错孔拓宽连续箱梁力学性能分析

周新平，汤陈皓，丁文博，宗雪梅

(1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075； 2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064；3.陕西通环路桥新技术有限责任公司，陕西 西安 710061； 4.中联西北工程设计研究院有限公司，陕西 西安 710077)

0 引 言

公路桥梁是公路交通的重要组成部分和关键枢纽，对联系地区经济，促进经济发展起到了至关重要的作用[1]。随着社会与经济的快速发展，交通量不断增加，许多公路桥梁逐渐无法满足现有交通需求，而在原有桥梁的基础上进行扩建拓宽，是常见、经济和高效的选择[2-3]。如沪宁高速、广佛高速[4]和沪陕高速[5]等高速公路的许多桥梁都进行了扩建拓宽，并积累了宝贵的设计、施工经验。但公路桥梁扩建依旧面临着包括不中断交通，合理拼接，控制不均匀沉降和收缩徐变[6]等一系列工程问题。在实际拓宽工程中，往往面临着不同的控制性问题，需要设计出合理有效的拓宽方案[7-8]。绝大多数的桥梁拓宽工程都是依托原桥，在其桥墩台一侧，设置相同跨径的新桥下部结构，再进行桥梁上部结构拓宽。但也存在一些较为特殊的桥梁拓宽工程，新桥和旧桥的桥墩不能在同一横向位置，即形成了错孔布置。拓宽桥梁错孔布置后，其受力情况不同于常规拓宽桥梁，因此，本文针对错孔布置连续箱梁拓宽结构，做详细的受力分析，并找出合适的拼接方式，为相关桥梁拓宽工程提供借鉴和帮助。

1 工程背景及拓宽方案

1.1 工程背景

以深圳市梅观高速公路扩建工程为背景，选取拓宽扩建中的观澜分离立交桥为例，研究错孔拓宽连续箱梁的力学性能。该桥为双幅钢筋混凝土连续梁桥，左右两幅桥形一致，进而主要以右幅桥梁为研究对象。右幅桥孔布置为(20+30+20)m，为变截面单箱双室桥梁，如图1所示。该桥旧桥为斜桥正做，新扩建桥梁为配合旧桥设计，也采用斜桥正做方案；此外，扩建时为不影响桥下道路交通，新旧桥墩不在同一横向位置上，即新旧桥梁形成了错孔布置。与常规连续梁桥的拓宽结构相比，这一类桥梁拼接拓宽后，结构受力更复杂，面临的工程问题也更严峻。

图1 观澜立交桥旧桥立面布置和箱梁截面

1.2 拓宽及计算方案

观澜分离式立交桥新建拓宽桥梁设计荷载为公路I级；右幅桥拓宽采用预应力混凝土连续箱梁，加宽8.25 m；除铰缝及桥面铺装外，均采用C30混凝土；预应力钢绞线均采用ASTM416-97标准270级钢绞线，非预应力钢筋选用Ⅱ级热轧螺纹钢筋(d>12 mm)，和Ⅰ级钢筋(d<12 mm)。拓宽后横截面布置如图2所示，拓宽新桥桥孔布置为35 m+35 m，拼接后与旧桥形成错孔布置。由于新旧桥都是沿纵桥向中心对称的，因而仅设置了一半的计算截面用于结构分析，分别为Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ、Ⅴ-Ⅴ，拼接后平面图和观测截面图如图3所示。

图3 右幅桥拼接后平面图

图2 右幅桥拓宽后横截面布置图

2 计算模型

错孔布置的连续箱梁拓宽结构的研究，主要采用了桥梁结构设计理论与结构空间有限元方法，基于梁格理论进行结构离散，并忽略箱梁畸变影响，建立有限元计算模型，如图4所示。计算荷载包括桥梁自重、二期恒载、收缩徐变、汽车荷载、温度荷载、新桥基础沉降和新桥预应力，并根据实际工程中的加载情况，将施工过程分为6个阶段：旧桥整体现浇及桥面铺装；发生3 600 d的收缩、徐变；新桥整体现浇及桥面铺装；新桥放置180 d；新旧桥拼接；发生收缩徐变1 000 d。

图4 右幅桥计算模型

3 拓宽桥梁结构分析

新旧桥梁拼接后，两桥协同受力变形，但在原旧桥设计时，大多未考虑到拓宽拼接的情况，因此，桥梁拓宽，首先需要关注原桥的受力能否满足现行规范荷载等级的要求[9]，再选择合适的拼接方式及拼接时间。

