混凝土連續箱梁橋錯孔拓寬新舊橋翼緣板受力性能分析

■丁自明

（蘇交科集團股份有限公司，南京 210019）

1 工程概況

本橋位于武進市遙觀鎮坊前村南側，是常州市東西向干線公路上的一座橋梁，其跨徑布置為23+30+30+30m，于2004年建成通車。橋梁上部結構采用單箱雙室預應力混凝土箱梁，單幅橋寬13.5m，梁高1.55m；下部結構為柱式墩。橋梁采用斜橋正做、錯孔反對稱布置的方式跨越被交道，與被交道路的交角為39°09′。

本次改擴建中，擬采取錯孔布置橋墩的新橋跨徑為32.62+33+26+21.38m，單幅拓寬至20.5m。錯孔跨徑和支墩的平面布置及斷面情況分別如圖1、圖2所示。

圖1 采用錯孔拓寬的混凝土橋梁平面布置（單位：cm）

圖2 混凝土箱梁拓寬時標準節段斷面尺寸圖

2 拼寬方案研究

混凝土箱梁的錯孔拓寬，使橋梁結構受力十分復雜。拓寬后使新橋的部分跨徑增大，新、舊橋之間的荷載傳遞規律復雜[1][2]。

為了解新舊橋橫向拼接方式對舊橋翼緣板受力的影響，需對新舊橋翼緣板剛接/鉸接方案分別進行研究。通過建立兩種拼接方式的理論力學模型，4m標準節段以及全橋模型等不同維度模型來分析舊橋拼接翼緣板受力情況，了解剛性連接和鉸接拼接方案的不同受力規律。

3 拼接方案對節段受力影響分析

采用Abaqus通用有限元軟件建立縱向長度為4m的實體單元梁段空間模型，考慮到局部分析關注翼緣板的受力情況，該模型的邊界條件為箱梁腹板底部設為簡支條件。翼緣板接縫位置新舊橋翼緣端面采用TIE技術連接為整體；當采取鉸接方案時可徑直簡化為端面中間連線綁定。其模型示意圖如圖3所示。

圖3 標準節段受力分析模型示意圖

3.1 新橋發生沉降時翼緣板受力分析[3]

為了揭示新橋沉降下翼緣受力規律，研究舊橋在更不利情況下新橋發生統一沉降下的應力分布情況，可根據標準節段模型進行受力分析。

（1）新橋沉降時剛性連接翼緣板局部受力分析

采用TIE技術將新舊橋翼緣板端面連接之后，新舊橋梁段模型形成一個剛性整體結構。該模型的新橋梁段發生5mm沉降后發生明顯下沉，最大的豎向位移是-5.125mm，如圖4所示。

圖4 混凝土橋新梁沉降時豎向位移云圖（單位：m）

在新、舊橋翼緣板根部相應也產生了拉應力區，其等效應力最大值為7.088MPa。

對于舊橋梁段翼緣板部分，位移沉降使翼緣板根部上端產生局部拉應力區，最大為5.645MPa，其剪切應力最大為1.298MPa。

（2）新橋沉降時鉸接拼接翼緣板局部受力分析

采用TIE技術將新舊橋翼緣板端面中線連接之后，新舊橋梁段模型翼緣板拼接部分形成一個鉸接構造。該模型的新橋梁段發生5mm沉降后新橋箱梁整體發生明顯豎向位移，最大為-5.334mm，如圖5所示，翼緣板發生明顯變形。

圖5 混凝土橋新梁沉降時豎向位移云圖（單位：mm）

在新、舊橋翼緣板根部產生了較大范圍的應力，其等效應力最大值為6.966MPa。

對于舊橋梁段翼緣板部分，沉降使翼緣板上端產生較大范圍的拉應力區，最大為5.866MPa，很可能使舊橋翼緣板產生批量縱向裂縫，這也說明新橋沉降在局部受力分析中起控制性作用。另外，舊橋翼緣根部也承受較大剪應力。

