現(xiàn)澆箱梁拼寬橋上部結(jié)構(gòu)受力特性分析

沙嵩

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，南京210000）

1 引言

我國(guó)對(duì)于拼寬橋的研究起步較晚，最早是進(jìn)行T梁和空心板梁橋的拼寬，在進(jìn)行拼寬時(shí)將新舊橋梁通過(guò)濕接縫和橫隔板等進(jìn)行連接，后期運(yùn)行過(guò)程中會(huì)存在沉降等問(wèn)題。為解決拼寬橋帶來(lái)的問(wèn)題，相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究。徐志強(qiáng)[1]通過(guò)有限元分析了T梁橋拼接后上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化，通過(guò)對(duì)橋梁的橫向力分布系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，表明提高剛度可降低橋梁內(nèi)部應(yīng)力。王曦婧[2]通過(guò)研究表明，基礎(chǔ)沉降對(duì)箱梁的受力影響最大，且發(fā)生沉降最不利位置為邊跨和中跨支點(diǎn)。王亞?wèn)|[3]通過(guò)研究橋梁的收縮徐變產(chǎn)生的內(nèi)力變化，結(jié)果表明，半剛性連接結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力較小，剛性連接橋梁的穩(wěn)定性能良好。通過(guò)以上內(nèi)容研究使我國(guó)的拼寬橋梁得到了較快的發(fā)展，但該類問(wèn)題仍然存在不足，因此，文章研究?jī)?nèi)容具有一定的指導(dǎo)意義。

2 上部結(jié)構(gòu)受力影響因素

2.1 拼寬橋與原橋的不均勻沉降

橋梁在后期運(yùn)營(yíng)過(guò)程中產(chǎn)生不均勻沉降是不可避免的。新舊橋梁在建造時(shí)間上存在一定的差異，因此，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)不均勻沉降，不均勻沉降也是導(dǎo)致新舊橋梁不能協(xié)調(diào)變形的主要因素。拼寬的T梁橋受到沉降差的影響，會(huì)使內(nèi)力增大，從而發(fā)生病害，最危險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)為T梁橫隔板。因此在橋梁進(jìn)行施工時(shí)，應(yīng)采取必要措施降低橋梁基礎(chǔ)的沉降量，如采用樁基礎(chǔ)、增大樁長(zhǎng)和樁徑，施工前對(duì)地基進(jìn)行處理，如強(qiáng)夯、換填基礎(chǔ)等。

2.2 混凝土的收縮徐變

混凝土由于自身特性，在澆筑完成后會(huì)存在收縮徐變，新舊橋由于建橋時(shí)間不一致，在連接部位處存在齡期差，舊橋混凝土的收縮徐變比新橋的收縮徐變快，該現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致拼寬箱梁連接部位受力發(fā)生改變（附加應(yīng)力增大）。因此，在進(jìn)行箱梁拼接時(shí)要著重對(duì)新舊橋混凝土的齡期差進(jìn)行分析。

3 偏載系數(shù)計(jì)算分析

3.1 工程概況

本文所依據(jù)的項(xiàng)目為某地區(qū)的拼寬橋，橋梁全長(zhǎng)162 m，橋梁縱向布置為48.5 m+72 m+41.5 m，拼寬后橋梁全寬為57.5 m，設(shè)計(jì)速度為40 km/h，人群荷載取值為2.9 kN/m2，原橋結(jié)構(gòu)與新橋結(jié)構(gòu)采用相同形式，均為單箱雙室。

新橋縱向布置為48.5 m+72 m+41.5 m，結(jié)構(gòu)形式為單箱單室的連續(xù)箱梁，截面參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 新橋箱梁截面參數(shù)表m

3.2 橋梁模型建立

本文的橋梁模型通過(guò)Midas Civil建立，對(duì)橋梁模型的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)算，對(duì)截面的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行修正，梁格模型建立如圖1所示。

圖1 橋梁模型圖

3.3 偏載系數(shù)分析

應(yīng)力增大系數(shù)的定義為：在偏載作用下，截面出現(xiàn)的最大應(yīng)力值與平均應(yīng)力值的比。類比推理的方式可以得到撓度增大系數(shù)的定義。通過(guò)應(yīng)力增大系數(shù)與撓度增大系數(shù)之間的數(shù)量關(guān)系得到橋梁的偏載系數(shù)。橋梁控制截面如圖2所示。

