異形鋼箱梁拼寬橋的受力分析及處理措施

熊禮鵬

（武漢市政工程設計研究院有限責任公司 武漢 430023）

隨著我國經濟建設和道路橋梁事業的發展，舊橋改造工程將越來越多，如何在安全、美觀、經濟、適用的原則下做好舊橋拓寬改建工作是擺在橋梁建設者面前的一個重要課題。

1 橋梁拓寬的總體原則

橋梁拓寬的關鍵問題在于拼接構造的選擇和拼寬橋梁整體受力特性分析。橋梁拓寬后，由于新舊橋梁的受力性能相互影響，制約因素也很多，因此，橋梁拓寬的設計原則可從如下幾個方面考慮［1－2］。

（1）新建橋梁的結構形式、跨徑布置和橋長，原則上和老橋相同，采用上部連接，下部不連接的連接方式。

（2）在設計計算等方面，以及施工工藝等方面應該充分加以考慮，在施工時應采取必要技術措施保證接縫施工質量。

（3）老橋的下部基礎沉降已基本穩定，新建橋梁可能會發生不均勻沉降，導致橋梁橫向不平順，影響行車安全。因此新建橋梁的基礎設計與施工應該盡量避免擾動老橋基礎，并采取必要措施減少新橋的沉降，控制新橋沉降是保證新老橋梁縱向接縫受力良好的關鍵之一。

（4）新老橋梁縱向連接接縫必須認真設計和考慮，要保證新老橋梁共同承擔汽車荷載，變形協調，防止橋面產生縱向裂縫和接縫兩側出現高差，影響行車安全。

（5）施工簡便可行，盡量不干擾既有橋梁交通。同時要考慮既有交通振動對縱向接縫質量的影響。

（6）拓寬橋梁的荷載等級不應低于既有橋梁。由于既有橋梁的荷載等級一般都比較小，或者不能滿足現代交通運輸的需求，因此在老橋拓寬時，最好結合老橋加固改造進行。

2 工程概況

該立交改造工程中的某聯為異形塊，與新建匝道對接，橋梁需要拓寬改造。舊橋異形塊為鋼箱梁，跨徑布置為29.2m＋27.5m＋27.5m＋26.8m＝111.0m，橋寬為26.0～47.4m。拓寬新橋也采用鋼箱梁的形式，跨徑布置與舊橋一致，加寬寬度為7.5～14.6m不等。舊橋與新橋之間的連接，首先將舊橋懸臂切割一部分，然后通過現場焊接鋼橫梁拼接。舊橋拓寬前后平面圖和斷面圖見圖1～圖4。

圖1 鋼箱梁拓寬前平面圖

圖2 鋼箱梁拓寬前斷面圖（單位：mm）

圖3 鋼箱梁拓寬后平面圖

圖4 鋼箱梁拓寬后斷面圖（單位：mm）

舊橋鋼箱梁標準段橋寬26.0m，梁高1.92 m，截面為單箱4室，兩側懸臂各3.75m。新橋鋼箱梁標準段橋寬7.5m，梁高1.62m，截面為單箱2室。鋼箱梁板厚與舊橋保持相同，即箱梁頂底板厚16mm，在支點橫梁區域加厚至20 mm；箱梁兩外側腹板采用斜腹板，中間采用直腹板，厚度為14mm，在支點橫梁附近區域加厚至20mm。

橋梁施工步驟。下部結構施工→搭設臨時支架→切割舊橋懸臂→吊裝新橋鋼箱梁→澆筑新橋鋼纖維層鋪裝→拼接鋼橫梁→澆筑瀝青鋪裝→拆除臨時支架→成橋運營。

3 有限元模型

橋梁整體計算采用梁格法，按梁格法原理劃分橫斷面，縱向梁格構件按腹板位置劃分，截面特性按實際計算，將加勁肋的面積均攤到頂板和底板厚度中；橫向梁格構件取在橫隔板的位置，按工字形計算截面特性。有限元模型采用Midas 2010空間梁單元模擬，全橋共計1 171個單元，943個節點，邊界條件根據支座的具體位置情況確定，有限元模型見圖5。

