箱梁桥拼宽施工中的上部结构受力特征探究

林红星

（中国雄安集团基础建设有限公司，河北 雄安 071700）

国内公路网络发展快速，部分早年间建设的高速公路已难以满足日益增长的交通运输需求，而重建公路其施工往往会阻断交通，且成本较高。在此背景下，可采取对部分运营压力较大的高速公路实施改扩建的方案，桥梁构筑物拓宽便是此方案中重要措施之一[1-3]。为尽量减少对高速公路既有运营的影响，进行旧桥加宽施工时，可以选择率先对一侧桥梁加宽施工，完成后再进行另一侧的加宽施工，如此一来施工过程不会阻断交通[4-6]。但在拼接桥梁拓宽施工中，如何确保新旧结构连接良好逐渐成为箱梁拼宽施工中需要重点关注的问题。

1 箱梁拼宽桥拼接形式

1.1 拼接原则

桥梁拼宽施工中，存在多种可能对施工产生影响的因素，例如新旧结构是否共同受力、变形是否协调、不同公路设施之间施工是否同步开展、施工是否影响周边交通等。综合来看，桥梁拼接施工应当遵守如下规则[7-10]：

（1）施工过程中应确保新旧结构保持良好整体性。

（2）开展施工设计之初应当取样调查，分析旧路面结构荷载水平，使桥梁新旧结构之间荷载等级保持一致。

（3）设计桥梁基础时应采用桩基础，若桥梁地基土壤质量良好，可不使用桩基础，但应确保新旧桥基础沉降差值维持在规范以内；新桥建设不应对旧桥基础产生大幅影响；新旧桥梁变形应相互协调。

（4）桥梁横隔板刚度、强度较强，能够横向连接新旧桥梁，但其变形能力较差、柔性较差，如果所受应力较大，容易发生脆性断裂问题。因此，拼接时应尽量控制连接精度，避免产生过大的偏差。

1.2 桥梁加宽连接

工程实践中可通过以下3种方式连接新旧结构以实现桥梁拼宽。

（1）上下不连接

该方式主要是指桥梁新旧结构之间仅设置一条施工缝，用于连续摊铺沥青混凝土，结构上部和下部不直接连接，该种施工方式能够在不影响新旧桥梁荷载等级的基础上简化施工流程，避免新旧桥梁难以有效连接的施工难题。但桥梁投入运营后，随着车辆荷载增加，服役年限延伸，新旧桥梁之间连接梁逐渐产生挠度，且新建设桥梁结构的沉降会显著高于原有桥梁结构，导致新旧桥梁连接处沥青铺装层错台、开裂，对桥面外观、行车舒适度产生不利影响，使桥梁维护成本提升，因此不建议在大规模开展拼宽施工时采用该方式。

国内部分改扩建桥梁早期开展的现浇箱梁拼宽施工以上下不连接方式为主，造成在很多工程施工完成、投入应用后，主梁逐渐出现不平衡挠度；部分新修建拼宽桥后期沉降显著增加，很容易出现沥青铺装层大规模错台、开裂等问题，对桥梁的使用及外观带来不利影响。

（2）上下均连接

该方式是指将新旧桥梁上部构造、下部构造均连接形成整体，其中上部构造的连接可通过浇筑拼接缝、横向植筋等方式实现，下部结构连接则可通过植筋、浇筑混凝土等方式实现。“上下均连接”能够有效强化新旧桥梁结构之间整体性，投入运营后，工程受车辆荷载作用，也不容易出现变形、损坏等问题。

“上下均连接”的拼宽模式能够确保新旧桥梁结构的整体性，不同结构之间共同受力，应力分布均匀，具有广泛应用空间。但同时该方式也存在明显缺陷，例如拼宽施工后，桥梁基础沉降会大幅度增加，容易导致新旧桥梁连接处受到较大附加应力，进而导致桥梁下部结构系梁、盖梁等位置出现裂缝，且桥梁上部结构连接位置出现裂缝概率较高，施工难度较高。

（3）仅上部连接

该方式是指上部结构之间连接形成整体，但下部结构之间保持独立。该方式应用时能够有效结合前两种方法的应用优势，更为适用于施工环境复杂条件下的拼宽。应用该方式开展拼宽施工时，首先需分离新旧桥梁基础，并保持上部梁板连接；其次破坏旧桥边梁保护混凝土，为新旧桥形成连接奠定基础；再次通过拼接缝浇筑混凝土、钢筋刚接或铰接实现新旧桥梁结构连接；最后铺设桥面钢筋并完成桥面的最终铺设。

该拼接模式下，新旧桥梁结构的下部结构保持相对独立，所受应力互不影响，但应用时容易因新旧桥梁结构材料差异、不均匀沉降等问题导致附加应力更加明显，工程实践中通常可以通过增加连接位置的钢筋配置解决该问题。

2 影响箱梁拼宽桥上部结构受力的因素

2.1 不均匀沉降

桥梁在运营过程中，难以避免不均匀沉降问题，而桥梁改扩建工程中，不同时期建设的桥梁结构沉降必然不均匀，因此需采取措施使新旧桥梁结构的变形相互协调。在新旧桥梁结构沉降差影响下，拼接箱梁桥内部应力较大，容易发生破损，因此箱梁桥危险性较高，施工开始之前需结合工程需求采取措施降低桥梁基础沉降量，通常或通过地基处理，例如换填法、强夯法等，或开展桩基处理，例如扩大桩径、延伸桩长等。

