两种方案的分析比较，可以得出以下结论：

（1）沉降作用对刚接/铰接两种方案箱梁拼接翼缘板的受力情况影响比较明显。而轮压局部荷载作用下的翼缘板的受力水平相对较小。

在新桥沉降工况下，新旧桥错孔布置使边跨支座位置截面的旧桥翼缘根部上表面产生较大拉应力，在桥梁拓宽设计时应予以关注，提出相应加强措施。基础不均匀沉降差对翼缘板的影响主要集中在两个支点截面位置，尤其是边跨支点截面。基础不均匀沉降差作用下，旧箱梁翼缘板根部上缘与新箱梁翼缘板根部下缘位置处于受拉状态，拉应力较大，应作为计算控制截面。

（2）采取部分截短旧桥翼缘板技术对旧桥翼缘板根部受力产生有利影响。刚接/铰接方案新桥发生沉降，截短旧桥翼缘板能明显减小铰接方案翼缘板根部的弯矩和剪力值。局部轮压作用下截短旧桥翼缘板会使刚接方案的内力值小于铰接方案，但是经两种作用荷载组合后不起控制作用。

（3）当拼接翼缘板跨中设置铰接构造时，新桥沉降作用下旧桥翼缘板根部上下表面正应力与刚接方案相比较为接近。

在局部轮压作用下，采用中间设铰方案时在翼缘板上部靠近根部范围内出现较为显著的拉应力区，其变形也相对较大。而汽车轮压作用下采用刚接方案拼接在翼缘板接缝位置底部会出现一定范围的拉应力区，旧桥的翼缘板其他部位的应力水平较低和变形也小，在翼缘板根部顶端的拉应力区最大值为0.38MPa。

对于运营期达十多年的旧桥梁段翼缘板，轮压作用使翼缘板根部上端产生局部拉应力区，该区域若拉应力过大，则会有使桥面板产生纵向裂缝的风险，所以在选择横向拼宽构造方案时应需谨慎。

[1]魏海伟.混凝土连续箱梁桥错孔拓宽后结构的力学性能研究[D].南京：东南大学硕士学位论文，2013.

[2]赵力国，房佳苹，顾大鹏.基于连续箱梁桥错孔拓宽方式拼接内力分析[J].山西建筑，2016（16）：194-196.

[3]陈娣，刘斌.塘河大桥加宽改造技术方案研究[J].现代交通技术，2007（4）：52-55.

[4]项海帆.高等桥梁结构理论[M].北京：人民交通出版社，2001.

[5]中华人民共和国交通运输部.JTG D60-2015，公路桥涵设计通用规范[S].北京：人民交通出版社，2015.