3.1 箱梁纵向内力分析

该桥梁拓宽形式为错孔布置，拼接后的内力变化情况特殊，有必要对拓宽拼接后的旧桥进行关键截面的内力分析，包括弯矩和剪力。

新桥建成6个月后与旧桥刚接和铰接，并拓宽运营3年后对旧桥部分进行内力分析。包括拼接前后旧桥箱梁在不同截面处的弯矩和剪力，并考虑铰接和刚接2种不同的拼接方式，其计算结果见表1。

分析表1的弯矩部分可知：Ⅰ-Ⅰ和Ⅲ-Ⅲ是正弯矩区，Ⅱ-Ⅱ是负弯矩区，分别对于正负弯矩区考虑最大弯矩值和最小弯矩值，将结果绘制成图5。

表1 箱梁纵向内力分析

图5 箱梁纵向各截面弯矩变化

由图5可知，错孔拓宽拼接后，旧桥Ⅰ-Ⅰ和Ⅲ-Ⅲ截面的正弯矩最大值都有不同程度的降低。根据拼接形式的不同，旧桥Ⅰ-Ⅰ截面处的最大弯矩分别降低了1.5%(铰接)和2%(刚接)，在Ⅲ-Ⅲ截面处则降低了3.7%(铰接)和2.6%(刚接)，说明错孔布置的连续箱梁拓宽结构可以在一定程度上提升旧桥的抗弯承载能力。这是由于新旧桥梁错孔拓宽拼接后，两者协同变形，错孔布置的桥墩使旧桥桥面板获得了额外的约束，一定程度上降低了箱梁的纵向弯矩。但旧桥的Ⅱ-Ⅱ截面，即旧桥支座处，其负弯矩值却有一定程度的增大，分别增加了2.2%(铰接)和3.6%(刚接)。这是由于原旧桥桥墩所在的截面上，新桥并未设置桥墩，而两者拼接拓宽后，协同受力变形，相当于额外给旧桥的负弯矩区增加了弯矩，会产生不利影响，需着重验算旧桥负弯矩区的承载能力。

分析表1的剪力部分可知：3个计算截面的最大剪力值都要大于最小剪力的绝对值，因此仅需考虑最大剪力值的变化即可，将计算结果绘制成图6。

图6 箱梁纵向各截面剪力变化

由图6可发现：旧桥拓宽拼接后，3个计算截面的最大剪力值都有不同程度的增加，尤其是Ⅰ-Ⅰ截面处，剪力值分别上升了27.4%(铰接)和28.9%(刚接)、而在Ⅱ-Ⅱ截面，则是所有计算截面中所受剪力最大的，分别达到了4 420.8 kN(铰接)和4 433.1 kN(刚接)。这是由于错孔布置导致的新旧桥墩不在同一截面上，使得在同一荷载作用下新旧桥面板的变形不一致导致的，桥面板差异性的变化趋势对旧桥桥面板施加了额外的剪力效应。因此，有必要对错孔布置的连续箱梁拓宽结构做剪力分析，并适当采取加固措施。

3.2 拼接部位受力分析

桥梁拓宽拼接方式多样，根据边界条件的不同，可以分为刚性和柔性连接两种：刚性连接即将新老结构固结，柔性连接即采用铰接的方式连接。

桥梁拓宽拼接后，拼接部位较为薄弱，在多因素荷载耦合作用下，会对拼接部位产生较为复杂的受力影响。因此，对建成6个月后拼接拓宽，并运营3年后的拼接部位进行受力分析，主要考虑铰接方式下的横向弯矩和刚接方式下的横向弯矩和竖向剪力。计算时，自0#墩(含0#墩)从左向右每隔6 m取一计算截面，并加上Ⅲ-Ⅲ截面，共7个计算截面。经计算，铰接和刚接方式下的各截面处的剪力效应结果如图7所示；刚接方式下拼接处的横向弯矩计算结果如图8所示。

图7 铰接和刚接时各截面拼接处的剪力

图8 刚接时各截面拼接处的横向弯矩

从图7、8中可以发现：在最不利车辆荷载和多因素荷载耦合作用下，刚接和铰接对于拼接部位的剪力效应有略微不同，在多数截面处铰接时的剪力要稍大一些，但两者相差不大，只有数kN之差。但刚接时，桥梁拼接处会产生弯矩，并且在Ⅲ-Ⅲ截面处的正负弯矩值都较其他截面更大些，尤其正弯矩区最大可达到85 kN·m。这是由于Ⅲ-Ⅲ截面恰好处于旧桥跨中，在此截面上新桥设立了桥墩，因此，在荷载作用下，旧桥桥面板有下挠的趋势，但新桥桥面板在桥墩的支撑下不易产生弯曲变形，使得此截面产生了正弯矩的极大值和负弯矩的突变。