（3）對比分析

對比混凝土箱梁新舊橋拼接翼緣板應力分布，詳見圖6，剛接/鉸接兩種方案時拼接翼緣板上、下表面正應力比較接近。在新橋發生5mm沉降作用下，舊橋翼緣板根部產生較大的正應力，超過了混凝土開裂應力的限值，如果沉降發生，舊橋翼緣板根部必定批量出現縱向開裂現象，影響行車使用性能和安全性。

圖6 （a）混凝土梁拼接翼緣板上表面的正應力分布情況

圖6 （b） 混凝土梁拼接翼緣板下表面正應力分布情況

3.2 車輛荷載輪壓下翼緣板的局部受力分析[4]

對于混凝土連續箱梁橋，翼緣或者是拼接后的中間頂板是直接承受汽車輪壓作用的承重結構，在構造上是拓寬后新舊橋梁整體結構的組成部分，又將汽車荷載傳給箱梁部分，保證了新舊箱梁的整體作用。

通過Abaqus通用有限元軟件建立縱向長度為4m的實體單元梁段空間模型，考慮到局部分析關注翼緣板的受力情況，模型的邊界條件模擬為箱梁地面局部為簡支條件。將車輛荷載后軸輪壓作用于接縫位置中心，按公路橋涵設計通用規范計取車輛荷載后軸重力標準值2×140kN，考慮鋪裝層厚度計算板上荷載壓力面的尺寸為0.4m×0.8m，如下圖7所示。拓寬后計算中間頂板內力的沖擊系數取0.3。

（1）剛性連接時翼緣板局部受力分析

在局部輪壓荷載工況下，車輛荷載后軸輪壓區域發生明顯的變形，最大的位移是0.13mm。在翼緣板接縫位置相應也產生了應力集中區，其最大值為1.062MPa。

對于舊橋梁段翼緣板部分，車輪壓力作用使翼緣板接縫位置下表面產生局部拉應力區，其最大拉應力不超過0.96MPa。

（2）鉸接拼接時翼緣板局部受力分析

在局部輪壓荷載工況下，汽車輪壓區域發生相應下沉，最大的位移是0.28mm。在新、舊橋翼緣板根部均有近似對等的應力集中分布區域，等效應力最大值為0.936MPa。

圖7 車輛后輪荷載布置橫截面圖和平面圖（單位：cm）

對于舊橋梁段翼緣板部分，車輛荷載后軸車輪壓力作用使翼緣板上端產生較大范圍的拉應力區，其最大剪切應力為0.86MPa。

（3）剛接和鉸接方案在局部受力情形對比分析

混凝土連續箱梁橋翼緣板拼接構造的不同明顯影響翼緣板和接縫位置的應力分布和變形情況。對于運營期達十多年的舊橋梁段翼緣板，輪壓作用下翼緣板根部上端區域將會承受一定程度的拉應力。剛接和鉸接兩種拼接構造在該區域上下表面的截面正應力變化幅度見圖8和圖9。

圖8 翼緣板截面上表面橫向正應力分布對比分析

圖9 翼緣板截面下表面橫向正應力分布對比分析

汽車輪壓作用下，采用不同構造方案拼接后的橋面板將會發生不同程度的下撓，如圖10所示。

圖10 拼寬后翼緣板豎向位移對比分析

在拓寬中采用剛接方案拼接的情形，汽車輪壓作用下在翼緣板接縫位置底部會出現一定范圍的拉應力區，舊橋的翼緣板其他部位的應力水平較低和變形也小，在翼緣板根部頂端的拉應力區最大值為0.38MPa。而對于采用鉸接情形，汽車輪壓作用下在翼緣板上部靠近根部范圍內出現較為顯著的拉應力區，最大為0.62MPa，其變形也相對較大。

對于運營期達10多年的舊橋梁段翼緣板，輪壓作用使翼緣板根部上端產生局部拉應力區，該區域若拉應力過大，則會有使橋面板產生縱向裂縫的風險，所以在選擇橫向拼寬構造方案時應需謹慎。

3.3 新橋沉降與車輛荷載組合作用局部受力分析[5]

