■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(jìn)市遙觀鎮(zhèn)坊前村南側(cè)，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(jié)構(gòu)采用單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，單幅橋?qū)?3.5m，梁高1.55m；下部結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)節(jié)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(jié)構(gòu)受力十分復(fù)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(guī)律復(fù)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(jìn)行研究。通過建立兩種拼接方式的理論力學(xué)模型，4m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)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(guī)律。

3 拼接方案對節(jié)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(guān)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(shè)為簡支條件。翼緣板接縫位置新舊橋翼緣端面采用TIE技術(shù)連接為整體；當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)節(jié)段受力分析模型示意圖

3.1 新橋發(fā)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(guī)律，研究舊橋在更不利情況下新橋發(fā)生統(tǒng)一沉降下的應(yīng)力分布情況，可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段模型進(jìn)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(shù)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(jié)構(gòu)。該模型的新橋梁段發(fā)生5mm沉降后發(fā)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(yīng)也產(chǎn)生了拉應(yīng)力區(qū)，其等效應(yīng)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(chǎn)生局部拉應(yīng)力區(qū)，最大為5.645MPa，其剪切應(yīng)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(shù)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(gòu)造。該模型的新橋梁段發(fā)生5mm沉降后新橋箱梁整體發(fā)生明顯豎向位移，最大為-5.334mm，如圖5所示，翼緣板發(fā)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(chǎn)生了較大范圍的應(yīng)力，其等效應(yīng)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(chǎn)生較大范圍的拉應(yīng)力區(qū)，最大為5.866MPa，很可能使舊橋翼緣板產(chǎn)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(yīng)力。

（3）對比分析

對比混凝土箱梁新舊橋拼接翼緣板應(yīng)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(yīng)力比較接近。在新橋發(fā)生5mm沉降作用下，舊橋翼緣板根部產(chǎn)生較大的正應(yīng)力，超過了混凝土開裂應(yīng)力的限值，如果沉降發(fā)生，舊橋翼緣板根部必定批量出現(xiàn)縱向開裂現(xiàn)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(yīng)力分布情況

圖6 （b） 混凝土梁拼接翼緣板下表面正應(yīng)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(xù)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(jié)構(gòu)，在構(gòu)造上是拓寬后新舊橋梁整體結(jié)構(gòu)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(guān)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(shè)計通用規(guī)范計取車輛荷載后軸重力標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)力的沖擊系數(shù)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(qū)域發(fā)生明顯的變形，最大的位移是0.13mm。在翼緣板接縫位置相應(yīng)也產(chǎn)生了應(yīng)力集中區(qū)，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(chǎn)生局部拉應(yīng)力區(qū)，其最大拉應(yīng)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(qū)域發(fā)生相應(yīng)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(yīng)力集中分布區(qū)域，等效應(yīng)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(chǎn)生較大范圍的拉應(yīng)力區(qū)，其最大剪切應(yīng)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(xù)箱梁橋翼緣板拼接構(gòu)造的不同明顯影響翼緣板和接縫位置的應(yīng)力分布和變形情況。對于運營期達(dá)十多年的舊橋梁段翼緣板，輪壓作用下翼緣板根部上端區(qū)域?qū)惺芤欢ǔ潭鹊睦瓚?yīng)力。剛接和鉸接兩種拼接構(gòu)造在該區(qū)域上下表面的截面正應(yīng)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(yīng)力分布對比分析

圖9 翼緣板截面下表面橫向正應(yīng)力分布對比分析

汽車輪壓作用下，采用不同構(gòu)造方案拼接后的橋面板將會發(fā)生不同程度的下?lián)?，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(xiàn)一定范圍的拉應(yīng)力區(qū)，舊橋的翼緣板其他部位的應(yīng)力水平較低和變形也小，在翼緣板根部頂端的拉應(yīng)力區(qū)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(nèi)出現(xiàn)較為顯著的拉應(yīng)力區(qū)，最大為0.62MPa，其變形也相對較大。

對于運營期達(dá)10多年的舊橋梁段翼緣板，輪壓作用使翼緣板根部上端產(chǎn)生局部拉應(yīng)力區(qū)，該區(qū)域若拉應(yīng)力過大，則會有使橋面板產(chǎn)生縱向裂縫的風(fēng)險，所以在選擇橫向拼寬構(gòu)造方案時應(yīng)需謹(jǐn)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(yīng)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(yīng)力主要來自于新橋梁段發(fā)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(yīng)力接近，超過了混凝土開裂應(yīng)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(shù)中，對于將翼緣板的拼接縫設(shè)在中間位置的情形，翼緣板上表面所受的截面正應(yīng)力較為接近，起主導(dǎo)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(yīng)力，有使產(chǎn)生混凝土翼緣板根部上表面產(chǎn)生縱向裂縫的可能。

