鳳山分離式立交橋拓寬設計數值模擬分析研究

林光忠

（福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004）

近年由于福廈漳高速公路沿線社會經濟快速發展和交通量迅速增加，使得其服務水平逐漸降低，交通壓力越來越大。 高速公路及時擴建是緩解交通運輸壓力和提高運輸服務水平的必要措施[1]。鳳山分離式立交大橋位于福廈漳高速廈門段A2 標段內， 是聯系廈門市區和漳州市區的紐帶，發揮著極其重要的交通運輸作用，對帶動廈門市和漳州市的建設以及區域經濟的繁榮具有重要意義。

橋梁拼寬改造的關鍵技術之一是如何確定舊橋與拼寬新橋部分的縱向接縫， 以及縱向接縫對橋梁結構局部和整體受力性能的影響[2-3]。 現對鳳山分離式立交橋連同拼寬新橋運用ANSYS 有限元軟件進行模擬分析，從而為掌握拼寬新橋和舊橋的整體受力性能和優化設計以及施工監控提供理論依據。

1 工程概況

鳳山分離式立交大橋原橋上部結構采用27.2＋42.4＋27.2m 三孔一聯預應力砼低高度連續梁， 橋梁全長104.96m，上跨國道324 線，與國道斜交55°。 下部結構：全橋采用樁基礎，共32 根樁，其中磨擦樁30 根，柱樁2 根，橋墩均為獨柱墩。 原橋面寬為2×12.5m，根據福廈漳高速公路擴建標準，全橋雙側各加寬8m，使得擴建后的橋面寬為2×20.5＋1m。本文對完全鉸接、半剛性連接和剛性連接3種縱向接縫連接形式進行數值模擬分析，3 種構造見圖1。

圖1 3 種構造示意圖

2 動力特性分析

2.1 計算模型

采用ANSYS 分析軟件建立有限元模型，按結構的實際尺寸對全橋進行建模。模型采用笛卡爾三軸坐標。X 軸沿橋縱軸方向，Y 軸豎向向上，Z 軸為水平橫橋方向，垂直橋縱軸線。 有限元模型如圖2 所示。

圖2 整體有限元模型和局部有限元模型

2.2 單元類型和材料參數

在有限元模型中，全橋采用solid45 單元模擬，預應力筋采用link8 單元模擬。 基本材料參數為①C50 混凝土： 新舊橋主體結構， 彈性模量E=3.45×104MPa， 容重Dens=24.5kN/m3，密度2.50×103kg/m3，泊松比0.167；②C40混凝土：新舊橋橋面鋪裝，彈性模量E=3.25×104MPa，容重Dens=24.5kN/m3，密度2.50×103kg/m3，泊松比0.167；③7φ5 鋼絞線：預應力筋，彈性模量E=1.95×105MPa，泊松比0.3，線膨脹系數1.2×10－5。

2.3 計算結果及分析

通過有限元模型的實際模擬分析， 計算得到各階的頻率見表1，各階的振型見圖3。 從動力特性計算結果來看，3 種模型的頻率非常接近，說明3 種連接方式的橋梁整體剛度非常接近， 不同連接方式對橋梁整體剛度影響很小。

表1 各階自振頻率

圖3 各階振型

3 靜力特性分析

3.1 加載布置

按公路-1 級車道荷載進行橋梁的整體計算，分為正彎矩工況加載和負彎矩工況加載[4-5]，按照剛接模型、半剛接模型和鉸接模型先后進行靜力分析。 根據跨中和內支座截面的影響線對橋梁進行活載的不利布置， 縱橋向布置如圖4 所示，橫橋向布置分別按新舊橋滿載（分2 輛車和4 輛車兩種情形）、偏載（分2 輛車和4 輛車2 種情形）和接縫局部（2 輛車）進行。

圖4 荷載縱向布置(單位：cm)

3.2 自重和預應力作用下新舊橋梁的靜力特性分析

因新舊橋是不同時間建造， 所以應對其在重力作用下的靜力特性分別計算，具體為通過ANSYS 軟件分別建立舊橋、新橋的有限元模型，分別施加重力荷載并求解。在ANSYS 模型進行預應力加載時，本文采用應用最多的降溫法進行加載和分析[6-7]。 具體模擬為新舊橋模型中預應力筋采用LINK8 單元進行，在索桿結構分析中，LINK8單元用來模擬其中的剛性桿。 對預應力筋單元進行網格劃分，而后對其施加溫度荷載，使其收縮，達到模擬預應力的目的。

通過模擬分析， 得到舊橋和拼寬新橋各自在自重下的撓度和在預應力效應下的預拱度， 沿橋面寬度分布曲線見圖5。 可以看出，自重作用下新橋和舊橋的下撓比較接近， 說明兩者剛度比較接近， 新橋剛度略小于舊橋剛度。而新橋在預應力作用下的上拱要小于舊橋上拱，需在施工中引起注意。

