羅文藝， 黃福云， 李雅杰， 崔玉龍， 王金安

(1.中建五局土木工程有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410000；2.福州大學(xué) 土木工程學(xué)院)

1 前言

市政橋梁作為城市道路交通的樞紐，在整個(gè)城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及城市化推進(jìn)過程中，起著十分重要的作用。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，交通量的需求不斷增大，許多橋梁出現(xiàn)設(shè)計(jì)荷載較低、橋齡較長(zhǎng)，橋面寬度不足以及通行能力逐漸趨于飽和等問題。為了解決這些問題并提高交通量，往往選擇將橋梁加固、加寬甚至拆除重建等措施。

橋梁的拆除重建一般很浪費(fèi)資源并且違背低碳原則，因此，當(dāng)橋梁剩余承載力仍然較大時(shí)，在原有橋梁基礎(chǔ)上進(jìn)行加固是一種較好的選擇。目前，橋梁加固的研究得到了較多的關(guān)注。張樹仁等采用粘貼鋼板或其他纖維復(fù)合材料的方法對(duì)鋼筋混凝士構(gòu)件受拉或受剪薄弱區(qū)段進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固，以提高薄弱區(qū)的承載能力，并重新計(jì)算其抗剪承載力；項(xiàng)貽強(qiáng)等對(duì)橫向聯(lián)系失效的空心板梁橋采用施加橫向預(yù)應(yīng)力鋼絞線進(jìn)行加固，并對(duì)其橫向分布進(jìn)行了新的計(jì)算。不過，相對(duì)來說，為提高橋梁的通行量而進(jìn)行橋梁加寬的研究相對(duì)不多，原因主要是其通常以新建橋梁的方式在原橋旁相鄰位置進(jìn)行拓寬，形成上、下幅橋梁，從而不改變?cè)瓨虻慕Y(jié)構(gòu)和受力。拓寬以后的新橋可以增加新的車道數(shù)目，保留舊橋的上下部結(jié)構(gòu)繼續(xù)使用，從而提高原有的交通流量。然而，對(duì)于城市橋梁來說，由于空間有限，在舊橋相鄰位置新建橋梁較為困難，特別是對(duì)于城市高架橋或立交橋來說，通常為曲線橋梁，新建橋梁更為困難。因此，在城市空間有限條件下，選擇在舊橋的兩側(cè)拼接加寬是一種難以避免的改造方式。這種加寬措施不可避免會(huì)影響到原橋的受力性能，因此有必要進(jìn)行深入的分析。

目前，關(guān)于橋梁拼接加寬改造的研究不多，僅有少量關(guān)于混凝土梁橋加寬的文獻(xiàn)。與常規(guī)梁橋設(shè)計(jì)分析不同，橋梁拼接加寬分析時(shí)，需要考慮新舊梁橋由于成橋時(shí)間差異所帶來的一系列作用差異，如新建橋梁存在新的地基沉降變形、主梁片數(shù)增加導(dǎo)致橫向分布系數(shù)變化等，這些差異會(huì)給拓寬后的橋帶來不同的作用效應(yīng)。吳文清等就某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋的拼寬，探討了橋梁橫向拼接加寬后給既有箱梁橋面板可能帶來的結(jié)構(gòu)病害。該橋的加寬采用新橋和舊橋僅箱梁頂板和橋面板翼緣鉸接連接、其他部位不連接的方式；Wu Wenqing等介紹了某混凝土空心板橋的拼寬，探討并建立了地基沉降對(duì)拼寬后橋梁力學(xué)性能影響的數(shù)學(xué)模型。該橋的加寬采用在新橋和舊橋的空心板頂板之間現(xiàn)澆拼接板連接、下部結(jié)構(gòu)不連接的方式；黃立浦等通過建立舊橋拓寬加固的模型，研究加固橫梁的設(shè)置位置、數(shù)量、剛度；加寬主梁、舊橋的剛度以及主梁連接方式不同時(shí)，各主梁橫向分布系數(shù)的變化規(guī)律。并提出一種既有橋梁拓寬加固的方法——縱橫梁拓寬加固法。關(guān)于鋼梁橋的拼接加寬還未見文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。

