T梁结构旧桥拼宽受力分析

张飒

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 概述

本项目为立交桥梁新旧桥拼接项目，旧桥下部结构为墩柱接盖梁结构，上部结构为T梁。新桥设计与旧桥相同。

新桥实施时，旧桥处于施工阶段，上部结构已完成架梁，交安设施、景观绿化暂未施工。

本文主要研究内容为新老桥拼接部位的安全性、扩建之后新老桥标准T梁之间的互相影响，以及结构在静力作用下的稳定性。

新旧桥采用的材料相同，具体如下：桩基础采用C30水下混凝土，桥墩承台、桩间系梁采用C30混凝土，柱式墩盖梁、立柱、柱间系梁采用C35混凝土，预应力主梁采用C50混凝土，新老桥连接湿接缝及横隔板采用C50钢纤维补偿收缩混凝土。桥面铺装找平层采用C50现浇混凝土。

桥面铺装为100 mm沥青混凝土+100 mm混凝土。

2 设计荷载

（1）恒载：结构主体及附属结构恒载均按照实际重量计入；

（2）活载：汽车：公路 -I级。

稳定计算时，汽车荷载在最不利加载位置，按等效静力荷载添加。

（3）风荷载：依照《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01—2018）进行取值。

（4）不均匀沉降

考虑因扩建带来的新旧桥之间的横向不均匀沉降及新旧桥之间1 a的建设时间差，新旧桥之间按横向3 mm的不均匀沉降考虑。

具体的沉降模式为：由于盖梁的存在，新桥的T梁应同时发生沉降，故沉降取值为：横向沉降新桥的几片梁同时沉降，纵向取单墩沉降、两墩沉降、三墩沉降几种分别进行组合，取其最不利结果。

3 上部结构分析

3.1 结构概况

上部结构计算选取拼接较多的一联进行分析。原桥跨径组合为3×29.5 m，梁高为2 m，横向布置为单幅5片T梁组合，扩建桥梁第一、二、三跨分别拼接3、2、2片T梁，拼接后变为一跨8片T梁+两跨7片T梁组合，其中第一跨拼接一片简支T梁，其余两片T梁为简支变连续结构。施工方式均为简支变连续。总体布置见图1。

施工步骤为：原桥施工→原桥各片T梁进行横向、纵向连接→原桥徐变1年→扩建桥梁预制T梁架设→扩建部分进行横向、纵向连接→张拉扩建部分负弯矩钢束→拆除扩建部分临时支座→扩建部分铺设调平层、安装护栏→原桥去除铺装、部分调平层等→原桥与扩建部分进行连接→铺设剩余调平层及铺装→整体徐变10 a。

图1 桥梁总体布置图（单位：mm）

3.2 模型简介

为了研究拼宽后对T梁的影响程度，对原标准T梁以及拼宽后的桥梁分别进行计算。

采用WiseplusV4.1.0软件、六自由度空间网格模型进行全桥建模计算。全桥模型见图2。

图2 全桥网格模型

为考察空间效应，横向分为多道纵梁，见图3，各道纵梁之间以虚拟横梁连接，横梁仅计入结构，不计入自重。在横隔板位置，采用相应单元进行连接。支座刚度按照实际选取。

图3 横向纵梁划分图

3.3 计算结果对比分析

（1）总体对比

经过计算，得到标准T梁与扩建后结构不同部位的内力差别见表1。

由表1可知，扩建后，结构内力与标准T梁相比有明显增加，尤其以横隔板处最为明显。此种变化主要为扩建部分不均匀沉降所导致，并且在边支点、中支点位置横隔板效应明显大于其他位置。

沿纵向四道横隔板在扩建前后弯矩变化见图4。

图4 沿纵向四道横隔板在扩建前后弯矩变化图

可见在扩建前后，横隔板处弯矩值增加了200～1 000 kN·m。

（2）支座脱空分析

定性分析可知，新桥沉降工况，会导致老桥的加载和新桥的卸载。考虑到新老桥之间存在1 a的龄期差异，按新桥整体沉降3 mm考虑，将该工况支座反力与成桥工况支座反力叠加，可以发现如图5所示黑圈处支座会出现负反力，即新拼宽桥梁与老桥相接处的T梁，中支座可能出现支座脱空现象。