3.3 撓度沿橋橫向分布和縱向分布

通過數值模擬分析， 可得到各加載工況下不同接縫連接形式跨中截面的撓度結果和各關鍵點撓度沿橋橫向分布曲線。因計算結果表格和分布曲線較多，故不在此一一羅列，下面的應力分析和沉降分析也是如此。從計算結果和分布曲線可得到撓度橫向分布的規律為： ①3 種模型的撓度橫向分布曲線幾乎重合， 說明3 種模型的剛度比較接近； ②最大撓度發生在舊橋偏載4 輛車的荷載作用，3 種模型最大撓度均為3.73mm，遠小于規范規定的撓度限值，說明橋梁的整體剛度比較大。

在正彎矩加載工況作用下， 分別繪制撓度沿橋梁縱向分布曲線，以觀察全橋變形是否協調，從其分布曲線中可得到以下規律：①撓度沿橋梁縱向分布變化均勻，撓度曲線光滑；②3 種連接形式下，橋梁撓度沿縱向變化基本一致。在負彎矩加載工況作用下，從撓度沿橋梁縱向分布曲線可得到以下規律：①撓度沿橋梁縱向分布變化均勻，撓度曲線光滑；②在負彎矩工況作用下，3 種模型的縱向撓度分布曲線基本吻合。

3.4 應力分析

3.4.1 中跨跨中L/2 截面應力分析

當進行正彎矩工況計算時， 中跨L/2 截面為全橋最不利截面。通過模擬分析，可得到各不同縱向接縫連接形式下，中跨L/2 截面橋梁頂板控制點的應力比較曲線，從中可得出以下規律： ①3 種連接模型頂板縱向應力橫向分布曲線形狀相近， 說明3 種連接方式具有比較相近的荷載傳遞效果；②在汽車荷載作用下，應力總體較?。虎塾捎跇蛄簩挾容^大，并且斜角，頂板并不完全處于受壓狀態，在偏載作用下，由作用一側受壓，逐漸變化為遠端受拉，其中新橋4 輛車偏載作用產生的應力最大，最大壓應力為0.72MPa，最大拉應力為0.14MPa。

3.4.2 內支座截面應力分析

如同正彎矩加載作用下， 中跨L/2 截面為全橋最不利截面，在負彎矩加載工況下，內支座截面為全橋最不利截面。通過模擬分析，可得到3 種連接模型內支座截面橋梁頂板關鍵測點的應力和支座截面上緣應力沿橋面寬度分布曲線， 從中可得出以下規律：①3 種連接模型頂板應力橫向分布曲線形狀相近， 說明3 種接縫具有比較相近的荷載傳遞效果；②頂板并不完全處于受拉狀態，在偏載作用下，由作用一側受拉，逐漸變化為遠端受壓，其中新橋4 輛車偏載作用產生的拉應力最大，為0.51MPa。

3.5 新舊橋不均勻沉降的數值計算分析

由于老橋已經建成通車多年， 其基礎沉降已基本穩定，而拓寬部分橋梁會隨著時間的推移，可能會不斷發生沉降。新舊墩臺基礎相對沉降是指拓寬墩臺的正常沉降，會引起拓寬部分梁體的下撓， 從而會直接影響到新舊橋及其連接結構受力， 這就是在拓寬工程中的基礎不均勻沉降問題， 在此主要對橋梁翼緣懸臂連接段進行受力分析。

3.5.1 計算工況

沉降計算的工況如下： 工況1 為支座沉降5mm；工況2 為新橋支座沉降7.5mm；工況3 沉降10mm。 分別對3 種連接模型進行支座沉降的3 個工況有限元模擬計算。

3.5.2 沉降影響比較分析

通過數值模擬分析， 可得到3 種連接模型在不同工況下的應力。 經過計算結果比較分析，可以發現，在沉降作用下，支座截面的拉應力比較大，為不利截面；沉降對懸臂連接段的受力影響隨沉降值的增大而增大； 沉降對新舊橋主梁的影響較小，而對接縫的影響較大；在沉降作用下，新橋懸臂根部下緣的拉應力最大，而舊橋懸臂上緣處于雙向受拉狀態。

4 結論

本文以ANSYS 有限元軟件為建模工具，通過對舊橋和新橋拓寬后分別進行數值模擬分析， 得到如下幾個重要結論：

(1）動力特性方面：在3 種不同接縫連接形式（剛接、半剛接和鉸接）下，橋梁的動力特性（頻率和振型）非常接近，一階豎向頻率均為5.17Hz，說明接縫形式對橋梁的整體剛度影響很小。

(2）自重作用：獨立承受自重作用，新橋和舊橋的下撓比較接近，說明兩者的剛度比較接近，舊橋最大撓度為14.01mm，新橋最大撓度為17.28mm，新橋的剛度略小于舊橋的剛度。

(3）汽車荷載作用方面：在汽車荷載作用下，跨中截面應力較大，為不利截面且橫向拉應力大于縱向拉應力；各種接縫連接的橋梁剛度和強度都滿足規范要求。

(4）沉降方面：接縫形式對橋梁整體受力影響不大，考慮橋梁長期使用的可靠性， 建議使用剛性或半剛性連接接縫，鉸接接縫對于后期的養護維修不利。