拓宽桥混凝土收缩徐变及基础沉降的影响分析

许 刚

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

引言

随着国民经济的不断发展，大量市政道路桥梁的桥面宽度已不能满足通行量的要求，同时，我国道路交通运输路线冗杂，大多运输路线都有桥梁，若重建荷载标准更高、桥面更宽的桥梁则需耗费巨资，且耗时影响通行能力，而对既有道路桥梁进行加宽加固不仅能降低成本投入，还能够缓解交通运输压力［1-2］。桥梁拓宽一般是在尽可能保留既有桥梁主体结构的基础上，根据设计意图新建一座桥梁与原桥拼接组合。常用的拼宽模式有三种，即上下部均不连接、上下部均连接、上部连接下不部连接。

1 工程概况

因国道208 改建，在长治市余庄村附近设置枢纽连接迎宾大道，需要将迎宾大道上的一座既有桥架进行双侧拼宽，见图1。原桥上部结构为3 ～30 m装配式预应力混凝土连续箱梁，梁高1.6 m；桥梁下部结构采用双柱式桥墩，基础采用Φ1.5 m 钻孔灌注桩。设计中遵循“同结构、同跨径”的设计原则，采用上部结构连接，下部结构不连接的拼宽方式。

图1 拓宽后的桥梁横断面/cm

2 计算模型的建立及单元划分

采用有限元软件ABAQUS 建立桥梁的整体三维模型，新旧桥各个主梁间、新旧桥边梁与拼接缝间均采用ABAQUS 内置的Tie 约束模拟弱刚性连接，见图2。

图2 拓宽后的全桥计算空间模型

有限元模型中各混凝土构件均选用C50 混凝土，弹性模量E=3.45×104MPa，泊松比0.2，密度ρ=2.5×103kg/m3。新旧桥之间仅连接桥边梁翼缘板，不设置横隔梁。假设新桥基础沉降后各主梁与盖梁支座间无横向位移，故在主梁梁底支座位置施加横桥向平动约束。

3 分析验算

3.1 混凝土收缩情况分析

拓宽桥梁建成后，混凝土收缩主要包括：新旧主梁之间混凝土的收缩差异；后浇湿接缝与新旧主梁混凝土的收缩差异。采用《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62—2004）附录F 计算，考虑1 000 d 的混凝土收缩徐变影响。根据计算分析，收缩在主梁中引起的附加内力主要是轴向力、横向剪切力及横向弯矩，而竖向力及扭矩全部为零，见图3。新梁混凝土收缩在旧梁中引起的轴力分布见图4。

图3 计算主梁位置/cm

图4 新梁收缩引起的旧梁附加轴力分布

由图4 可以看出，新梁混凝土收缩在旧梁中引起的轴力分布关于全桥中跨跨中对称分布，且对于内侧梁轴力的影响要远大于外侧梁。说明新主梁混凝土收缩引起的附加轴力主要由与新桥连接的旧主梁承担。旧桥主梁在新梁混凝土收缩时发生轴力变化主要是由于新梁的收缩受到旧梁的限制引起。对于旧梁而言附加轴力为压力，对于主梁受力有利，一般来说不会引起旧梁的使用安全问题；反之对于新梁而言附加轴力为拉力，如果拉力过大则可能引起新梁混凝土开裂，因此，在加宽桥设计时应注意对新旧桥连接位置的主梁进行承载力验算。

新梁混凝土收缩引起的横向剪力及横向弯矩均由旧主梁承担。其中横向弯矩值一般较小，可以不予考虑；而横向剪力较大，且关于中跨跨中呈反对称分布，在两边跨梁端绝对值最大，旧梁边跨两端处的最大剪应力达到±0.13 MPa，在设计时应进行抗剪验算。

3.2 混凝土徐变情况分析

徐变主要由构件自重及预应力引起，根据计算分析，徐变在主梁中引起的附加内力主要是轴向力、竖向剪切力及竖向弯矩，其余内力值则相对较小。表明徐变引起的主梁变形主要发生在竖直方向上，水平方向变形较小。新梁混凝土徐变在旧梁中引起的竖向力分布见图5。

图5 新梁徐变引起的旧梁附加竖向剪力分布

由图5 可以看出：（1）新梁混凝土徐变在旧梁中引起的竖向剪力分布关于全桥中跨跨中反对称分布。对于同一根主梁而言，竖向剪力的绝对值依照梁端大跨中小的规则分布。附加竖向剪力最大值为47.3 kN。（2）新梁徐变对于原桥内侧梁竖向剪力的影响要远大于原桥外侧梁，说明新主梁混凝土徐变引起的附加竖向剪力主要由与新桥连接的旧主梁承担。因此，在拓宽桥设计中，应特别注意与新桥相连接的旧主梁支座位置处的抗剪承载力验算。