與混凝土橋梁的新舊橋采用現(xiàn)澆拼接進(jìn)行鉸接連接方式不同，鋼梁橋的新橋與舊橋通常采用焊接方式進(jìn)行剛接，其除使箱梁頂板或翼緣連接外，還可使上部結(jié)構(gòu)主梁相連接，新舊橋的連接更緊密。因此，新舊橋之間的相互影響相比混凝土橋梁來說更大，同時(shí)加寬后的舊橋內(nèi)力也會(huì)發(fā)生改變。

為了研究施工場(chǎng)地空間有限條件下城市鋼梁橋拼寬后的受力性能，該文以福州市五四路高架橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過Midas/Civil有限元軟件分別建立舊橋和加寬后的新橋有限元模型，進(jìn)行豎向荷載(車輛荷載)、溫度荷載以及不均勻沉降荷載作用下新舊橋的力學(xué)性能研究，對(duì)比新橋和原橋的受力變化，為此類型橋梁的加寬設(shè)計(jì)計(jì)算和有關(guān)規(guī)范的制定提供參考與借鑒。

2 工程背景

福州市五四路思兒亭高架橋，建于2008年。該橋是一座跨度為3×30 m+(30+40+30) m+3×30 m的鋼箱梁橋，全橋?yàn)槿?lián)，橋面寬度16.5 m，梁高1.7 m，雙向四車道。箱梁頂板厚14 mm，底板和腹板厚12 mm，腹板間距為9.5 m。橋墩由西向東分別為1#墩～10#墩，采用雙柱式墩(墩身直徑1.4 m)，雙柱之間設(shè)有一橫系梁(橫系梁截面尺寸為0.8 m×1.2 m)，原橋立面圖和斷面圖見圖1、2。

圖1 橋型立面布置圖(單位：cm)

圖2 原橋橫斷面布置圖(單位：cm)

由于城市發(fā)展較快，車流量迅速增長(zhǎng)，原橋已不能滿足現(xiàn)在的交通量，需將原橋拓寬并改造為立交橋。新橋?qū)Ρ仍本€橋主要增設(shè)了4條匝道，分別為A、B、C和D匝道。A、B、C、D匝道設(shè)計(jì)長(zhǎng)度分別為527.4、123.4、134.7、218.3 m，除A匝道設(shè)計(jì)寬度為16 m外，其他匝道的設(shè)計(jì)寬度均為8.0 m。橋梁改造后的布局如圖3所示。限于篇幅，該文主要針對(duì)原橋按A、B和C共3個(gè)匝道拼寬后的受力性能進(jìn)行研究，對(duì)于匝道橋自身的受力不進(jìn)行分析。

圖3 高架橋布局圖

A、B和C匝道的跨徑布置均為(32+45+38+34) m。拼寬橋面采用正交異性板結(jié)構(gòu)，橋面全寬為8～16 m，梁高為1.5～1.7 m，結(jié)構(gòu)形式為雙箱雙室。鋼箱梁懸臂長(zhǎng)度為2.0 m，標(biāo)準(zhǔn)斷面頂板板厚16 mm，底板板厚16 mm，腹板板厚14 mm。鋼箱梁頂?shù)装濉⒏拱逶谥兄c(diǎn)兩側(cè)4～6 m范圍進(jìn)行加厚，頂板和底板均加厚至35 mm，腹板加厚至20 mm。加寬后的上部結(jié)構(gòu)橫截面如圖4所示。拼寬橋的橫隔板布置與原橋橫隔板布置一致。另外，為使新、舊橋連接可靠，在新舊橋連接處的腹板之間焊接一道連接橫隔板，新舊橋頂板采用鋼板和螺栓連接。

圖4 新橋橫截面布置圖(單位：cm)

匝道橋墩采用鋼管混凝土柱式墩，其中，A匝道較寬，采用雙柱式墩，墩柱中心間距為7 m；B、C匝道則采用獨(dú)柱式墩。墩柱外鋼管截面尺寸為直徑Φ=1.3 m，壁厚t=20 mm，內(nèi)灌C30微膨脹混凝土。

3 有限元計(jì)算

3.1 有限元建模

有限元模型采用Midas/Civil 2015 進(jìn)行建模。模型中鋼箱梁、橫隔梁、橋墩等皆采用梁?jiǎn)卧M，支座采用彈性連接模擬，每一聯(lián)的端點(diǎn)用鉸連接模擬伸縮縫，樁底固結(jié)。因考慮施工及新設(shè)匝道對(duì)舊橋的影響，對(duì)于A匝道，模型只取部分建模分析，匝道端點(diǎn)支撐在彈性支座上。新舊橋采用虛擬橫梁來模擬剛接拼寬，不考慮箱梁畸變效應(yīng)和樁基礎(chǔ)。原橋有限元模型共460個(gè)節(jié)點(diǎn)和598個(gè)單元，加寬后的新橋共1 582個(gè)節(jié)點(diǎn)、2 335個(gè)單元。原橋和新橋模型分別如圖5、6所示。

