箱梁拼宽桥上部结构受力分析研究

刘瑞，刘容

（中榕规划设计有限公司，湖南 长沙 410000）

1 箱梁拼接的基本形式

1.1 新旧桥主梁、桥墩不相连

新旧桥梁主梁、桥墩都不相连的拼接形式主要是新旧桥梁结构呈现独立构造，两者各自承受车辆荷载，且对新建桥梁的受力分析较为简便，桥梁新建施工过程也比较简单，对于新旧桥梁拼接处理后的变形受力分析则不需要开展。但是相互独立的桥梁构建难以有效提升旧桥的车辆承载水平，桥面的不相连则需要构建分隔带，对于后续的桥梁美观性及行车视野会造成影响，加大了桥梁的维修养护成本。随着桥梁使用荷载标准的不断优化，旧桥由于自身的承载缺陷难以适应车辆通行要求。

1.2 新旧桥主梁、桥墩相连

该方式主要是将新旧桥的主梁、桥墩相互连接以优化整体结构的强度和刚性，同时也弱化了新旧桥接缝处的变形。但是外界因素导致桥梁变形差较大时，会在主梁、桥墩连接位置产生极大的应力分布，继而产生较大裂缝。桥墩的相互连接在设计阶段具备较大难度，且后续施工成本及工序应用较为复杂，检测养护维修开展流程较多，在应用推广上具备局限性，一般需要选择跨径小、地质情况良好的工程环境，以充分把控好新旧桥之间的变形差。

1.3 新旧桥主梁相连、桥墩不相连

主梁相连、桥墩不相连的形式能够实现新旧桥上部结构的整体化，弱化上部结构的变形差、应力分布、错台、裂缝等情况，优化行车舒适性及安全性；桥墩的不相连则可以减少桥墩结构和主梁之间的相互局限性，主梁产生较大的变形几乎不影响桥墩的整体稳定效果；在主梁连接处往往需要进行翼缘板的植筋加固处理，必要时可以设置横隔板来保证整体连接效果。

2 箱梁的拼接构造形式及其影响

2.1 拼接形式

2.1.1 铰接

新旧桥梁铰接构造是在旧桥翼缘进行混凝土钢筋露出，新桥连接处构建相应钢筋，并且实现侧翼缘的焊接工作，最后需要进行该位置高强混凝土浇筑，形成整体性良好的新旧结合主梁，铰接结构示意图如图1所示。新旧桥铰接位置只进行剪力和轴力的传递，不传递弯矩，在该位置存在较小的转角和变形，优化内力的消除及变形差影响程度，也可以消除重载车辆行驶诱发的不平衡振动及错台现象。

图1 铰接构造示意图（单位：cm）

2.1.2 刚接

刚接则在新旧桥侧翼缘拼接处进行钢筋焊接，继而浇筑二次高强混凝土、设置间距横隔板来优化主梁稳定性。对于新旧梁的受力分析则可以视作一体化，新旧梁之间可以传递弯矩、剪力和轴力，整体性的提高可以确保受力的均匀，但是新旧桥也形成了一个超静定结构，在外界和在的影响下会产生极大的内力变化，引发混凝土严重开裂等不良情况[1]。

2.1.3 半刚性连接

该结构介于铰接和刚接之间，主要在翼缘板进行钢筋焊接和混凝土浇筑，并且在连接处构建橡胶止水结构，在桥面铺装上采取刚性连接，确保半刚性连接桥梁具备弯矩、剪力的传递和转动刚度，减少车辆荷载、基础沉降、混凝土变形造成的影响。

2.2 拼接后主梁影响

箱梁拼宽造成的特殊截面受力情况极为复杂，主要表现为以下几点：

（1）车辆活载施加过程中，主梁会形成较小的扭转和竖向挠度变形，且通过横向连接传递到附近主梁，由此形成相对挠度；

（2）桥梁主梁加宽时，翼缘板连接处往往是荷载作用下的最不利位置，经常出现过大拉应力导致的开裂情况，偏载效应对于新旧桥翼缘的受力分析也较为复杂。

（3）旧桥使用周期较长导致其基础沉降较为稳定，新桥的基础沉降则会随着地基土的固结而不断发生，新旧桥的拼接在基础差异性沉降影响下就会造成主梁横向的不均匀性及拼接处结构的稳定性丧失，继而造成行车安全性的降低[1]。