圖2 橋梁控制截面圖（單位：m）

1）通過(guò)建模分析計(jì)算可以得到新橋在拼接前截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅲ-Ⅲ的撓度偏載系數(shù)分別為1.11和1.0；進(jìn)行鉸接后截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅲ-Ⅲ的偏載系數(shù)為1.05和1.03；進(jìn)行剛接后截面Ⅰ-Ⅰ和Ⅲ-Ⅲ的偏載系數(shù)為1.05和1.02。

由于截面Ⅱ-Ⅱ是支座截面，所以忽略撓度偏載系數(shù)的影響。由計(jì)算結(jié)果可知，無(wú)論是鉸接還是剛接，橋梁的剛度均有不同程度提高，橋梁的偏載系數(shù)也有所降低，這樣可以節(jié)約資源的消耗。本節(jié)撓度偏載系數(shù)取值為1.12。

2）通過(guò)建模分析計(jì)算可以得到新橋在拼接前截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ的應(yīng)力偏載系數(shù)分別為1.15、1.15和1.13；進(jìn)行鉸接后截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ的應(yīng)力偏載系數(shù)分別為1.1、1.12和1.04；進(jìn)行剛接后截面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ和Ⅲ-Ⅲ的應(yīng)力偏載系數(shù)分別為1.09、1.12和1.03。

由計(jì)算結(jié)果可得，無(wú)論是鉸接還是剛接，橋梁的剛度均有不同程度提高，橋梁的應(yīng)力有所降低，偏載系數(shù)也隨著降低。為滿足結(jié)構(gòu)承載力的要求，應(yīng)力偏載系數(shù)取值為1.15。

4 混凝土收縮徐變對(duì)拼接箱梁的影響

本文通過(guò)建立模型來(lái)對(duì)混凝土的收縮徐變進(jìn)行分析，模型在建立過(guò)程中主要考慮因素有：新橋建成后與原橋進(jìn)行剛性拼接，收縮徐變過(guò)程中考慮混凝土和鋼筋等材料的自重，條件假定為原橋無(wú)收縮徐變，新橋混凝土產(chǎn)生收縮徐變，分析該過(guò)程中產(chǎn)生的內(nèi)力變化。

4.1 混凝土收縮的影響

通過(guò)有限元對(duì)模型進(jìn)行分析可知，不同齡期混凝土收縮引起的應(yīng)力類型主要有：軸力、橫向剪力及橫向彎矩，其余應(yīng)力變化值較小，可以忽略不計(jì)。因此，該節(jié)主要對(duì)軸力、橫向剪力及橫向彎矩進(jìn)行相應(yīng)分析。

4.1.1 軸力分布

在混凝土收縮差的作用下，拼寬橋梁上部結(jié)構(gòu)的軸力以跨中為軸線對(duì)稱分布，新橋在主梁位置的軸力表現(xiàn)為拉力，在沿橋方向上軸力分布為中跨軸力大于邊跨軸力。每跨的軸力值大小相等。新橋在橫橋方向內(nèi)外邊梁的軸力差值較小?；炷潦湛s差在原橋的軸力形式表現(xiàn)為壓力，在沿橋方向上軸力分布為中跨軸力大于邊跨軸力，新橋在橫橋方向內(nèi)外邊梁的軸力分布為：外邊梁向內(nèi)邊梁逐漸遞增。通過(guò)變化規(guī)律可知：混凝土發(fā)生收縮時(shí)，原橋主要產(chǎn)生軸力。

4.1.2 橫向剪力分布

新舊橋梁的混凝土收縮存在差值，新橋主梁剪力最大值位于中墩支座的兩端，該值大小相當(dāng)，方向相反。在每一跨內(nèi)主梁的剪力分布情況近乎相同，變化規(guī)律為沿橋方向先減小后反向增大。新橋和原橋在橫橋方向的剪力分布規(guī)律相同，均為內(nèi)邊梁的剪力大于外邊梁的，因此，新舊橋梁混凝土收縮差的橫向剪力由內(nèi)外邊梁共同承擔(dān)。

