拓寬改造橋梁整體性能受力分析

□文 /杜國福

隨著現(xiàn)代經(jīng)濟的發(fā)展，交通量迅速增大，部分橋梁橋面寬度已不符合實際公路等級和交通流量的要求。為適應(yīng)路線拓寬改建后的公路等級要求，提高橋梁的通行能力，需要將舊橋拓寬擴建。橋梁加寬工程是新舊結(jié)構(gòu)的重新組合，根據(jù)新舊橋連接方式不同，拼接方式可分為上下部結(jié)構(gòu)均連接、上部結(jié)構(gòu)連接下部結(jié)構(gòu)不連接及上下部結(jié)構(gòu)均不連接三種形式[1]。受混凝土收縮、徐變、基礎(chǔ)不均勻沉降等引起的附加應(yīng)力作用，拓寬后橋梁結(jié)構(gòu)的受力情況較原結(jié)構(gòu)有較大變化，如處理不當(dāng)，會造成構(gòu)件的損壞，影響結(jié)構(gòu)安全。

以采用上部結(jié)構(gòu)連接下部結(jié)構(gòu)不連接形式拓寬改造的某跨徑為13 m的混凝土簡支板梁橋為例，使用橋梁有限元分析軟件對其拓寬施工后新舊板梁結(jié)構(gòu)受力情況進行分析。

1 分析計算內(nèi)容

分析內(nèi)容包括：混凝土收縮、徐變作用下新舊板梁結(jié)構(gòu)的變形分析；基礎(chǔ)不均勻沉降作用下新舊板梁結(jié)構(gòu)的變形分析。橋梁拓寬后上部結(jié)構(gòu)狀況見圖1。

圖1 新舊橋連接后板梁編號

2 模型建立

建立橋梁實體模型，進行施工及成橋階段主要截面受力情況計算分析，計算時考慮橋面鋪裝的共同參與受力作用。空心板梁結(jié)構(gòu)建立以0.15 m為單位的結(jié)構(gòu)有限元模型；下部結(jié)構(gòu)墩柱及蓋梁建立3D梁單元模型。橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型見圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)有限元分析模型

3 施工階段模擬

分析按照施工步驟和工程階段連續(xù)進行，主要模擬舊橋修建，新舊橋拓寬連接及拓寬后橋梁運營等情況，具體施工階段模擬步驟見表1。

表1 模型分析施工階段情況

4 混凝土收縮徐變作用下板梁結(jié)構(gòu)受力分析

混凝土橋梁橫向拼接時主梁的長期效應(yīng)主要是由收縮徐變引起的。舊梁在使用多年以后混凝土的收縮徐變基本已經(jīng)完成，而拼接時新梁的混凝土齡期較短，收縮徐變還沒有完成，拼接后新梁的收縮、徐變變形受到拼接處的舊梁的混凝土與橫向抗剪鋼筋的約束作用，必然會引起新舊梁之間內(nèi)力的重分布[2]。本文主要研究SG1、SG 4和SG 7三個典型階段新舊梁體結(jié)構(gòu)的豎向變形情況。

4.1 SG1階段

舊橋板梁跨中截面豎向位移累計上拱值為13.0～15.4 mm，見圖 3。

圖3 梁體豎向位移分布

4.2 SG4階段

該階段新舊結(jié)構(gòu)尚未完成拼接施工，各自單獨受力。此時舊橋板梁跨中截面的豎向位移累計上拱值為25.4～29.0 mm，新橋板梁跨中截面的豎向位移累計上拱值為11.1～11.8 mm，其中新舊結(jié)構(gòu)相近兩片板梁的豎向位移差值為18 mm。見圖4。

4.3 SG7階段

該階段新舊結(jié)構(gòu)拼接成一個受力整體并共同運營了10 a。此時舊橋板梁跨中截面的豎向位移累計上拱值為21.5～25.3 mm，較SG4階段有所下降；新橋板梁跨中截面的豎向位移累計上拱值為18.3～19.6 mm，較SG4階段有所上升，其中新舊結(jié)構(gòu)相近兩片板梁的豎向位移差值為7.2 mm，錯位顯著降低。見圖5。

圖5 梁體豎向位移分布

5 基礎(chǔ)沉降差作用下板梁結(jié)構(gòu)受力分析

橋梁拓寬的新舊結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)沉降在運營過程中會存在差異，導(dǎo)致對拓寬結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生不同影響。假設(shè)新舊結(jié)構(gòu)樁基沉降差達到10mm[3]，此時新舊梁體豎向變形差值為12 mm，見圖6。

圖6 梁體豎向位移分布

6 結(jié)論

1）拓寬改造橋梁的新舊結(jié)構(gòu)因混凝土齡期不同，在收縮徐變作用下豎向變形不一致。以本文舉例的混凝土板梁結(jié)構(gòu)，施工前期新舊板梁豎向位移差異較大；但隨著橋梁的運營，舊結(jié)構(gòu)收縮徐變作用逐步減小以及新舊結(jié)構(gòu)的互相約束作用，其間的變形差異逐漸縮小。經(jīng)計算分析運營10 a后新、舊結(jié)構(gòu)豎向變形累計差值為7.2 mm且為局部現(xiàn)象，此時對結(jié)構(gòu)整體性能和行車舒適度影響不大。

2）新舊橋基礎(chǔ)的沉降差引起的板梁豎向變形在新舊橋拼接段過渡的十分劇烈，易產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，可能造成橋面或梁體局部開裂。故橋梁拓寬改造設(shè)計時應(yīng)對新舊基礎(chǔ)的不均勻沉降問題重點關(guān)注且在運營過程中加強跟蹤觀測，及時發(fā)現(xiàn)對應(yīng)位置的開裂情況，采取相應(yīng)維修措施。