现浇箱梁拼宽桥上部结构受力特性分析

广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东 广州 510507

桥梁拼宽从形式上可以分为两类，一类是在原桥的旁边新建一座桥梁；一类是将原有桥梁的附属结构拆除，然后进行加宽。二者在形式上主要是分离与整体的区别。桥梁拼宽后其整体结构的优点是造价低、占地少，节省资源；缺点是施工过程中会对原桥通行能力造成影响，结构受地基沉降影响较大。桥梁拼宽分离式结构的优点是原桥与新建桥梁各自独立，干扰性较小，地基带来的不均匀沉降影响较小；缺点是资金和物资投入较大，占地较多。两种形式各有优缺点，可以根据项目特点和地形限制以及资金投入等情况进行选择。

1 箱梁拼接形式及受力特性

1.1 箱梁拼接原则

影响桥梁拼宽的因素有很多，如施工期间交通不能中断；新旧结构变形要协调，共同受力；与路基、路面、附属设施等共同施工以确保工期。因此，桥梁拼宽施工时应依据以下原则：（1）新旧桥梁组合后的整体性应满足要求。（2）新旧桥梁的荷载等级应统一，前期准备工作应对原有桥梁进行结构验算。（3）桥梁在建设时应考虑基础形式和地基承载力，原则上采用桩基础；地基土质比较好的时候，基础形式可以和原桥类似或相同，但应保证新桥基础沉降不宜过大，旧桥基础不受扰动，新旧桥拼接后基础工作能够协调[1]。（4）横隔板的强度、刚度都比较高，主要作用是使新旧桥的横向连接更稳定，承担主梁部分荷载。但是横隔梁的柔性较差、变形能力低，在拼接过程中易形成应力集中而发生脆性破坏，因此桥梁拼接部位宜采用边梁形式[2]。另外，新建结构之间可采用横隔板。

1.2 上部结构受力影响因素

（1）拼宽桥与原桥的不均匀沉降。桥梁后期的基础沉降是不可避免的。由于拼宽桥和原桥建造时间的差异，因此会存在沉降差，这也是导致新旧桥不能协同工作的一个主要原因。拼宽T梁桥内力会受到新旧桥沉降差的严重影响，而影响最为严重的是T梁横隔板。在施工过程中应尽量减少桥梁基础的沉降量，如使用桩基础，增大桩长、桩径。施工前应严格进行高强度地基处理，如强夯法、换填地基等。（2）混凝土的收缩徐变。混凝土浇筑完成后本身存在收缩徐变的特性，新旧桥连接部位的混凝土收缩徐变存在龄期差，旧桥混凝土会制约新桥混凝土的收缩徐变，从而导致新旧桥连接部的受力情况发生改变，使附加应力增大[3]。因此，在拼接时应充分考虑新旧桥混凝土的龄期差。

2 偏载系数计算分析

2.1 工程概况

文章所依据的工程是某地区改造工程中某拼宽桥，全桥长为48.5m+70m+40.5m，建成后桥宽57.5m，设计车速为40km/h，人群荷载为2.9kN/m2；原桥结构为单箱双室，新桥结构为单箱单室。新桥长为48.5m+70m+40.5m单箱单室的连续箱梁结构，各个截面参数如表1所示。

表1 箱梁参数 单位：m

2.2 粱格模型建立

文章利用Midas Civil建立桥梁模型（如图1所示），然后对必要验算节点进行计算，并对截面参数进行修正。

图1 桥梁模型

2.3 偏载系数分析

偏载作用下，截面出现的最大应力值和平均应力值的比称为应力增大系数；相同推理下可得出挠度增大系数。桥梁的偏载系数就是通过这两个系数得到的。桥梁的控制截面如图2所示。