3 横向拼接偏载系数分析

3.1 偏载系数计算方法

箱梁偏载位置作用有车辆活载时，受力情况可以分为以下两个部分：箱梁结构扭转造成的畸变正应力和扭转正应力、纵向弯曲正应力。工程实际中选取的偏载系数一般为1.15，主要适用于宽度较小的桥梁结构，对于宽度较大的上部结构则需要通过更为合理的计算来确定偏载系数。

梁格法是将复杂桥梁结构进行等效梁格的简单模拟，计算适用性较广，对分割后的梁格进行受力情况的分析，相较于单梁法具备较好的精确度，尤其对于桥梁上部结构的横向受力计算效果较好。当前对于梁格法主要用在斜面板梁桥、宽箱梁桥计算分析中，其可以通过离散化等效梁格构建，进行主梁抗扭抗弯刚度的邻近赋予，实现对桥梁截面考虑扭转、弯曲、畸变的真实性模拟。梁格法在计算桥梁偏载系数中得到了大量应用[2]。

3.2 工程概况

项目研究对象为某拼宽桥改造工程，其中桥梁全长为48m+70m+42m，上部结构宽度达到了28.75m，中间墩位的截面示意图如图2所示，桥梁设计车速为40km/h，设计荷载等级为城市-A 级，设计人群移动荷载为3kN/m2，桥梁上部结构为0.5m（防撞护栏）+15.75m（车行道）+0.5m（防撞护栏）+7.5m（车行道）+4.25m（人行道）+0.25m（人行栏杆），旧桥构建为单箱双室，新桥上部结构采取预应力混凝土连续箱梁形式，构建为单箱单室直腹板，纵向长度为48m+70m+42m。新旧桥之间采取主梁相连、桥墩不相连的拼接形式。其中新建箱梁顶部宽度为10m，翼缘宽度为2.2m，悬浇段落顶板厚度为30cm，腹板厚度为70～45cm，底板厚度为85～30cm。桥梁纵向布置中1 号墩、4 号墩为边墩；2、3 号墩为中墩。

图2 截面示意图（单位：cm）

3.3 设计参数

模拟设计参数如下。桥梁净空高度：人行道净高大于2.5m、车行道净高大于4m；桥梁通航标准：通航等级VI (1)级，通航高度4m，通航最高设计水位35m，通航净宽42m；设计抗震标准：地震动峰值加速度0.05g，设防烈度6 度，分类为乙类，措施等级为7 度；结构设计安全性为1 级，重要性系数1.1；设计风速为26m/s；桥面防水等级1 级，防撞护栏等级SS 级；设计温度为20℃；桥梁设计使用年限及基准期为100年[3]。

3.4 有限元模型构建

本项目采取Midas Civil构建新旧桥拼宽有限元模型，模型示意图如图3所示，有限元模型针对全桥划分1 320个单元，节点数量为730个，桥梁材料特性如表1所示，纵横梁截面刚度计算数据需要进行相应截面参数的修正，项目将全桥进行8个纵梁的划分，如图4所示，纵向上对旧桥结构的模拟主要是1～3号梁，新桥的结构模拟为4～6号梁；其中4号梁是对新旧桥之间的混凝土后浇带进行结构模拟，铰接拼接则可以适当对该段约束进行释放；7～8号梁为布置车道提供车辆活载计算的虚拟结构。新桥内外边梁（5、6号）可以根据拼接缝的距离位置进行调整，原桥内、中、外边梁分别为1号、2号、3号；对于模型中虚拟横梁的模拟，设定其自重系数为0，采取纵截面顶板厚度数值代入。