圖5 原橋有限元模型

圖6 新橋有限元模型

3.2 材料和作用

主梁采用Q345qc鋼，彈性模量E=2.1×105MPa，剪切模量G=0.81×105MPa，容許彎曲應(yīng)力σw=210 MPa。墩柱采用C40混凝土，彈性模量Ec=32.5 GPa，軸心抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度f(wàn)cd=18.4 MPa，軸心抗壓標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)ck=26.4 MPa,抗拉設(shè)計(jì)強(qiáng)度f(wàn)td=1.65 MPa,抗拉標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度f(wàn)tk=2.40 MPa。

荷載作用包括永久作用和可變作用，不考慮施工過程的影響。永久作用包括結(jié)構(gòu)自重和二期恒載，其中鋼箱梁主梁自重按78.5 kN/m3考慮，二期鋪裝按78.1 kN/m均布荷載作用在主梁上；可變作用中的汽車荷載為城市-A級(jí)，考慮汽車沖擊力、離心力和制動(dòng)力；溫度變化考慮升溫25 ℃、降溫20 ℃；沉降考慮舊橋沉降10 mm，新拼橋沉降20 mm，產(chǎn)生10 mm沉降差。表1為7種荷載作用以及4種荷載組合工況。

表1 荷載作用工況

4 有限元計(jì)算結(jié)果分析

4.1 永久荷載作用

圖7為主梁在恒載作用下(工況1)的彎矩圖，其中括號(hào)外的數(shù)值為拼寬后的彎矩值、括號(hào)內(nèi)為舊橋彎矩值。限于篇幅，剪力等分布未給出。從圖7可以看出：無論是正彎矩或者負(fù)彎矩，拼寬后的直橋?qū)Ρ仍瓨虻慕^對(duì)值都有增大。原因是新橋一部分重量也由原橋承受，所以彎矩會(huì)有所增加，其中圖7(a)第一聯(lián)和圖7(c)第三聯(lián)的彎矩值變化較大。

圖7 主梁在恒載作用下的彎矩包絡(luò)圖(單位：kN·m)

比較可知：該橋拓寬對(duì)第二聯(lián)的正、負(fù)彎矩增加量最小，尤其是5#墩、6#墩處的主梁負(fù)彎矩和第二、第三跨跨中處的正彎矩，這是因?yàn)榕f橋僅在第一聯(lián)、第三聯(lián)和第二聯(lián)的第一跨處加寬，因而對(duì)第二聯(lián)影響最??；對(duì)第三聯(lián)的影響最大，對(duì)第一聯(lián)的影響其次?？傊?，在恒載作用下，拼寬后的橋梁比原橋受力更大。

4.2 可變荷載作用

4.2.1 汽車荷載作用

原橋采用四車道對(duì)稱布置。圖8為主梁在汽車荷載作用下(工況2)的彎矩包絡(luò)圖，其中括號(hào)外的數(shù)值為舊橋彎矩值、括號(hào)內(nèi)的數(shù)值為拼寬后的彎矩值。限于篇幅，剪力等分布未給出。

圖8 主梁在汽車荷載作用下的彎矩包絡(luò)圖(單位：kN·m)

從圖8可以看出：無論是正彎矩或者負(fù)彎矩，拼寬后的直橋?qū)Ρ仍瓨虻慕^對(duì)值都有減小。這是因?yàn)槠磳捄蟮臉蛄褐髁簲?shù)量增加，橫向分布系數(shù)減小，荷載分布在更多的主梁上。其中圖8(a)第一聯(lián)和圖8(c)第三聯(lián)的彎矩值變化較大。

比較可知：該橋拓寬對(duì)第二聯(lián)彎矩減小量最小，尤其是墩柱5#、6#處的主梁負(fù)彎矩和第二、三跨跨中處的正彎矩。這是因?yàn)榕f橋僅在第一聯(lián)、第三聯(lián)和第二聯(lián)第一跨處加寬，因而對(duì)第二聯(lián)影響最??；對(duì)第三聯(lián)的影響最大，對(duì)第一聯(lián)的影響其次。