圖5 橋梁整體有限元模型

本文計算主要對鋼箱梁進行施工階段和運營階段的受力分析，活載為城－A級，橫向10車道。

施工階段計算。主橋施工按新舊橋連接前和連接后，計算各階段鋼箱梁的內力和位移。

運營階段計算。包括恒載、活載、支點沉降、溫度等工況，按規范進行最不利荷載組合，對結構的安全性和適用性進行計算。

4 拼接橋的受力特性分析

4.1 拼接橋的縱梁受力狀態

通過對鋼箱梁的計算分析，得出鋼箱梁在施工階段和運營階段各項荷載標準組合作用下的應力包絡圖，見圖6～圖7；橋梁在恒載和活載作用的位移見圖8～圖9。

圖6 縱梁上緣標準組合正應力包絡圖（單位：MPa）

圖7 縱梁下緣標準組合正應力包絡圖（單位：MPa）

圖8 橋梁恒載位移圖（單位：mm）

圖9 橋梁活載位移圖（單位：mm）

由整體計算結果可知，上緣最大拉應力91 MPa，發生在中墩截面，最大壓應力－65.2MPa，發生在邊跨跨中截面，考慮與橋面板局部應力疊加仍小于規范容許應力210MPa，滿足規范要求；下緣最大拉應力101.5MPa，發生在邊跨跨中截面，最大壓應力－103.5MPa，發生在中墩截面，小于規范容許應力210MPa，滿足規范要求。

由圖8～圖9可見，恒載作用下最大豎向位移為36mm，發生在邊跨跨中；活載作用下最大豎向位移為12mm，發生在邊跨跨中，滿足剛度要求。

4.2 拼接橋的橫梁受力狀態

對于拓寬擴建工程，新老橋之間沉降是不一致的，沉降的控制是橋梁拼接是否能夠成功的一個關鍵問題。新老橋的不均勻沉降主要影響結構的局部受力，特別是對鋼箱梁拼接橫梁的影響較大，所以在設計中要著重計算拼接橫梁的受力狀態，同時，由于橫橋向支座間距較小，沉降容易引起支座脫空，此時可在支點橫梁局部填充混凝土提供壓重。

為保證新舊橋梁拼接能取得良好的施工效果，除了加強施工過程中的沉降觀測外，同時要求新舊結構拼接端高程誤差控制在5mm以內。因此，本文新建橋梁的樁基沉降取為5mm，以此進行上部構造的計算分析。拼接橫梁在運營階段的標準組合正應力包絡圖見圖10～圖11。

圖10 連接橫梁上緣標準組合正應力包絡圖（單位：MPa）

圖11 連接橫梁下緣標準組合正應力包絡圖（單位：MPa）

由圖10～圖11的計算結果可見，拼接橫梁上緣最大拉應力35.0MPa，最大壓應力－32.5 MPa；下緣最大拉應力44.5MPa，最大壓應力－29.2MPa，均小于規范容許應力210MPa，滿足規范要求。

5 橋梁拓寬連接措施

5.1 連接構造方案比較［3］

考慮到施工的可行性，通過反復論證，決定在新舊橋之間通過連接橫梁拼接，即鋼橋面板連續，縱橋向每間隔1.5m設置一道隔板橫梁。拼接橫梁與新舊橋之間的連接考慮栓焊連接（即腹板栓接，頂底緣焊接）和全部焊接2種方案，2種連接形式的局部構造見圖12。

圖12 連接方式（單位：mm）

通過對這2種連接形式的比較分析，全焊接方案相對于栓焊連接方案來說，其優點是構造簡單，但工地焊接工作量大、施工難度大、焊縫質量也很難控制，并且施工時間較長。因此，綜合施工難度、施工工期、結構耐久性等方面的因素，鋼箱梁新舊結構連接采用栓焊連接的方式。

5.2 樁基沉降控制措施

考慮沿線軟土地區地質的特殊性，參考原橋基礎的設計，同時考慮施工工期限制等不確定因素，樁基沉降采取以下控制措施［4－6］：

（1）在樁尖標高不變和計算分析滿足容許承載力的前提下，適當增加樁徑或增加樁長，以增大樁側壁摩阻力。

（2）拼接之前對新建橋梁橋面盡早鋪裝和采取壓重措施，使結構更接近設計荷載，可以起到加大加快沉降的作用。

（3）上部構造延遲拼接。當新建橋梁上部構造完成至橋面混凝土現澆層后，等待3～5個月后再拼接，讓一部分沉降在拼接之前發生，可以減小拼接后的沉降值。

6 結論

本文介紹了某立交拼寬橋的鋼箱梁結構設計，并給出了橋梁拼接后受力計算結果和拼接橫梁構造措施。分析結果顯示，結構設計合理，安全可靠。該工程的順利實施，為今后其他類似工程結構設計提供了參考。

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