2.2 收缩徐变

混凝土具有徐变效应。工程建设完成后混凝土会逐渐发生徐变收缩，而新旧桥梁结构建设完成后养护混凝土因时间不同步，养护时间越长则收缩徐变越快，进而导致拼宽箱梁应力出现变化，附加应力增加。由此可见，桥梁设计阶段就需计算确定新旧结构直接混凝土龄期差异，进而预测可能会引发的收缩徐变差异。

3 偏载系数计算

3.1 工程概况

某地桥梁改造工程中主线拼宽桥上部结构为17.5m+50m+17.5m的钢筋混凝土连续箱梁，下部结构包含柱式等基础形式。桥梁原有上部结构为单箱双室，新建桥梁结构为单箱单室，箱梁不同截面参数如表1所示。

表1 箱梁参数

3.2 建立梁格模型

根据Midas Civil构建桥梁模型，具体如图1所示。

图1 桥梁模型构建示意（梁格法）

3.3 偏载系数

桥梁偏载系数一般取经验数据1.15，主要包括挠度增大系数、应力增大系数，其中应力增大系数为对结构施加偏载时桥梁结构产生的最大应力和平均应力的比值，挠度增大系数可由同样原理获得。

通过数值分析可知，桥梁拼接前第一跨中截面最不利弯矩为14050kN·m，第二跨中截面最不利弯矩为22191kN·m，两者挠度偏载系数分别为1.11和1.3。铰接完成后，两界面最不利弯矩分别降低至10534kN·m、19456kN·m，挠度偏载系数分别降低至1和1.1。结果显示，经混凝土铰接处理后，桥梁结构强度得到有效提升，挠度偏载系数有所降低。

结合模型计算可知，拼接前桥梁第一跨中截面承载力为22533kN·m、应力偏载系数为1.22，支点截面承载力为-31156kN·m、应力偏载系数为1.35，第二跨中截面承载力为22533kN·m、应力偏载系数为1.22。混凝土铰接后，桥梁第一跨中截面承载力为24644kN·m、应力偏载系数为1.19，支点截面承载力为-41258kN·m、应力偏载系数为1.3，第二跨中截面承载力为24644kN·m、应力偏载系数为1.19。由此可知，现浇箱梁拼宽施工时，可以通过混凝土铰接连接新旧桥梁以提高结构刚度，降低桥梁应力水平，减少偏载系数。

4 基于模拟结果的影响因素分析

4.1 基础沉降

工程规范要求新旧桥沉降差在5mm以内，以此为基础分析拼宽桥内力分布和沉降量之间关系。结合有限元软件分析桥梁结构内部应力分布，混凝土铰接处理完成后，桥梁附加应力主要通过弯矩、剪力方式表现出来，由于横桥方向上所受附加应力水平较低因此不考虑。分析结果如下所示：

（1）如果新桥出现大幅度沉降，过程中新旧桥梁截面内力变化情况大致相同，且内力最大值出现在沉降附近支座位置。

（2）新旧桥梁铰接施工结束后，桥梁基础不均匀沉降会导致桥梁附加应力，新旧桥梁接缝位置附近内边梁所承担附加应力为主要应力，其余附加应力由中梁、外边梁承担。设计过程中应当针对内边梁截面开展抗弯验算和抗剪验算以确保桥梁稳定性。

（3）结合模型分析可知，新建桥梁结构位置靠近旧桥侧，是新桥主梁承担剪力和弯矩的主要部分，剩余部分被旧桥梁结构承担，说明箱梁拼宽桥上部结构对沉降差敏感性较强。

4.2 混凝土徐变收缩

结合有限元软件构建分析模型，探究箱梁桥结构和混凝土徐变收缩之间的关系。

（1）收缩

混凝土收缩差作用下，拼宽桥梁结构上部结构剪力、弯矩和轴力发生变化。其中轴力分布为轴对称分布，拉力作用位置集中于新桥主梁，跨中轴力在沿桥方向上最大，发生破坏概率更高，各跨所受轴力相同。横桥方向上，内外边梁差距水平较弱，且随外边梁向内边梁方向不断递减。旧桥梁结构轴力为压力，堰桥方向上边跨轴力小于中跨。

（2）徐变

新旧桥梁混凝土徐变产生轴力也是轴对称分布，拉力作用于新建桥梁结构主梁上，沿桥方向上每跨应力相等且跨中轴力水平最大，最容易出现破坏。横桥方向上，内外边梁之间差距不大，且随内边梁向外边梁不断提升。原桥梁结构轴力表现为压力，沿桥方向上中跨轴力最大。

5 结束语

本文分析了箱梁拼宽桥拼宽原则及拼宽模式，列举了常见箱梁拼宽桥上部结构影响因素，并结合有限元软件分析工程实例，得出以下主要结论：箱梁拼宽桥上部结构受力主要原因在于混凝土徐变收缩、新旧桥梁不均匀沉降；新旧桥梁基础沉降差会导致拼宽桥梁上部结构承受附加应力，该应力主要为接缝内外边梁承担，因此设计时需要针对内边梁截面开展抗弯验算和抗剪验算以确保桥梁稳定性；混凝土收缩徐变会产生作用于横桥方向的附加应力，并改变弯矩、横向剪力和轴力分布情况。