现浇箱梁拼宽桥上部结构受力特性分析

2021-12-24沙嵩

工程建设与设计 2021年23期

沙嵩

（华设设计集团股份有限公司，南京210000）

1 引言

我国对于拼宽桥的研究起步较晚，最早是进行T梁和空心板梁桥的拼宽，在进行拼宽时将新旧桥梁通过湿接缝和横隔板等进行连接，后期运行过程中会存在沉降等问题。为解决拼宽桥带来的问题，相关学者进行了研究。徐志强[1]通过有限元分析了T梁桥拼接后上部结构内力变化，通过对桥梁的横向力分布系数进行计算，表明提高刚度可降低桥梁内部应力。王曦婧[2]通过研究表明，基础沉降对箱梁的受力影响最大，且发生沉降最不利位置为边跨和中跨支点。王亚东[3]通过研究桥梁的收缩徐变产生的内力变化，结果表明，半刚性连接结构的拉应力较小，刚性连接桥梁的稳定性能良好。通过以上内容研究使我国的拼宽桥梁得到了较快的发展，但该类问题仍然存在不足，因此，文章研究内容具有一定的指导意义。

2 上部结构受力影响因素

2.1 拼宽桥与原桥的不均匀沉降

桥梁在后期运营过程中产生不均匀沉降是不可避免的。新旧桥梁在建造时间上存在一定的差异，因此，在运营过程中会出现不均匀沉降，不均匀沉降也是导致新旧桥梁不能协调变形的主要因素。拼宽的T梁桥受到沉降差的影响，会使内力增大，从而发生病害，最危险的结构为T梁横隔板。因此在桥梁进行施工时，应采取必要措施降低桥梁基础的沉降量，如采用桩基础、增大桩长和桩径，施工前对地基进行处理，如强夯、换填基础等。

2.2 混凝土的收缩徐变

混凝土由于自身特性，在浇筑完成后会存在收缩徐变，新旧桥由于建桥时间不一致，在连接部位处存在龄期差，旧桥混凝土的收缩徐变比新桥的收缩徐变快，该现象会导致拼宽箱梁连接部位受力发生改变（附加应力增大）。因此，在进行箱梁拼接时要着重对新旧桥混凝土的龄期差进行分析。

3 偏载系数计算分析

3.1 工程概况

本文所依据的项目为某地区的拼宽桥，桥梁全长162 m，桥梁纵向布置为48.5 m+72 m+41.5 m，拼宽后桥梁全宽为57.5 m，设计速度为40 km/h，人群荷载取值为2.9 kN/m2，原桥结构与新桥结构采用相同形式，均为单箱双室。

新桥纵向布置为48.5 m+72 m+41.5 m，结构形式为单箱单室的连续箱梁，截面参数详见表1。

表1 新桥箱梁截面参数表m

3.2 桥梁模型建立

本文的桥梁模型通过Midas Civil建立，对桥梁模型的节点进行验算，对截面的各个参数进行修正，梁格模型建立如图1所示。

图1 桥梁模型图

3.3 偏载系数分析

应力增大系数的定义为：在偏载作用下，截面出现的最大应力值与平均应力值的比。类比推理的方式可以得到挠度增大系数的定义。通过应力增大系数与挠度增大系数之间的数量关系得到桥梁的偏载系数。桥梁控制截面如图2所示。

图2 桥梁控制截面图（单位：m）

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；进行铰接后截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅲ-Ⅲ的偏载系数为1.05和1.03；进行刚接后截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅲ-Ⅲ的偏载系数为1.05和1.02。

由于截面Ⅱ-Ⅱ是支座截面，所以忽略挠度偏载系数的影响。由计算结果可知，无论是铰接还是刚接，桥梁的刚度均有不同程度提高，桥梁的偏载系数也有所降低，这样可以节约资源的消耗。本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；进行铰接后截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ的应力偏载系数分别为1.1、1.12和1.04；进行刚接后截面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提高，桥梁的应力有所降低，偏载系数也随着降低。为满足结构承载力的要求，应力偏载系数取值为1.15。