图5 可能发生脱空的支座位置示意图

表1 标准T梁与扩建后桥梁不同部位内力对比

因此，在运营过程中应进行沉降观测，当发现新老桥之间的不均匀沉降超过3 mm时，需采取顶升措施以消除沉降过大对结构安全造成的隐患。

（3）纵向效应结果对比

扩建后桥梁最宽处共有八片T梁，其中一片为单跨简支T梁，其余均为三跨连续T梁。为了分析扩建部分对T梁结构的影响，对扩建后的T梁进行编号，具体见图6。

图6 T梁编号示意图

主梁各道纵梁计算结果对比见图7，其中成桥状态标准T梁为建成10 a后，扩建结构为扩建部分建成10 a后；荷载组合考虑施工、梯度温度、扩建部分沉降、汽车荷载等多种工况频遇组合值。

图7 横桥向各片T梁扩建前后标准组合下应力对比图

从图7可以看出，与扩建后的结构相比，原桥各片T梁之间受力更为均衡。扩建后，各道T梁之间应力分配不甚均匀，与原桥相比存在1～3 MPa的差值，其中原桥与扩建部分交接处最为不利。

造成这种差别的主要原因有：新老桥之间存在1 a左右的龄期差异；简支梁、连续梁相接等造成扩建部分结构较为复杂等。

4 整体稳定性分析[1-4]

4.1 结构概况

在其他边界条件相同的情况下，桥梁整体的稳定性与自由长度息息相关，因此，选择墩高最高的一联进行全桥稳定计算。该联为3×30.5=91.5 m，上部结构老桥为5片T梁，新桥拼接2片T梁。老桥下部为双柱墩，桩基直径1.8 m；新桥下部为单桩独柱墩，桩基直径2.2 m。

4.2 模型简介

为分析扩建后桥梁稳定性的变化及不同连接方式对扩建桥梁整体稳定性的影响，本文分以下四种工况分别进行计算，每种工况下分别考虑横桥向风荷载和顺桥向风荷载两种情况，见表2。

表2 不同工况模型概况表

采用 MIDAS CIVIL（2019）建模分析，主梁、盖梁、桥墩及桩均采用梁单元进行模拟，单元截面按实际情况选取。每片T梁下按照板式支座支承条件约束，桩侧采用土弹簧约束，桩底固结。

4.3 计算结果对比

四种工况下桥梁结构稳定性计算结果见表3、表4。

由以上计算结果可见，工况3（扩建桥梁工况—新老桥上下部均连接）下，结构的稳定性与新桥独立工况相比提高了50%，若去掉下部结构之间的连接（即工况4），结构整体的稳定性有所下降，因此设计中宜采用新桥老桥上下部连接的方式来加强结构整体的稳定性。

5 结 论

由以上分析可见，对于预制T梁结构，如果发生横向拼宽，并且拼宽部分与原桥横向连为整体，那么扩建工程对于结构受力有着较为明显的影响：

表3 纵桥向风荷载作用下不同工况稳定性计算

（1）对于桥梁横向，扩建部分沉降会使得支点位置横隔板内力显著增大，几乎为标准梁中横隔板内力的两倍左右；

（2）当新老桥之间发生不均匀沉降时，扩建T梁靠近老桥的一片T梁中支点支座可能出现脱空现象；

（3）由于龄期差异和扩建部分沉降的影响，会导致各道T梁间的内力分布不均衡，从而导致新老桥交接部位T梁受力较为不利。

因此，在结构设计中应对以上提到的不利位置予以着重考虑，并且布置拼宽桥梁沉降观测点，如扩建结构在运营过程中与老桥之间发生较大不均匀沉降时，需采取顶升应对措施以消除沉降过大对结构安全造成的隐患。

表4 横桥向风荷载作用下不同工况稳定性计算

从全桥稳定的角度考虑，为保证扩建结构的整体稳定性，应对新老桥的上下部结构均采取有效的连接。