现浇箱梁拼宽桥上部结构受力特性分析

现浇箱梁拼宽桥上部结构受力特性分析

江东生

广州特希达工程设计有限公司,广东 广州 510000

摘要：面对人们日益增长的交通需求，本着节约用地、保护环境、减少成本的原则，我国的桥梁拼宽设计也在逐步被重视，其中箱梁截面的桥具有梁整体性好、刚度大、承载力强等特点，因而在桥梁拼宽设计中被广泛应用。因此，研究箱梁拼宽桥的结构受力特征具有一定的理论意义和实践价值。文章总结箱梁拼宽桥常见的拼宽模式和拼宽原则，并列举常见箱梁拼宽桥上部结构的影响因素，同时依托工程实例，利用有限元软件进行分析。研究结果表明，基础不具有沉降产生的附加应力由新旧桥的内外边梁承担，混凝土的收缩产生的附加应力作用在横桥方向，混凝土的徐变引起的内力主要作用于竖桥方向。

关键词：箱梁拼宽桥；上部结构；受力特性；附加应力

0引言

许多高速公路需要改建或扩建，加宽桥梁构筑物，也是改扩建工程中的重点。由于重建公路成本较高，并且需要阻断交通，加宽旧桥不可避免地成为升级道路的常用方案。加宽旧桥一般都是在原公路两边或一边进行加宽施工，拓宽拼接桥梁中新旧结构的连接问题，成为提高扩建后公路桥梁荷载标准的首要问题。

1箱梁拼宽桥的常见拼接形式

1.1　箱梁拼接原则

桥梁拼宽过程中有很多影响因素，如施工过程中不影响原公路的交通；新旧结构应协调变形、共同受力；多公路设施同时施工、缩短工期。（1）桥梁中新旧结构应满足整体性要求；（2）桥梁中新旧结构应保持同一荷载等级，设计新结构时应对原有结构进行验算；（3）桥梁在设计时基础形式原则上采用桩基础，但在地基土质良好的情况下，基础形式也可以不选取桩基础，但新桥基础不可影响旧桥的基础、新旧桥基础沉降差应符合规范要求，新旧桥应协调变形；（4）横隔板虽然强度和刚度较高，可横向连接新旧桥使其更稳定，但横隔板也具有柔性差、变形能力差、易发生脆性破坏等缺点。

1.2　桥梁加宽连接方式

新旧结构的连接方式成为影响桥梁加宽成果的主要因素，借鉴国内外诸多成功案例，将连接方式大致分为三种。

1.2.1　上下均不连接的拼宽模式

上下不连接是指新、旧桥梁上部结构之间与下部构造之间都不连接，而且上、下部构造之间也不连接，在新、旧桥之间预留出工作缝，之后在桥面沥青混凝土铺装层连续摊铺。这种连接方式令新旧桥互不影响，简化施工流程，规避了连接技术问题的阻碍。但在运营期间车辆动荷载作用下新旧桥之间的连接梁产生挠度和加宽桥的沉降大于原桥基础，将导致连接处沥青铺装层开裂和错台，对行车舒适度和桥面外观产生不良影响，后期的养护工作量增大，因此，大规模采用这种连接方式是不合理的。

1.2.2　上下均连接的拼宽模式

上下均连接的拼宽模式是指新、旧桥梁上部构造连接成整体，下部构造也连接成整体。新、旧桥上部构造之间的连接是依靠横向植筋、浇筑接缝等手段实现的；下部结构之间的连接也是通过植筋浇筑混凝土等方法实现的，如墩台帽等结构。该加宽模式既可提高新、旧桥梁整体性，又减少在汽车荷载作用下新旧桥的连接处产生的变形和破坏。该加宽模式因具有可使新旧桥整体性好，各结构共同受力等优点而被工程采用。

1.2.3　上连下不连的拼宽模式

上连下不连的拼宽模式是指新、旧桥梁上部结构连接成整体，下部结构独立不连接的拼宽模式。该模式可根据上述两种连接方式的优缺点进行合理组合，更加适应复杂的施工环境。该拼宽模式的施工顺序是分离新旧桥梁基础，使上部梁板结构保持连接，破坏旧桥边梁保护混凝土，为与新桥连接提供空间，依靠钢筋的铰接或刚接、裂缝被混凝土浇筑，将新旧桥连接成整体，铺设桥面钢筋，完成连续桥面结构的施工。该加宽模式因新旧桥下部构造独立受力，互不影响，上、下部构造之间的影响较小的特点而被工程认可。