4 混凝土收缩徐变对拼接箱梁的影响

本文通过建立模型来对混凝土的收缩徐变进行分析，模型在建立过程中主要考虑因素有：新桥建成后与原桥进行刚性拼接，收缩徐变过程中考虑混凝土和钢筋等材料的自重，条件假定为原桥无收缩徐变，新桥混凝土产生收缩徐变，分析该过程中产生的内力变化。

4.1 混凝土收缩的影响

通过有限元对模型进行分析可知，不同龄期混凝土收缩引起的应力类型主要有：轴力、横向剪力及横向弯矩，其余应力变化值较小，可以忽略不计。因此，该节主要对轴力、横向剪力及横向弯矩进行相应分析。

4.1.1 轴力分布

在混凝土收缩差的作用下，拼宽桥梁上部结构的轴力以跨中为轴线对称分布，新桥在主梁位置的轴力表现为拉力，在沿桥方向上轴力分布为中跨轴力大于边跨轴力。每跨的轴力值大小相等。新桥在横桥方向内外边梁的轴力差值较小。混凝土收缩差在原桥的轴力形式表现为压力，在沿桥方向上轴力分布为中跨轴力大于边跨轴力，新桥在横桥方向内外边梁的轴力分布为：外边梁向内边梁逐渐递增。通过变化规律可知：混凝土发生收缩时，原桥主要产生轴力。

4.1.2 横向剪力分布

新旧桥梁的混凝土收缩存在差值，新桥主梁剪力最大值位于中墩支座的两端，该值大小相当，方向相反。在每一跨内主梁的剪力分布情况近乎相同，变化规律为沿桥方向先减小后反向增大。新桥和原桥在横桥方向的剪力分布规律相同，均为内边梁的剪力大于外边梁的，因此，新旧桥梁混凝土收缩差的横向剪力由内外边梁共同承担。

4.1.3 横向弯矩分布

新旧桥梁的混凝土收缩存在差值，新桥纵桥方向的最大弯矩位于中墩支座的两端，在每一跨内主梁的剪力分布情况近乎相同，变化规律为沿桥方向先减小后反向增大。主梁在支座附近上部受拉，跨中位置处下部受拉。新桥与原桥横桥方向接缝附近的弯矩分布为内边梁大于外边梁。

4.2 混凝土徐变的影响

通过有限元对模型进行分析可知，不同龄期混凝土徐变引起的应力类型主要有：轴力，竖向剪力及弯矩，其余应力变化值较小，可以忽略不计。因此，该节主要对轴力和竖向剪力及弯矩进行相应分析。

4.2.1 轴力分布

在混凝土徐变的作用下，拼宽桥梁上部结构的轴力以跨中为轴线对称分布，新桥在主梁位置的轴力表现为压力，在沿桥方向上轴力分布为中跨轴力小于边跨轴力。每跨的轴力值大小相等。新桥在横桥方向内外边梁的轴力差值较小。混凝土徐变差在原桥的轴力形式表现为压力，在沿桥方向上轴力分布为中跨轴力大于边跨轴力，新桥在横桥方向内外边梁的轴力分布为：外边梁向内边梁逐渐递增。通过变化规律可知：混凝土发生徐变时，原桥主要产生轴力。

4.2.2 竖向剪力分布

新旧桥梁的混凝土徐变存在差值，新桥主梁剪力最大值位于中墩支座的两端，该值大小相当，方向相反。在每一跨内主梁的剪力分布情况近乎相同，变化规律为沿桥方向先减小后反向增大。新桥和原桥在横桥方向的剪力分布规律相同，均为内边梁大于外边梁，但剪力分布方向相反。因此，新旧桥梁混凝土徐变差的竖向剪力由内边梁承担。

4.2.3 竖向弯矩分布

新旧桥之间存在徐变差异，新桥在顺桥方向的弯矩最大值位于中墩支座两端，每一跨内弯矩变化为支座向跨中逐渐递减，然后反向增大，主梁跨中位置上部受拉。新桥在横桥方向主梁弯矩变化为：外边梁小于内边梁。原桥主梁顺桥向的弯矩变化规律与新桥相似，但方向相反。横桥向弯矩由外边梁向内边梁逐渐增加。