橋梁拓寬完成后，箱梁翼緣板往往需承受新橋沉降與車輛荷載的組合作用。

翼緣板上、下表面正應力通過組合后，沉降作用對于拼接翼緣板受力影響非常明顯，舊橋翼緣板根部上表面所受拉應力主要來自于新橋梁段發生沉降5mm。由于模型選取中間典型位置拓寬方案分析，剛接和鉸接方案在該位置的拉應力接近，超過了混凝土開裂應力的限值。而在組合輪壓荷載作用時，剛接/鉸接方案的差異會對箱梁翼緣有一定程度的影響。

因此，采用混凝土箱梁拓寬既有橋梁技術中，對于將翼緣板的拼接縫設在中間位置的情形，翼緣板上表面所受的截面正應力較為接近，起主導作用的新橋沉降作用使舊橋翼緣根部承受水平接近的橫向拉應力，有使產生混凝土翼緣板根部上表面產生縱向裂縫的可能。

圖11 翼緣板上表面組合正應力分布情況

圖12 翼緣板下表面組合正應力分布情況

4 拼寬方案對全橋整體受力分析

4.1 混凝土箱梁拼寬全橋有限元分析模型

分析采用MIDAS fea有限元軟件建模計算，混凝土箱梁部分（C50）采用實體三維單元建模。全橋網格尺寸大小控制在20cm范圍，共建立68363個節點，16582個單元。

圖13 混凝土箱梁拓寬幾何模型模型總體示意圖

圖14 模型底面支座布置示意圖

劃分網格后，通過分割接縫中心位置上下點的節點，可以實現鉸接構造。

4.2 新橋沉降工況下兩種構造拼接受力對比分析

根據拓寬新橋實際工程經驗，在計算基礎沉降差時，靠拼接縫越近，受舊橋約束影響越大，沉降值相對減小。在新橋沉降的同時，舊橋基礎受力增加，有可能發生微小沉降，本文暫不予考慮。對于新舊橋沉降模式的確定做以下假設：

（1）假設新舊橋梁的基礎沉降差為定值，不隨時間發生變化；

（2）認為經過10多年的沉降，舊橋不發生沉降；

（3）拓寬后橋梁新舊基礎沉降差僅考慮新橋發生沉降，且橫向按照線性沉降模式。

舊橋原有懸臂2.5m，切除1m后，與新橋翼緣濕接。在沉降作用下懸臂翼緣截面上緣受拉，下緣受壓，其全橋和翼緣受力情況見圖15。

在沉降工況下，剛性連接構造形式的拼接翼緣板拉應力值大于鉸接方案。舊橋兩端邊墩附近的上翼緣拉應力最大，接近3.2MPa，新橋拼接側下翼緣根部受到最大拉應力，約為3.5MPa，在新橋設計時需要注意此處的抗拉設計。

圖15 兩種方案應力分布圖

4.3 車輛荷載工況下兩種構造拼接受力對比分析

原橋橫向拓寬后，翼緣車道位置發生改變，使拼接翼緣承受汽車荷載作用。車輛荷載作用于橋梁結構的局部（舊橋拼接翼緣部分），按照老規范規定選用掛車荷載作為可變作用，不考慮溫度作用、收縮徐變作用以及基礎變位等作用。車輛布置位置見圖16。通過計算可知此時布置時舊橋懸臂上翼緣所受拉應力最大。在車輛作用下懸臂翼緣上緣受拉為正，下緣受壓為負。

在車輛荷載工況下，由表1可以看出，兩種方案翼緣板上表面均出現拉應區，且最大值發生在舊橋翼緣板根部。同時，鉸接和剛接對舊橋拼接翼緣的影響程度又有一定的區別：混凝土箱梁翼緣板采用鉸接形式連接時，舊橋翼緣上表面出現較大范圍的拉應力區，而且造成上翼緣拉應力比剛接大約15%～25%左右，特別是在單獨支座處，其影響程度出現較大的差異。