圖11 翼緣板上表面組合正應(yīng)力分布情況

圖12 翼緣板下表面組合正應(yīng)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(wǎng)格尺寸大小控制在20cm范圍，共建立68363個節(jié)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(wǎng)格后，通過分割接縫中心位置上下點的節(jié)點，可以實現(xiàn)鉸接構(gòu)造。

4.2 新橋沉降工況下兩種構(gòu)造拼接受力對比分析

根據(jù)拓寬新橋?qū)嶋H工程經(jīng)驗，在計算基礎(chǔ)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(chǔ)受力增加，有可能發(fā)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(shè)：

（1）假設(shè)新舊橋梁的基礎(chǔ)沉降差為定值，不隨時間發(fā)生變化；

（2）認(rèn)為經(jīng)過10多年的沉降，舊橋不發(fā)生沉降；

（3）拓寬后橋梁新舊基礎(chǔ)沉降差僅考慮新橋發(fā)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(gòu)造形式的拼接翼緣板拉應(yīng)力值大于鉸接方案。舊橋兩端邊墩附近的上翼緣拉應(yīng)力最大，接近3.2MPa，新橋拼接側(cè)下翼緣根部受到最大拉應(yīng)力，約為3.5MPa，在新橋設(shè)計時需要注意此處的抗拉設(shè)計。

圖15 兩種方案應(yīng)力分布圖

4.3 車輛荷載工況下兩種構(gòu)造拼接受力對比分析

原橋橫向拓寬后，翼緣車道位置發(fā)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(jié)構(gòu)的局部（舊橋拼接翼緣部分），按照老規(guī)范規(guī)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(chǔ)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(yīng)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(fù)。

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(xiàn)拉應(yīng)區(qū)，且最大值發(fā)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(qū)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(xiàn)較大范圍的拉應(yīng)力區(qū)，而且造成上翼緣拉應(yīng)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(xiàn)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(yīng)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(shù)增加，在空間上新舊橋協(xié)同作用?？紤]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(xiàn)橫向最大拉應(yīng)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(yīng)力（剛接1.24MPa、鉸接1.31MPa），工況2在舊橋拼接翼緣上表面出現(xiàn)最大橫向拉應(yīng)力（剛接 0.94MPa、鉸接 0.87MPa）。

活載作用下，鉸接/剛接時，舊橋應(yīng)力云圖接近，即橫向連接方式對應(yīng)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(yīng)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(dān)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(yīng)力分布規(guī)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(yīng)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(jié)論

通過兩種方案的分析比較，可以得出以下結(jié)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(chǎn)生較大拉應(yīng)力，在橋梁拓寬設(shè)計時應(yīng)予以關(guān)注，提出相應(yīng)加強措施?；A(chǔ)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?；A(chǔ)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(tài)，拉應(yīng)力較大，應(yīng)作為計算控制截面。

（2）采取部分截短舊橋翼緣板技術(shù)對舊橋翼緣板根部受力產(chǎn)生有利影響。剛接/鉸接方案新橋發(fā)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(nèi)力值小于鉸接方案，但是經(jīng)兩種作用荷載組合后不起控制作用。

（3）當(dāng)拼接翼緣板跨中設(shè)置鉸接構(gòu)造時，新橋沉降作用下舊橋翼緣板根部上下表面正應(yīng)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(shè)鉸方案時在翼緣板上部靠近根部范圍內(nèi)出現(xiàn)較為顯著的拉應(yīng)力區(qū)，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(xiàn)一定范圍的拉應(yīng)力區(qū)，舊橋的翼緣板其他部位的應(yīng)力水平較低和變形也小，在翼緣板根部頂端的拉應(yīng)力區(qū)最大值為0.38MPa。

對于運營期達(dá)十多年的舊橋梁段翼緣板，輪壓作用使翼緣板根部上端產(chǎn)生局部拉應(yīng)力區(qū)，該區(qū)域若拉應(yīng)力過大，則會有使橋面板產(chǎn)生縱向裂縫的風(fēng)險，所以在選擇橫向拼寬構(gòu)造方案時應(yīng)需謹(jǐn)慎。

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