图2 桥梁控制截面

（1）通过建模分析计算可以得到，新桥在拼接前截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅲ-Ⅲ的挠度偏载系数分别为1.11和1.0；铰接后，截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅲ-Ⅲ的偏载系数分别为1.05和1.03；刚接后，截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅲ-Ⅲ的偏载系数分别为1.05和1.02。因为截面Ⅱ-Ⅱ是支座截面，所以忽略挠度偏载系数的影响。由计算结果可得，无论是铰接还是刚接，桥梁的刚度均有不同程度的提高，桥梁的偏载系数也有所降低，这样可以减少资源的消耗[4]。该节挠度偏载系数取值为1.12。

（2）通过建模分析计算可以得到，新桥在拼接前截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ的应力偏载系数分别为1.15、1.15和1.13；铰接后，截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ的应力偏载系数分别为1.1、1.12和1.04；刚接后，截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ的应力偏载系数分别为1.09、1.12和1.03。由计算结果可得，无论是铰接还是刚接，桥梁的刚度均有不同程度的提高，桥梁的应力有所降低，偏载系数也随之降低。为满足结构承载力的要求，应力偏载系数取值为1.15。

3 基础沉降对拼接箱梁的影响

通过参考沉降量的取值将新旧桥的沉降差初定为10mm，通过这种方法分析沉降量对拼宽桥所产生的内力分布的影响，利用上文中梁格法建立的模型对如下工况进行分析：工况一为新桥一端刚接，工况二为新桥两端刚接。

当只有第一种工况作用时，通过Midas Civil的受力分析以及桥梁的受力特性可知，工况一作用下产生的附加内力主要是剪力和弯矩，横桥向的内力较小，忽略不计。通过模拟结果的分析可得如下结果：（1）新桥基础发生一端沉降时，新旧主梁的内力数值变化大致相同，且内力最大值出现在发生了沉降的支座处。内力分布由支座向两端呈递减趋势，直至另一支座处接近0。（2）工况一条件下新桥的基础会发生不均匀沉降，此时会对桥梁产生附加内力，而这部分内力主要由接缝位置处的内边梁分担，一小部分由外边梁和中梁分担，因此在进行全梁的受力分析时应进行内边梁的剪力和弯矩验算，以保证桥梁的承载力和稳定性。（3）通过模型数值的分析可以看出在离拼宽较远的一侧，新桥的主梁承受的弯矩和剪力的数值较大，原桥的主梁则承受较小的弯矩和剪力，这种现象说明拼宽桥上部结构中基础沉降差异对新桥的影响远大于旧桥[5-8]。

当只有第二种工况作用时，通过Midas Civil的受力分析以及桥梁的受力特性可知，工况二作用下产生的附加内力主要是剪力和弯矩，横桥向的内力较小，忽略不计。通过模拟结果的分析可得如下结果：（1）新桥基础发生两端沉降时，新旧主梁的内力数值变化大致相同但是方向相反，内力最大值出现在发生了沉降的支座处。内力分布由两端支座分别向两侧递减。（2）工况二条件下新桥的基础会发生不均匀沉降，此时会对桥梁产生附加内力，而这部分内力主要由接缝位置处的旧内边梁分担，一小部分由外边梁和中梁分担，因此在进行全梁的受力分析时应进行内边梁的剪力和弯矩验算，以保证桥梁的承载力和稳定性。（3）通过模型数值的分析可以看出在离拼宽较远的一侧，新桥的主梁承受的弯矩和剪力的数值较大，原桥的主梁则承受较小的弯矩和剪力，这种现象说明拼宽桥上部结构中基础沉降差异对新桥的影响远大于旧桥[9-11]。

4 结论

文章通过对箱梁拼宽桥上部结构进行分析得到以下结论：（1）桥梁拼宽桥上部结构的受力主要是由原桥与新建桥梁基础的不均匀沉降以及混凝土自身的收缩徐变引起的。（2）通过对拼宽桥梁进行建模分析可知，在设计时拼宽桥的挠度偏载系数取值可取1.12，应力偏载系数取值可取1.15，此时可达到节省资源的目的，满足承载力要求的特性。（3）通过对工况一和工况二的模型进行数值分析可以得出结论，拼宽桥上部结构中基础沉降差异对新桥的影响远大于旧桥。