小箱梁桥旧桥加宽受力特性研究

魏 伟

(山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032)

1 研究背景及现状

近年来，国省干线公路作为重要的运输通道，通行大量重型车辆且日益增多，同时由于各种因素的存在，桥梁自身也会有较多的病害，且难以恢复，降低了其承载能力，减少服役年限，也会有相当大比例的桥梁无法满足现阶段的使用要求，一些老旧桥梁已经成为运输通道上的瓶颈，这就需要我们将较窄的旧桥进行拓宽，科学合理的对桥梁加宽改建，以满足通行要求。许多道路都面临着改扩建、提升技术等级、增加通行能力的问题，山西省太原环城高速拓宽改造等项目已经开始实施，黎城县(冀晋界)至长治公路改扩建工程等项目已经建成通车，还有多条高速公路在未来几年即将实施。

目前，国内外桥梁学者对于混凝土梁桥的拓宽有了较多的研究和探索，根据各个实际工程进行监控量测而后提出了不同的理论，同时也在工程实践中进行了验证。然而不同学者针对同一个因素得出的结果不尽一致，甚至相反的结论，这也导致广大桥梁设计人员在进行加宽设计时面对类似问题没有确切的理论依据。且绝大多数学者所做研究均是针对某座特定形式的桥梁，所得结果也仅能适用于该桥梁。然而旧桥加宽情况各异、条件复杂，行业内没有一套完整的针对不同桥型、不同跨径、不同上部结构形式的设计理论和参考依据。此外在公路桥梁加宽设计中须考虑的因素较多，目前的研究成果尚不能较好的指导设计。

2 工程概况

该桥型结构为3×20 m钢筋混凝土小箱梁，全长65 m，梁高1.2 m，下部结构桥台采用柱式台，桥墩采用柱式墩，桩基采用钻孔灌注桩基础，平面位于直线上，纵断面纵坡0.31%，桥面铺装为10 cm沥青混凝土+10 cmC50混凝土铺装。

(1)设计荷载：公路-Ⅰ级；

(2)桥面结构：0.5 m(防撞护栏)+11.5 m(原桥桥面净宽)+4.7(加宽桥桥面净宽)+0.5 m(防撞护栏)=17.2 m；

(3)结构重要性系数：1.1。

3 模型建立分析

小箱梁新旧桥上部结构拼接的方式有：湿接缝连接；新旧桥之间预留约2 cm的工作缝，通过预埋钢板连接；横隔板链接等。本次梁格模型的建立是基于上述工程实例，在原桥基础上采用湿接缝连接的方式分别进行加宽两片梁、三片梁收缩对新旧桥接缝处剪应力以及接缝处主梁应力的影响，分析在时间发展上的规律性，主要分为存梁60 d、90 d、120 d、180 d四种情况。

在本次设计中梁宽2.4 m，按新标准计算。该模型采用MADIS 2012进行计算，原桥四根主梁，主梁划分主要依据为各纵梁的中性轴同原桥梁整体截面的中性轴尽量重合。主梁抗扭刚度采用汉勃利《上部构造性能》一书理论进行修正。在一般梁段以虚拟横梁相连，虚拟横梁间隔为1 m左右，虚拟横梁截面高度取翼缘板的厚度，截面宽度同虚拟横梁的数量和间距有关，并将虚拟横梁的自重系数调整为0.20 m小箱梁加宽两片梁，共1 294个节点，1 692个单元(包括梁单元和板单元)。模型的建立情况见图1所示。

图1 20 m小箱梁加宽两片梁模型

4 受力分析

4.1 荷载横向传递规律分析

对于拓宽结构，其可以采用多种连接形式，不同的连接形式也会导致荷载的传递规律也大相径庭，由此可知对拓宽桥梁的内力传递的计算总结具有实际的指导意义，不同位置荷载横向传递的计算采用指标也不相同。本次计算以20 m小箱梁加宽两片梁为例。

小箱梁通过采用不同横梁个数来模拟不同连接刚度进行加宽，根据设计中实际可行方案确定横向联系的横梁个数分别为1个和3个，然后提取汽车荷载作用下各个梁的挠度。根据公式(1)可得各个主梁横向分布系数。

(1)

式中：mi为横向分布系数；fi为主梁挠度；EI为主梁抗弯刚度；n为车道数与横向折减系数的乘积。计算结果见表1及图2所示。

通过计算结果可以看出，加宽后的原结构各个主梁横向分布系数有明显减小，这可以理解为加宽后车道数增加引起上部活载增加，新增主梁承担了较多荷载。

表1 20 m小箱梁加宽两片梁

图2 20 m小箱梁加宽横向分布系数变化规律图

4.2 有限元分析

20 m小箱梁加宽两片梁、三片梁收缩对新旧桥接缝处剪应力以及接缝处主梁应力的影响，分析在时间发展上的规律性，主要分为存梁60 d、90 d、120 d、180 d四种情况。

(1)拼接处的纵向应力分析

图3 20 m小箱梁加宽两片梁4#梁顶应力

图4 20 m小箱梁加宽两片梁5#梁顶应力

图5 20 m小箱梁加宽三片梁4#梁顶应力

图6 20 m小箱梁加宽三片梁5#梁顶应力

从上图不同加宽梁片数的变化趋势可以得出：时间间隔越短进行接缝连接，各种不利因素的影响越大，在新旧桥边梁产生的应力越大；时间间隔越久进行接缝连接，会大大降低不利结果。

(2)拼接处的剪力分析

图7 20 m小箱梁加宽两片梁

图8 20 m小箱梁加宽三片梁

从图8不同加宽梁片数的变化趋势可以得出：拼接处的剪力均随着时间的增大而变小，剪力减小会降低新旧桥拼接后在接缝处产生裂缝的风险。

5 结 论

(1)收缩以及徐变产生的影响是随时间变化而渐渐产生，从我国现行的公路桥规可以看出收缩、徐变变化遵从混凝土龄期越小发展越快的规律，整体曲线类似指数函数。收缩徐变在初始阶段发展迅速，以后随时间发展收缩徐变的速率开始减小，因此新旧桥对连接的时间点较为敏感。旧桥拼宽

后的结构受力状态对连接时间点的相关性很高。同时时间因素从施工便利性、经济性及技术难易程度等方面均有较大优势。基于以上原因考虑，对新旧结构的连接时间与工期进度进行分析，寻找最合理的平衡点，将收缩、徐变对结构的不利影响降到最低。

(2)不同的时间连接点对结构的内力有较大的影响，但其变化规律相一致。从不同加宽梁片数的计算数据统计分析可以得出，在三个月至半年的时间间隔内进行接缝连接较为合适，如果通车时间允许，应尽量延长接缝的连接时间，拼接处的拉应力和剪应力随之减小，收缩徐变对旧桥的内力的不利影响也相应降低。

(3)从横向分布数据可以看出，中横梁个数的增加并没有对横向传力体系作出明显贡献，这点可以避免在中小跨径箱梁(20～35 m)结构形式的桥梁进行加宽时盲目增加横梁个数，造成设计及施工的不便。通过计算可以看出加宽后的原结构各个主梁横向分布系数有明显减小，旧桥加宽大部分情况需要提高荷载等级，新增梁片分担旧桥荷载符合旧桥加宽要求。