拓宽改造桥梁整体性能受力分析

□文 /杜国福

随着现代经济的发展，交通量迅速增大，部分桥梁桥面宽度已不符合实际公路等级和交通流量的要求。为适应路线拓宽改建后的公路等级要求，提高桥梁的通行能力，需要将旧桥拓宽扩建。桥梁加宽工程是新旧结构的重新组合，根据新旧桥连接方式不同，拼接方式可分为上下部结构均连接、上部结构连接下部结构不连接及上下部结构均不连接三种形式[1]。受混凝土收缩、徐变、基础不均匀沉降等引起的附加应力作用，拓宽后桥梁结构的受力情况较原结构有较大变化，如处理不当，会造成构件的损坏，影响结构安全。

以采用上部结构连接下部结构不连接形式拓宽改造的某跨径为13 m的混凝土简支板梁桥为例，使用桥梁有限元分析软件对其拓宽施工后新旧板梁结构受力情况进行分析。

1 分析计算内容

分析内容包括：混凝土收缩、徐变作用下新旧板梁结构的变形分析；基础不均匀沉降作用下新旧板梁结构的变形分析。桥梁拓宽后上部结构状况见图1。

图1 新旧桥连接后板梁编号

2 模型建立

建立桥梁实体模型，进行施工及成桥阶段主要截面受力情况计算分析，计算时考虑桥面铺装的共同参与受力作用。空心板梁结构建立以0.15 m为单位的结构有限元模型；下部结构墩柱及盖梁建立3D梁单元模型。桥梁结构有限元模型见图2。

图2 结构有限元分析模型

3 施工阶段模拟

分析按照施工步骤和工程阶段连续进行，主要模拟旧桥修建，新旧桥拓宽连接及拓宽后桥梁运营等情况，具体施工阶段模拟步骤见表1。

表1 模型分析施工阶段情况

4 混凝土收缩徐变作用下板梁结构受力分析

混凝土桥梁横向拼接时主梁的长期效应主要是由收缩徐变引起的。旧梁在使用多年以后混凝土的收缩徐变基本已经完成，而拼接时新梁的混凝土龄期较短，收缩徐变还没有完成，拼接后新梁的收缩、徐变变形受到拼接处的旧梁的混凝土与横向抗剪钢筋的约束作用，必然会引起新旧梁之间内力的重分布[2]。本文主要研究SG1、SG 4和SG 7三个典型阶段新旧梁体结构的竖向变形情况。

4.1 SG1阶段

旧桥板梁跨中截面竖向位移累计上拱值为13.0～15.4 mm，见图 3。

图3 梁体竖向位移分布

4.2 SG4阶段

该阶段新旧结构尚未完成拼接施工，各自单独受力。此时旧桥板梁跨中截面的竖向位移累计上拱值为25.4～29.0 mm，新桥板梁跨中截面的竖向位移累计上拱值为11.1～11.8 mm，其中新旧结构相近两片板梁的竖向位移差值为18 mm。见图4。

4.3 SG7阶段

该阶段新旧结构拼接成一个受力整体并共同运营了10 a。此时旧桥板梁跨中截面的竖向位移累计上拱值为21.5～25.3 mm，较SG4阶段有所下降；新桥板梁跨中截面的竖向位移累计上拱值为18.3～19.6 mm，较SG4阶段有所上升，其中新旧结构相近两片板梁的竖向位移差值为7.2 mm，错位显著降低。见图5。

图5 梁体竖向位移分布

5 基础沉降差作用下板梁结构受力分析

桥梁拓宽的新旧结构基础沉降在运营过程中会存在差异，导致对拓宽结构的受力产生不同影响。假设新旧结构桩基沉降差达到10mm[3]，此时新旧梁体竖向变形差值为12 mm，见图6。

图6 梁体竖向位移分布

6 结论

1）拓宽改造桥梁的新旧结构因混凝土龄期不同，在收缩徐变作用下竖向变形不一致。以本文举例的混凝土板梁结构，施工前期新旧板梁竖向位移差异较大；但随着桥梁的运营，旧结构收缩徐变作用逐步减小以及新旧结构的互相约束作用，其间的变形差异逐渐缩小。经计算分析运营10 a后新、旧结构竖向变形累计差值为7.2 mm且为局部现象，此时对结构整体性能和行车舒适度影响不大。

2）新旧桥基础的沉降差引起的板梁竖向变形在新旧桥拼接段过渡的十分剧烈，易产生局部应力集中，可能造成桥面或梁体局部开裂。故桥梁拓宽改造设计时应对新旧基础的不均匀沉降问题重点关注且在运营过程中加强跟踪观测，及时发现对应位置的开裂情况，采取相应维修措施。