大悬臂混凝土箱梁桥横向拓宽拼接加劲肋设计

郑建文

重庆市设计院有限公司，重庆 400015

为了能够满足交通量日益增长的需求，缓解交通压力，我国每年投入大量的资金新建道路，但仅仅依靠新建的公路难以缓解交通压力，因而还需要大力开展公路扩建[1]。公路扩建目前常用的主要是新建复线和旧线拓宽，新建复线并未改变原有道路，只是修建一条与原有道路平行的道路，而旧线拓宽则是对原有的道路进行改造，在原有道路的一侧或者双侧来加宽车道。在高速公路的扩建中，桥梁的拓宽拼接尤其是大悬臂混凝土箱梁是其中的一个重点问题，但是关于桥梁横向拓宽拼接的理论目前尚未形成成熟的结论，仍然处于探索和研究阶段。为此，文章针对大悬臂混凝土箱梁桥的拓宽拼接问题进行深入研讨。

1 工程概况

文章将双幅单向四车道分离式悬臂混凝土桥梁拓宽工程作为工程背景，根据大桥外观及主桥混凝土强度的检测结果，发现其满足横向拓宽的条件。进行拓宽是为了减小对旧桥的悬臂结构造成较小的损伤，新桥依旧采用混凝土连续箱梁，并通过加劲肋来固定，待新桥完成收缩徐变之后浇筑横向拼接加劲肋。沿着新旧主梁之间的拼接缝，间隔一定的距离设置一道加劲肋。加劲肋与新旧主梁相连接时，新旧桥梁的连接刚度会受加劲肋尺寸的影响，即加劲肋的高度、厚度及纵向间距都会直接影响新旧桥梁之间的连接效果。

通过设置加劲肋来连接新旧箱梁，能够有效解决大悬臂混凝土箱梁桥翼缘板不能凿除的难点，同时还能够减小旧桥横向预应力。加劲肋可承担拼接处的结构受力，增加翼缘板根部的截面面积，还能提高桥梁的承载能力，解决抗力不足的问题[2]。此外，还可以通过调整加劲肋的结构尺寸及布设间距来实现对新旧主桥拼接刚度的控制。

2 加劲肋拼接对拓宽结构的受力影响

箱梁拓宽之后，上部结构的受力状况会发生变化，在内外荷载作用力下，内力会重新分配，通过加劲肋连接新旧箱梁之后，混凝土的收缩、徐变作用，基础的不均匀沉降作用及活载作用都会对结构的受力产生较大的影响。旧桥经过数十年的服役，收缩、徐变基本上已经完成，对结构的作用就会变得很小，但是新箱梁混凝土的收缩、徐变只是刚刚开始发生，此时会受到旧桥的约束，故新旧主梁之间就会产生附加应力[3]。新旧桥梁基础的不均匀沉降也会导致结构出现附加应力。在拓宽之后新旧桥基础之间会出现不均匀的沉降差，使得新旧主梁在竖直方向上产生相对位移，导致结构产生较大的附加应力。待桥梁拓宽之后，新旧箱梁会共同承担结构上部的活载作用，从而使得结构产生挠曲变形并存在较小的扭转。

2.1 箱梁收缩徐变差对结构的影响

新旧箱梁拼接之后，结构的动力特性会发生改变。文章采用Midas FEA有限元分析软件对特征值进行分析，分析结果表明，箱梁桥待拓宽之后，混凝土的收缩及徐变产生的内力均发生在纵向上。桥梁拓宽之后，在自重、预应力及收缩徐变的作用下，各阶段新旧桥梁支点截面纵向变形情况统计表如表1所示。其中，A、B、C、D、E分别表示新旧桥梁共同运营6个月、12个月、18个月、30个月、42个月。不管是混凝土的横向或纵向应力，还是边支点截面都处于最为不利的截面，而在此处设置的加劲钢板其拼接缝处也会出现较大的应力及位移。

表1 各阶段新旧桥梁支点截面纵向变形情况统计表 单位：mm

2.2 箱梁基础沉降差对结构的影响

待桥梁拓宽新桥完成施工之后，拼接通常需要搁置一段时间待完成一定程度的沉降之后再进行，这主要是由于桥梁的基础沉降会受到较多因素的影响，且早期的沉降量较大[4]。变形及内力是桥梁拓宽后对新旧桥梁沉降差最为不利的两方面因素，较大的沉降差会使结构的内力超出混凝土的极限强度，出现混凝土破损开裂、支座脱空等现象。

中支点处新旧桥箱梁顶板混凝土横向应力如图1所示。由图1可知，在沉降作用下，混凝土箱梁的横向应力主要集中在翼缘处，新、旧桥翼缘顶面分别呈现出压应力和拉应力，而在翼缘中部的位置则很可能存在混凝土开裂的问题。对于中支点处的钢板拼接段上缘横向压应力较大，而下缘的竖向拉应力较大的情况，需要采取局部夹肋的方式防止失稳破坏。

图1 中支点处新旧桥箱梁顶板混凝土横向应力（单位：MPa）

3 加劲肋参数分析

加劲肋的结构尺寸会直接影响拓宽处的连接刚度，进而对新旧结构的受力状态造成影响，影响刚度的加劲肋尺寸参数，主要包括加劲肋的高度、厚度以及纵向布设间距。通过有限元软件分析，得到加劲肋参数分析图，如图2所示。由图2可知，新旧箱梁受力变化受到加劲肋构造尺寸的影响较小，剪力和弯矩的变化幅度通常在5%左右，最大也低于10%，其中影响最大的界面通常为中支撑截面。随着拼接加劲肋尺寸的变化，新旧桥箱梁的弯矩及剪力变化规律逐渐相同，随着加劲肋高度、厚度的增大及布设间距的减小，新旧箱梁的最大正弯矩和最小负弯矩均在不断增加，其中变化幅度在23.8%～342%。在加劲肋布设间距不同的情况下，拼接缝两侧的新旧箱梁翼缘板竖向变形较小，但是并未对结构的安全造成不利影响。

图2 加劲肋参数分析图

4 结束语

综上所述，文章依托工程实例，具体分析了高速公路扩建过程中大悬臂混凝土箱梁桥拓宽的关键技术，通过有限元软件从箱梁收缩徐变差对结构的影响，以及箱梁基础沉降差对结构的影响两个方面，详细分析了加劲肋拼接对拓宽结构的受力影响，同时还研究了加劲肋的结构尺寸加劲肋的高度、厚度及纵向布设间距对箱梁桥拓宽处新旧结构受力状态造成的影响，为类似大悬臂混凝土箱梁桥横向拓宽拼接加劲肋设计项目提供了理论支撑。