图3 全桥梁格法构建示意图

图4 桥梁纵横向模拟图

表1 全桥材料参数设置图

上部结构偏载系数的计算主要分为应力偏载系数和挠度偏载系数，前者为车辆偏载情况下桥梁某一特定截面的最大应力值和平均应力值的比值；后者主要是在车辆偏载情况下某一特定截面的挠度最大值和平均挠度值之间的比值。本文根据设计规范对车道进行荷载施加模拟，对不同纵向截面的荷载影响线进行计算，车道偏载工况主要布置在新建拼接桥梁行车道处，项目选取纵向支座、中跨跨中、边跨跨中为主要控制截面。

根据计算结果，在进行新桥拼宽之前的挠度偏载系数一般控制在1.1～1.12，相较于经验系数（1.15）要小；在新桥拼宽完成之后，考虑铰接或者刚接基础上，由于整体稳定性刚度的提升，上述三个控制截面的分布应力要显著降低，且挠度偏载系数控制在1.01～1.04；为此，挠度偏载系数可以适当降低其要求，以便施工实际中可以达到材料进度成本的控制，本文设定挠度计算偏载系数为1.12。在拼宽之前旧桥的截面应力偏载系数为1.12～1.14，小于经验偏载系数（1.15）；在新桥拼宽完成之后，整体稳定性刚度的优化，铰接、刚接处理下，不同控制截面的应力降低明显，导致应力偏载系数的降低，整体分布在1.02～1.12；本文建议采取应力偏载系数为经验值，以有效确保上部结构的强度稳定性[4]。

偏载系数在不同控制截面并不相同，其中，挠度偏载系数、应力偏载系数在边跨跨中截面位置处要大于中跨位置，边跨为偏载效应最不利位置；铰接下的偏载系数要大于刚接，但是差异性较小；为确保偏载安全稳定性，项目考虑挠度偏载系数设定为1.12，应力偏载系数为1.15。

4 基础沉降对箱梁结构受力分析

桥梁基础结构的沉降分析需要考虑地基土的类别、底部设计荷载、压缩模量等多项技术指标，且沉降的分析多采取一些近似性的计算方法，结果存在较大的差异性。基于此，本项目开展新旧桥之间在特定沉降差（10mm）前提下对全桥结构的内力分布情况进行定性上的分析。沉降分析中的模型采取上述梁格法有限元模型，主要开展以下工况的有限元模拟：控制新建拼宽桥梁2号中墩产生沉降差10mm，全桥采取主梁连接、桥墩不连接形式，拼缝处采取刚接。根据计算分析结果可知，新建桥梁2号墩产生沉降情况下，在全桥梁纵向主要产生了竖向剪力、轴力、竖向弯矩，而在桥梁截面的横向内力分布则较为轻微。本文针对一端沉降产生时，新旧桥之间的轴力分布变化进行分析，如图5所示。

图5 轴力变化分析表

根据图5可知，在拼宽新桥2号墩产生相对10mm沉降时，新桥上的轴力主要表征为拉力，且在桥梁纵向上，拉力最大值发生在2号墩支座附近，继而向左右两侧进行不断衰减，随着距离支座越远，轴力数值越小；在桥梁横向上，新桥5号梁为内边梁，6号梁为外边梁，5号梁距离拼接缝要小于6号梁，此时5号梁的轴力要大于6号梁；同样，旧桥轴力则表现为压力，在旧桥上的3号梁内边梁轴力数值要大于旧桥外边梁2号梁和中梁1号梁，随着距离拼接缝越远，轴力分布越小；1号梁的轴力数值可以忽略不计，此时新桥沉降对1号梁的影响较小，旧桥内边梁在承受新桥沉降时起到了主要抵抗作用[5]。

5 结语

公路桥梁改扩建工程中，桥梁拼宽是主要建设内容，对于长周期运行的桥梁进行拼宽处理不仅可以大规模节省公路桥梁运营成本，缓解局部交通压力，优化交通通行承载水平，而且能够实现城市环境的可持续性发展。和新建桥梁相比，桥梁拼宽只需要在原有的规划布局下考虑既有桥梁设计技术指标和施工工艺，对于其中的拼接结构、接缝形式等则要根据实际工程特点重点分析，并且结合已有施工设计经验进行桥梁工程质量的优化。