4.1.3 橫向彎矩分布

新舊橋梁的混凝土收縮存在差值，新橋縱橋方向的最大彎矩位于中墩支座的兩端，在每一跨內(nèi)主梁的剪力分布情況近乎相同，變化規(guī)律為沿橋方向先減小后反向增大。主梁在支座附近上部受拉，跨中位置處下部受拉。新橋與原橋橫橋方向接縫附近的彎矩分布為內(nèi)邊梁大于外邊梁。

4.2 混凝土徐變的影響

通過(guò)有限元對(duì)模型進(jìn)行分析可知，不同齡期混凝土徐變引起的應(yīng)力類型主要有：軸力，豎向剪力及彎矩，其余應(yīng)力變化值較小，可以忽略不計(jì)。因此，該節(jié)主要對(duì)軸力和豎向剪力及彎矩進(jìn)行相應(yīng)分析。

4.2.1 軸力分布

在混凝土徐變的作用下，拼寬橋梁上部結(jié)構(gòu)的軸力以跨中為軸線對(duì)稱分布，新橋在主梁位置的軸力表現(xiàn)為壓力，在沿橋方向上軸力分布為中跨軸力小于邊跨軸力。每跨的軸力值大小相等。新橋在橫橋方向內(nèi)外邊梁的軸力差值較小?；炷列熳儾钤谠瓨虻妮S力形式表現(xiàn)為壓力，在沿橋方向上軸力分布為中跨軸力大于邊跨軸力，新橋在橫橋方向內(nèi)外邊梁的軸力分布為：外邊梁向內(nèi)邊梁逐漸遞增。通過(guò)變化規(guī)律可知：混凝土發(fā)生徐變時(shí)，原橋主要產(chǎn)生軸力。

4.2.2 豎向剪力分布

新舊橋梁的混凝土徐變存在差值，新橋主梁剪力最大值位于中墩支座的兩端，該值大小相當(dāng)，方向相反。在每一跨內(nèi)主梁的剪力分布情況近乎相同，變化規(guī)律為沿橋方向先減小后反向增大。新橋和原橋在橫橋方向的剪力分布規(guī)律相同，均為內(nèi)邊梁大于外邊梁，但剪力分布方向相反。因此，新舊橋梁混凝土徐變差的豎向剪力由內(nèi)邊梁承擔(dān)。

4.2.3 豎向彎矩分布

新舊橋之間存在徐變差異，新橋在順橋方向的彎矩最大值位于中墩支座兩端，每一跨內(nèi)彎矩變化為支座向跨中逐漸遞減，然后反向增大，主梁跨中位置上部受拉。新橋在橫橋方向主梁彎矩變化為：外邊梁小于內(nèi)邊梁。原橋主梁順橋向的彎矩變化規(guī)律與新橋相似，但方向相反。橫橋向彎矩由外邊梁向內(nèi)邊梁逐漸增加。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)箱梁拼寬橋上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析得到以下結(jié)論：

1）箱梁拼寬橋上部結(jié)構(gòu)的受力主要是由于原橋與新建橋梁基礎(chǔ)的不均勻沉降以及混凝土自身的收縮徐變引起的。

2）通過(guò)對(duì)拼寬橋梁進(jìn)行建模分析可知在設(shè)計(jì)時(shí)拼寬橋的撓度偏載系數(shù)取值可取1.12，應(yīng)力偏載系數(shù)取值可取1.15，此時(shí)達(dá)到節(jié)省資源，滿足承載力要求的特性。

3）混凝土收縮會(huì)引起附加應(yīng)力，該應(yīng)力主要發(fā)生方向?yàn)闄M橋向，使橋梁產(chǎn)生軸力、橫向剪力及彎矩。軸力分布形式為跨中對(duì)稱分布，最大值出現(xiàn)在中跨跨中位置。

4）混凝土徐變會(huì)引起附加應(yīng)力，該應(yīng)力主要發(fā)生方向?yàn)樨Q橋向，使橋梁產(chǎn)生軸力、豎向剪力及彎矩。軸力分布形式為跨中對(duì)稱分布。豎向剪力及彎矩最大值位于中墩支座。