箱梁橋拼寬施工中的上部結(jié)構(gòu)受力特征探究

林紅星

（中國雄安集團基礎建設有限公司，河北 雄安 071700）

國內(nèi)公路網(wǎng)絡發(fā)展快速，部分早年間建設的高速公路已難以滿足日益增長的交通運輸需求，而重建公路其施工往往會阻斷交通，且成本較高。在此背景下，可采取對部分運營壓力較大的高速公路實施改擴建的方案，橋梁構(gòu)筑物拓寬便是此方案中重要措施之一[1-3]。為盡量減少對高速公路既有運營的影響，進行舊橋加寬施工時，可以選擇率先對一側(cè)橋梁加寬施工，完成后再進行另一側(cè)的加寬施工，如此一來施工過程不會阻斷交通[4-6]。但在拼接橋梁拓寬施工中，如何確保新舊結(jié)構(gòu)連接良好逐漸成為箱梁拼寬施工中需要重點關(guān)注的問題。

1 箱梁拼寬橋拼接形式

1.1 拼接原則

橋梁拼寬施工中，存在多種可能對施工產(chǎn)生影響的因素，例如新舊結(jié)構(gòu)是否共同受力、變形是否協(xié)調(diào)、不同公路設施之間施工是否同步開展、施工是否影響周邊交通等。綜合來看，橋梁拼接施工應當遵守如下規(guī)則[7-10]：

（1）施工過程中應確保新舊結(jié)構(gòu)保持良好整體性。

（2）開展施工設計之初應當取樣調(diào)查，分析舊路面結(jié)構(gòu)荷載水平，使橋梁新舊結(jié)構(gòu)之間荷載等級保持一致。

（3）設計橋梁基礎時應采用樁基礎，若橋梁地基土壤質(zhì)量良好，可不使用樁基礎，但應確保新舊橋基礎沉降差值維持在規(guī)范以內(nèi)；新橋建設不應對舊橋基礎產(chǎn)生大幅影響；新舊橋梁變形應相互協(xié)調(diào)。

（4）橋梁橫隔板剛度、強度較強，能夠橫向連接新舊橋梁，但其變形能力較差、柔性較差，如果所受應力較大，容易發(fā)生脆性斷裂問題。因此，拼接時應盡量控制連接精度，避免產(chǎn)生過大的偏差。

1.2 橋梁加寬連接

工程實踐中可通過以下3種方式連接新舊結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)橋梁拼寬。

（1）上下不連接

該方式主要是指橋梁新舊結(jié)構(gòu)之間僅設置一條施工縫，用于連續(xù)攤鋪瀝青混凝土，結(jié)構(gòu)上部和下部不直接連接，該種施工方式能夠在不影響新舊橋梁荷載等級的基礎上簡化施工流程，避免新舊橋梁難以有效連接的施工難題。但橋梁投入運營后，隨著車輛荷載增加，服役年限延伸，新舊橋梁之間連接梁逐漸產(chǎn)生撓度，且新建設橋梁結(jié)構(gòu)的沉降會顯著高于原有橋梁結(jié)構(gòu)，導致新舊橋梁連接處瀝青鋪裝層錯臺、開裂，對橋面外觀、行車舒適度產(chǎn)生不利影響，使橋梁維護成本提升，因此不建議在大規(guī)模開展拼寬施工時采用該方式。

國內(nèi)部分改擴建橋梁早期開展的現(xiàn)澆箱梁拼寬施工以上下不連接方式為主，造成在很多工程施工完成、投入應用后，主梁逐漸出現(xiàn)不平衡撓度；部分新修建拼寬橋后期沉降顯著增加，很容易出現(xiàn)瀝青鋪裝層大規(guī)模錯臺、開裂等問題，對橋梁的使用及外觀帶來不利影響。

（2）上下均連接

該方式是指將新舊橋梁上部構(gòu)造、下部構(gòu)造均連接形成整體，其中上部構(gòu)造的連接可通過澆筑拼接縫、橫向植筋等方式實現(xiàn)，下部結(jié)構(gòu)連接則可通過植筋、澆筑混凝土等方式實現(xiàn)。“上下均連接”能夠有效強化新舊橋梁結(jié)構(gòu)之間整體性，投入運營后，工程受車輛荷載作用，也不容易出現(xiàn)變形、損壞等問題。