2影响因素分析

2.1　基础沉降影响因素分析参考规范

将新旧桥的沉降差取5mm，进而分析沉降量对拼宽桥内力分布的影响过程。根据有限元软件分析桥梁的内力分布可知，经混凝土铰接处理后桥梁产生的附加内力表现为剪力和弯矩，在横桥方向的附加内力太小而忽略不计。其有限元分析结果如下：（1）若在新桥基础的一侧发生较大沉降时，新旧桥梁截面的内力变化相似，且在沉降附近的支座处出现内力最大值。（2）在新旧桥铰接后，新旧桥基础的不均匀沉降会导致桥梁附加应力的产生，而接缝处的内边梁承担着大部分的附加应力，外边梁和中梁承担着剩余的附加应力，为保证桥梁的安全和稳定，在设计时新桥的内边梁截面应通过抗剪验算和抗弯验算。（3）通过模型分析可看出，新桥的主梁在靠近旧桥的一侧，大部分的弯矩和剪力由新桥的主梁承担，小部分被原桥主梁承担，这表明箱梁拼宽桥的上部结构对沉降差较敏感。

2.2　混凝土徐变收缩影响因素分析

2.2.1　混凝土收缩的影响

在混凝土收缩差的作用下，拼宽桥梁上部结构内力发生变化，内力包括轴力、弯矩和剪力。轴力的分布是轴对称的，拉力作用在新桥的主梁上，在沿桥的方向上，跨中的轴力更大，更易破坏，每跨轴力相等；在横桥方向上内外边梁差距较小，由外边梁向内边梁递减。原桥产生的轴力为压力，在沿桥方向上，中跨轴力大于边跨。因新旧桥混凝土存在收缩差，新桥主梁中墩支座的两端最容易被剪切破坏，且在该点的剪应力大小相等，方向相反。在横桥方向上新旧桥截面的剪力分布规律相同，均为内边梁大于外边梁，在沿桥方向上先减小再增大。由此可知，新旧桥的内外边梁承担横向剪力。新桥在混凝土收缩影响下横向弯矩分布与剪力分布相似，新旧桥主梁受拉的部位是在支座附近上部和跨中下部。新旧桥接缝处的内边梁因其弯矩较大更容易被弯曲破坏。

2.2.2　混凝土徐变的影响

新旧桥的混凝土发生徐变，轴力的分布是轴对称的，拉力作用在新桥的主梁上，在沿桥的方向上，跨中的轴力更大，更易破坏，每跨轴力相等；在横桥方向上内外边梁差距较小，由外边梁向内边梁递减。原桥产生的轴力为压力，在沿桥方向上，中跨轴力大于边跨。因新旧桥混凝土存在收缩差，新桥主梁中墩支座的两端最容易被剪切破坏，且在该点的剪应力大小相等，方向相反。新旧桥的剪力分布规律在横桥方向上相同，均为内边梁大于外边梁，但剪力分布方向相反，在沿桥方向上先减小再增大。由此可知，新旧桥的内外边梁承担横向剪力。新桥在混凝土徐变影响下沿桥方向竖向弯矩分布与剪力分布相似。新旧桥主梁顺桥向的弯矩变化规律相似但方向相反。横桥向弯矩由外边梁向内边梁递增。

3结论

该文总结箱梁拼宽桥常见的拼宽模式和拼宽原则，并列举出常见箱梁拼宽桥上部结构的影响因素，同时依托工程实例，利用有限元软件进行分析，得到以下几个结论：（1）新旧桥基础的不均匀沉降以及混凝土自身的徐变收缩是引起箱梁拼宽桥上部结构受力的主要原因。（2）新旧桥基础的沉降差引起箱梁拼宽桥上部结构产生附加应力，且附加应力主要由接缝处的内边梁承担，在设计之时新桥的内边梁截面应通过抗剪验算和抗弯验算。（3）混凝土的收缩徐变将产生附加应力，该应力主要作用于横桥方向，体现为轴力、横向剪力及弯矩等分布规律的改变。

参考文献：

[1]李爱军.高速公路预制小箱梁拼宽关键技术[J].中外公路，2019，39（5）：4-6.

[2]朱俊宇.落石冲击作用下桥梁上部结构动力响应特性研究[D].绵阳：西南科技大学，2019.