综上所示，错孔布置的拼接拓宽桥梁结构若拼接方式采用刚接，则需要比较注意桥墩相互错位截面处的正负弯矩情况。

3.3 支反力分析

桥梁拼接拓宽后，新旧结构刚度的不同会对荷载在新旧桥梁之间的传递产生影响，导致支座处的支反力发生改变。而错孔拼接拓宽的桥梁支座受力情况则更为复杂，需考虑支座处是否会受拉力，从而确定是否需要增加相应措施。

在计算中主要考虑了桥梁自重，二期恒载，最不利汽车荷载，桥梁拼接后的收缩徐变，新桥不均匀沉降和温度荷载，观测截面为新旧桥梁的各支座截面处。通过计算，新旧桥梁拓宽拼接后竖向支座反力的情况如图9所示。

图9 新旧桥梁拓宽拼接后竖向支座反力情况

从图9中可以发现：拓宽拼接后的桥梁在多因素荷载作用下，纵桥向各个支座处的支座反力值都大于零，说明即使桥梁错孔布置，新旧桥梁支座都是受压的，因此不必担心支座处受拉脱空。将各个荷载因素对支座反力的作用情况详细考虑后，可将各因素对支座反力值的占比汇总出来。由此可以发现：最小汽车荷载，新桥整体沉降，温度梯度和收缩徐变，在新旧桥梁的不同支座处产生了不同数值、比例的负反力，即可使支座处受拉。但由于恒载、最不利汽车荷载产生的支座反力远大于前者，因此从多因素荷载角度考虑，新旧桥支座处都不会出现受拉脱空的情况。

3.4 箱梁变形及拼接时机分析

新旧桥梁的拼接拓宽，需综合考虑新旧箱梁的高差、拼接后纵横向的位移变形等。若新旧箱梁翼缘板端部高差过大，将导致拼接无法顺利进行；同样，拼接运营后，若收缩徐变引起的纵向位移过大，则会造成新旧箱梁平面弯曲，导致旧桥支座横向位移过大，因此要综合多种因素选择合适的拼接时机。

分别计算新桥建成后6个月、3个月、1个月时，新旧桥梁内侧翼缘板端部位移差值，可以得到位移差值最大值均发生在旧桥中跨跨中(对应新桥桥墩处截面)。1个月时差值为30.37 mm；3个月时差值为30.39 mm；6个月时差值为30.41 mm。可见，虽然延迟拼接会导致新旧桥梁高差值变大，提升拼接难度，但也可发现延迟拼接的影响并不是很大，不同拼接时机的差值只有0.02 mm左右。

拼接时机的不同，还会对拼接后新桥的纵向位移和旧桥的横向位移产生影响，如图10所示，上方梁格表示旧桥，下方梁格表示新桥。

图10 拼接拓宽后新旧桥梁位移

将拼接时机选在新桥建成后1个月，3个月，6个月，新旧桥梁拼接拓宽运营3年后，再对新桥支座处截面支座纵向位移的差值和旧桥支座处截面支座横向位置的差值进行分析。如图11所示，可以发现：新桥0#墩上支座发生的纵向位移的最大值分别为：7.055、5.680、4.855 mm；旧桥0#墩上支座发生横向位移的最大值分别为11.414、9.143、7.79 mm。延迟拼接，可以有效地减少拼接拓宽后桥梁在运营中产生的横纵向位移，一定程度上可以改善新旧桥梁协同工作的效应。新桥的纵向差值和旧桥的横向差值变化趋势都随着拼接时机的延迟而减缓。说明虽然延迟拼接可以改善新旧桥梁的协同受力，但改善的效果会随着时间的推移而降低，因此，延迟时机需要综合考虑工程实际情况。

图11 不同拼接时机下新旧桥梁横纵向位移

4 结 语

通过对错孔布置的连续箱梁结构做有限元计算分析，得到了包含内部受力，拼接部位受力，支座反力，箱梁变形等结构受力特点，并分析了拼接时机，得到以下结论：

(1)拼接拓宽桥梁采用错孔布置可以有效降低旧桥的正弯矩，但会增大支座处截面的负弯矩。

(2)铰接在箱梁纵向负弯矩区弯矩增大的效应要低于刚接，在拼接处的剪力效应虽略大但可控，而刚接则会在拼接处产生横向弯矩，推荐采用铰接。

(3)桥梁恒载对新旧桥梁支座反力的作用较大，其次为汽车活载，汽车活载最小值和各分项荷载会产生负压力，但数值较小，可以不必担心支座脱空。

(4)拼接时机的延迟可改善桥梁的内力变化，综合考虑建议延迟拼接时间为6个月。

(5)错孔布置的结构形式虽会增加新旧桥梁桥面板的受力的复杂程度，但有利于正弯矩区的受力，和减小新旧桥梁翼缘板端的差值。