“上下均連接”的拼寬模式能夠確保新舊橋梁結(jié)構(gòu)的整體性，不同結(jié)構(gòu)之間共同受力，應力分布均勻，具有廣泛應用空間。但同時該方式也存在明顯缺陷，例如拼寬施工后，橋梁基礎沉降會大幅度增加，容易導致新舊橋梁連接處受到較大附加應力，進而導致橋梁下部結(jié)構(gòu)系梁、蓋梁等位置出現(xiàn)裂縫，且橋梁上部結(jié)構(gòu)連接位置出現(xiàn)裂縫概率較高，施工難度較高。

（3）僅上部連接

該方式是指上部結(jié)構(gòu)之間連接形成整體，但下部結(jié)構(gòu)之間保持獨立。該方式應用時能夠有效結(jié)合前兩種方法的應用優(yōu)勢，更為適用于施工環(huán)境復雜條件下的拼寬。應用該方式開展拼寬施工時，首先需分離新舊橋梁基礎，并保持上部梁板連接；其次破壞舊橋邊梁保護混凝土，為新舊橋形成連接奠定基礎；再次通過拼接縫澆筑混凝土、鋼筋剛接或鉸接實現(xiàn)新舊橋梁結(jié)構(gòu)連接；最后鋪設橋面鋼筋并完成橋面的最終鋪設。

該拼接模式下，新舊橋梁結(jié)構(gòu)的下部結(jié)構(gòu)保持相對獨立，所受應力互不影響，但應用時容易因新舊橋梁結(jié)構(gòu)材料差異、不均勻沉降等問題導致附加應力更加明顯，工程實踐中通常可以通過增加連接位置的鋼筋配置解決該問題。

2 影響箱梁拼寬橋上部結(jié)構(gòu)受力的因素

2.1 不均勻沉降

橋梁在運營過程中，難以避免不均勻沉降問題，而橋梁改擴建工程中，不同時期建設的橋梁結(jié)構(gòu)沉降必然不均勻，因此需采取措施使新舊橋梁結(jié)構(gòu)的變形相互協(xié)調(diào)。在新舊橋梁結(jié)構(gòu)沉降差影響下，拼接箱梁橋內(nèi)部應力較大，容易發(fā)生破損，因此箱梁橋危險性較高，施工開始之前需結(jié)合工程需求采取措施降低橋梁基礎沉降量，通常或通過地基處理，例如換填法、強夯法等，或開展樁基處理，例如擴大樁徑、延伸樁長等。

2.2 收縮徐變

混凝土具有徐變效應。工程建設完成后混凝土會逐漸發(fā)生徐變收縮，而新舊橋梁結(jié)構(gòu)建設完成后養(yǎng)護混凝土因時間不同步，養(yǎng)護時間越長則收縮徐變越快，進而導致拼寬箱梁應力出現(xiàn)變化，附加應力增加。由此可見，橋梁設計階段就需計算確定新舊結(jié)構(gòu)直接混凝土齡期差異，進而預測可能會引發(fā)的收縮徐變差異。

3 偏載系數(shù)計算

3.1 工程概況

某地橋梁改造工程中主線拼寬橋上部結(jié)構(gòu)為17.5m+50m+17.5m的鋼筋混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)包含柱式等基礎形式。橋梁原有上部結(jié)構(gòu)為單箱雙室，新建橋梁結(jié)構(gòu)為單箱單室，箱梁不同截面參數(shù)如表1所示。

表1 箱梁參數(shù)

3.2 建立梁格模型

根據(jù)Midas Civil構(gòu)建橋梁模型，具體如圖1所示。

圖1 橋梁模型構(gòu)建示意（梁格法）

3.3 偏載系數(shù)

橋梁偏載系數(shù)一般取經(jīng)驗數(shù)據(jù)1.15，主要包括撓度增大系數(shù)、應力增大系數(shù)，其中應力增大系數(shù)為對結(jié)構(gòu)施加偏載時橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大應力和平均應力的比值，撓度增大系數(shù)可由同樣原理獲得。

通過數(shù)值分析可知，橋梁拼接前第一跨中截面最不利彎矩為14050kN·m，第二跨中截面最不利彎矩為22191kN·m，兩者撓度偏載系數(shù)分別為1.11和1.3。鉸接完成后，兩界面最不利彎矩分別降低至10534kN·m、19456kN·m，撓度偏載系數(shù)分別降低至1和1.1。結(jié)果顯示，經(jīng)混凝土鉸接處理后，橋梁結(jié)構(gòu)強度得到有效提升，撓度偏載系數(shù)有所降低。