圖16 局部車輛荷載布置平面圖

表1 局部車輛作用下舊橋拼接翼緣最大拉應力對比表

4.4 拼寬后滿布車道荷載對舊橋拼接翼緣影響

舊橋拼寬后，車道數增加，在空間上新舊橋協同作用。考慮以下三種活載工況下，舊橋拼接翼緣的受力：①舊橋三車道滿載；②新橋兩車道滿載；③全橋五車道滿載。

通過計算可知，無論采用橫向哪種連接方式，工況3作用下，舊橋拼接翼緣根部出現橫向最大拉應力 （鉸接1.31MPa、剛接 1.24MPa）。

無論采用橫向哪種連接方式，工況1、工況3在舊橋拼接翼緣下表面造成最大橫向拉應力（剛接1.24MPa、鉸接1.31MPa），工況2在舊橋拼接翼緣上表面出現最大橫向拉應力（剛接 0.94MPa、鉸接 0.87MPa）。

活載作用下，鉸接/剛接時，舊橋應力云圖接近，即橫向連接方式對應力分布影響較小。

對比各工況下舊橋拼接翼緣最大橫向拉應力，工況1，鉸接大于剛接，差值為0.05MPa，相差5%；工況2，剛接大于鉸接，差值為0.07MPa，相差8%，工況3，鉸接大于剛接，差值0.07MPa，相差5.6%。總體上剛接比鉸接時橫向傳力較多，有利于新橋分擔更多荷載。

綜上，活載作用下，兩種連接方式中，舊橋翼緣橫向應力分布規律接近，但鉸接對舊橋拼接翼緣受力更不利。全橋五車道活載為最不利工況，造成舊橋拼接翼緣的橫向拉應力最大值為1.31MPa。從舊橋翼緣受力有利角度，宜采用新舊橋剛接。

5 結論

通過兩種方案的分析比較，可以得出以下結論：

（1）沉降作用對剛接/鉸接兩種方案箱梁拼接翼緣板的受力情況影響比較明顯。而輪壓局部荷載作用下的翼緣板的受力水平相對較小。

在新橋沉降工況下，新舊橋錯孔布置使邊跨支座位置截面的舊橋翼緣根部上表面產生較大拉應力，在橋梁拓寬設計時應予以關注，提出相應加強措施。基礎不均勻沉降差對翼緣板的影響主要集中在兩個支點截面位置，尤其是邊跨支點截面。基礎不均勻沉降差作用下，舊箱梁翼緣板根部上緣與新箱梁翼緣板根部下緣位置處于受拉狀態，拉應力較大，應作為計算控制截面。

（2）采取部分截短舊橋翼緣板技術對舊橋翼緣板根部受力產生有利影響。剛接/鉸接方案新橋發生沉降，截短舊橋翼緣板能明顯減小鉸接方案翼緣板根部的彎矩和剪力值。局部輪壓作用下截短舊橋翼緣板會使剛接方案的內力值小于鉸接方案，但是經兩種作用荷載組合后不起控制作用。

（3）當拼接翼緣板跨中設置鉸接構造時，新橋沉降作用下舊橋翼緣板根部上下表面正應力與剛接方案相比較為接近。

在局部輪壓作用下，采用中間設鉸方案時在翼緣板上部靠近根部范圍內出現較為顯著的拉應力區，其變形也相對較大。而汽車輪壓作用下采用剛接方案拼接在翼緣板接縫位置底部會出現一定范圍的拉應力區，舊橋的翼緣板其他部位的應力水平較低和變形也小，在翼緣板根部頂端的拉應力區最大值為0.38MPa。

對于運營期達十多年的舊橋梁段翼緣板，輪壓作用使翼緣板根部上端產生局部拉應力區，該區域若拉應力過大，則會有使橋面板產生縱向裂縫的風險，所以在選擇橫向拼寬構造方案時應需謹慎。

[1]魏海偉.混凝土連續箱梁橋錯孔拓寬后結構的力學性能研究[D].南京：東南大學碩士學位論文，2013.

[2]趙力國，房佳蘋，顧大鵬.基于連續箱梁橋錯孔拓寬方式拼接內力分析[J].山西建筑，2016（16）：194-196.

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[4]項海帆.高等橋梁結構理論[M].北京：人民交通出版社，2001.

[5]中華人民共和國交通運輸部.JTG D60-2015，公路橋涵設計通用規范[S].北京：人民交通出版社，2015.