新梁混凝土徐变在旧梁中引起的竖向弯矩分布见图6。

图6 新梁徐变引起的旧梁附加竖向弯矩分布

由图6 可以看出，新梁混凝土徐变在旧梁中引起的竖向弯矩分布关于全桥中跨跨中对称分布，连接位置处的原桥内侧梁弯矩值远大于原桥外侧梁，其中原桥边跨内侧梁最大弯矩值为295.2 kN·m。因此，在拓宽桥设计中，需要对于新桥相连接的旧主梁的跨中载力进行验算。

扩宽拼接的桥梁，新主梁混凝土收缩徐变对于连接位置处的旧桥主梁影响明显，而且收缩徐变效应也会对连接位置处的新主梁产生相应的影响，其附加内力与旧主梁方向相反，可以抵消掉部分荷载弯矩，有利于新梁的受力。因此，在桥梁拼宽设计中，考虑新桥混凝土收缩徐变的影响，应充分验算旧桥主梁的承载力，必要时应采取措施提高旧主梁承载能力或者减小新旧混凝土的收缩徐变差异，以此来抵抗或减小附加内力的影响，保证桥梁使用安全。

3.3 新桥基础沉降情况分析

拓宽后的新桥梁随着时间推移，基础会不断发生沉降，可能在拼接位置引起裂缝并影响上部结构受力。由于新旧桥梁的基础沉降量无法准确计算，设定新旧桥梁沉降差为10 mm 时，分析新旧桥拼接位置受到的影响。（1）新桥未发生沉降。（2）新桥发生沉降：①新桥整体发生沉降；②新桥0#桥台处发生沉降；③新桥1#桥墩发生沉降。其他墩台沉降影响可根据结构对称性得出。

3.3.1 新桥未发生沉降

无沉降时整体横向应力云图见图7，无沉降时拼接位置横向应力云图见图8。

图7 无沉降时整体横向应力云图

图8 无沉降时拼接位置横向应力云图

3.3.2 新桥整体沉降

当新建桥梁整体沉降时，拼接部位的横向应力明显增大，且桥梁支座附近位置的增大幅度大于跨中位置，见图9、图10。

图9 整体横向应力云图

图10 拼接位置横向应力云图

3.3.3 新桥0#桥台沉降

当新建桥梁0#桥台沉降时，桥梁第一跨拼接部位的横向应力增大，且0#桥台附加变化显著，而桥梁中跨及第三跨拼接部位的横向应力变化不明显，见图11、图12。

图11 新桥0#台整体横向应力云图

图12 新桥0#台拼接位置横向应力云图

3.3.4 新桥1#桥墩沉降

当新建桥梁1#桥墩沉降时，1#墩左右侧的拼接部分的横向应力均显著增大，远离1#桥墩的位置变化幅度逐渐减弱，见图13、图14。

图13 新桥1#墩整体横向应力云图

图14 新桥1#墩拼接位置横向应力云图

由图13、图14 可以看出，新建桥梁发生沉降，使得新旧桥连接部位的横向应力增大。沉降越大的墩台附近，局部应力增加幅度越明显。当新建桥梁发生整体沉降时，拼接位置处受力处于最不利状态，横向应力比较结果见表1，其中应力收拉为正，受压为负。

表1 新桥整体沉降时拼接位置处横向应力对比

通过计算分析及应力对比可知，桥梁拼宽后，新建桥梁发生的沉降将直接影响旧桥及拼接位置的结构受力，使得拼接位置的横向应力显著增大，相对来说，沉降对桥梁支座位置处的影响更加明显，有必要采取措施减小新旧桥沉降差，降低沉降对新旧桥拼接位置的不利影响。

4 工程措施

（1）新旧桥梁连接部位的植筋数量应足够，并在建设过程中严格控制植筋施工质量；连接处的湿接缝可采用收缩补偿混凝土浇筑；在新桥建成后3 ～6 个月后，再进行新旧桥连接，以减轻新桥混凝土收缩徐变的影响。（2）新桥桩基设计时可适当增加桩长、增大桩径，桩基施工时严格控制桩底沉渣厚度。在新桥建成但未进行新旧桥连接之前，对新建桥梁采用预压法消除新建桥梁部分沉降，以最大限度减少新旧结构连接后的沉降差异。（3）当需要对旧桥结构进行切割和凿除时，要保证不破坏原桥结构，不能降低原桥的承载能力。

5 结语

通过有限元建模分析了拓宽桥梁建设中，新建桥梁混凝土收缩徐变和新桥沉降对旧桥梁体及新旧桥连接部位的影响。在计算分析的基础上，提出了三项建议措施，并在工程实际中取得了比较理想的效果。