結(jié)合模型計算可知，拼接前橋梁第一跨中截面承載力為22533kN·m、應力偏載系數(shù)為1.22，支點截面承載力為-31156kN·m、應力偏載系數(shù)為1.35，第二跨中截面承載力為22533kN·m、應力偏載系數(shù)為1.22。混凝土鉸接后，橋梁第一跨中截面承載力為24644kN·m、應力偏載系數(shù)為1.19，支點截面承載力為-41258kN·m、應力偏載系數(shù)為1.3，第二跨中截面承載力為24644kN·m、應力偏載系數(shù)為1.19。由此可知，現(xiàn)澆箱梁拼寬施工時，可以通過混凝土鉸接連接新舊橋梁以提高結(jié)構(gòu)剛度，降低橋梁應力水平，減少偏載系數(shù)。

4 基于模擬結(jié)果的影響因素分析

4.1 基礎沉降

工程規(guī)范要求新舊橋沉降差在5mm以內(nèi)，以此為基礎分析拼寬橋內(nèi)力分布和沉降量之間關(guān)系。結(jié)合有限元軟件分析橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部應力分布，混凝土鉸接處理完成后，橋梁附加應力主要通過彎矩、剪力方式表現(xiàn)出來，由于橫橋方向上所受附加應力水平較低因此不考慮。分析結(jié)果如下所示：

（1）如果新橋出現(xiàn)大幅度沉降，過程中新舊橋梁截面內(nèi)力變化情況大致相同，且內(nèi)力最大值出現(xiàn)在沉降附近支座位置。

（2）新舊橋梁鉸接施工結(jié)束后，橋梁基礎不均勻沉降會導致橋梁附加應力，新舊橋梁接縫位置附近內(nèi)邊梁所承擔附加應力為主要應力，其余附加應力由中梁、外邊梁承擔。設計過程中應當針對內(nèi)邊梁截面開展抗彎驗算和抗剪驗算以確保橋梁穩(wěn)定性。

（3）結(jié)合模型分析可知，新建橋梁結(jié)構(gòu)位置靠近舊橋側(cè)，是新橋主梁承擔剪力和彎矩的主要部分，剩余部分被舊橋梁結(jié)構(gòu)承擔，說明箱梁拼寬橋上部結(jié)構(gòu)對沉降差敏感性較強。

4.2 混凝土徐變收縮

結(jié)合有限元軟件構(gòu)建分析模型，探究箱梁橋結(jié)構(gòu)和混凝土徐變收縮之間的關(guān)系。

（1）收縮

混凝土收縮差作用下，拼寬橋梁結(jié)構(gòu)上部結(jié)構(gòu)剪力、彎矩和軸力發(fā)生變化。其中軸力分布為軸對稱分布，拉力作用位置集中于新橋主梁，跨中軸力在沿橋方向上最大，發(fā)生破壞概率更高，各跨所受軸力相同。橫橋方向上，內(nèi)外邊梁差距水平較弱，且隨外邊梁向內(nèi)邊梁方向不斷遞減。舊橋梁結(jié)構(gòu)軸力為壓力，堰橋方向上邊跨軸力小于中跨。

（2）徐變

新舊橋梁混凝土徐變產(chǎn)生軸力也是軸對稱分布，拉力作用于新建橋梁結(jié)構(gòu)主梁上，沿橋方向上每跨應力相等且跨中軸力水平最大，最容易出現(xiàn)破壞。橫橋方向上，內(nèi)外邊梁之間差距不大，且隨內(nèi)邊梁向外邊梁不斷提升。原橋梁結(jié)構(gòu)軸力表現(xiàn)為壓力，沿橋方向上中跨軸力最大。

5 結(jié)束語

本文分析了箱梁拼寬橋拼寬原則及拼寬模式，列舉了常見箱梁拼寬橋上部結(jié)構(gòu)影響因素，并結(jié)合有限元軟件分析工程實例，得出以下主要結(jié)論：箱梁拼寬橋上部結(jié)構(gòu)受力主要原因在于混凝土徐變收縮、新舊橋梁不均勻沉降；新舊橋梁基礎沉降差會導致拼寬橋梁上部結(jié)構(gòu)承受附加應力，該應力主要為接縫內(nèi)外邊梁承擔，因此設計時需要針對內(nèi)邊梁截面開展抗彎驗算和抗剪驗算以確保橋梁穩(wěn)定性；混凝土收縮徐變會產(chǎn)生作用于橫橋方向的附加應力，并改變彎矩、橫向剪力和軸力分布情況。