在汽車荷載作用下，拼寬后的橋梁計(jì)算結(jié)果比原橋更小，這是不利的和偏不安全的。因此，拼寬后橋梁的車道折減系數(shù)計(jì)算方法還需進(jìn)一步研究。

4.2.2 溫度荷載作用

由于該橋?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)，溫度荷載作用下的內(nèi)力較大。因此，針對(duì)原橋和拼寬后的主梁進(jìn)行整體升降溫和溫度梯度變化荷載作用，進(jìn)一步探究拼寬前后溫度荷載所產(chǎn)生的內(nèi)力變化，不過未考慮焊接殘余應(yīng)力的影響。

(1) 整體升降溫作用

計(jì)算表明：在整體溫度變化作用下，原橋的溫度應(yīng)力與拼寬后的相差不大。其中，原橋在溫度升降情況下產(chǎn)生的壓、拉應(yīng)力分別為-90.2、72.1 MPa，拼寬后產(chǎn)生的壓、拉應(yīng)力分別為-87.2、69.8 MPa，最大下降量為3.3%；原橋在溫度升降情況下產(chǎn)生的縱向伸長(zhǎng)、減縮量分別為26.5、21.2 mm，拼寬后產(chǎn)生的縱向伸長(zhǎng)、減縮量分別為25.4、20.3 mm，最大下降量為4.4%。因此，整體溫度變化作用下，拼寬后的主梁受力情況對(duì)比原橋變化不大。

(2) 溫度梯度作用

溫度梯度模式按照J(rèn)TG D60-2004《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中有關(guān)規(guī)定進(jìn)行取用，如圖9所示。計(jì)算梯度升溫時(shí)，橋面板表面的最高溫度T1按照規(guī)范要求取14 ℃，橋面板表面以下100 mm處T2取5.5 ℃。對(duì)于帶混凝土橋面板的鋼結(jié)構(gòu)，A=300 mm。計(jì)算反溫差(梯度降溫)時(shí)，按規(guī)范要求取正溫差乘以-0.5。圖10為靠近匝道一側(cè)箱梁應(yīng)力點(diǎn)示意圖，該文主要取圖10中1、2點(diǎn)的應(yīng)力值沿全橋方向的變化進(jìn)行分析。

圖9 豎向溫度梯度曲線

圖10 箱梁應(yīng)力點(diǎn)示意圖

在梯度升溫作用下，頂板主要產(chǎn)生拉應(yīng)力，底板主要產(chǎn)生壓應(yīng)力。負(fù)溫度梯度相比正溫度梯度要小，限于篇幅，該文不展開陳述。梯度升溫作用下，拼寬后橋梁的最大應(yīng)力約為32.0 MPa。對(duì)比原橋，拼寬后橋梁沿跨徑方向的溫度梯度應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生較大變化，最大應(yīng)力差值出現(xiàn)在第二聯(lián)，數(shù)值為3.7 MPa，增加幅度超過10%。

4.2.3 不均勻沉降作用

由于舊橋在改造施工以前，成橋運(yùn)營(yíng)通車數(shù)年，樁基已經(jīng)具有一定的沉降量。原橋和匝道拼寬固結(jié)在一起后，原橋的沉降空間很小，但是新拼匝道橋的沉降空間很大，這就使得新舊橋的沉降量不同，產(chǎn)生一定的沉降差。橋梁拼寬的最大技術(shù)難題在于新舊橋基礎(chǔ)沉降差異的控制問題，新舊橋基礎(chǔ)不均勻沉降差過大，會(huì)引起新、舊橋連接處產(chǎn)生開裂等病害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響橋梁的正常使用。由于原橋與匝道固結(jié)，這種沉降差最終會(huì)導(dǎo)致主梁產(chǎn)生應(yīng)力。該文針對(duì)不均勻沉降作用下的縱橋向和橫橋向受力情況進(jìn)行深入的分析。

圖11為該橋主梁兩個(gè)腹板的縱橋向沉降應(yīng)力圖。

圖11 不均勻沉降作用下各腹板的縱橋向應(yīng)力圖(單位：MPa)

由圖11可以看出：第一聯(lián)和第三聯(lián)墩柱處的應(yīng)力增加較大，最大接近100 MPa。且靠近匝道一側(cè)的腹板應(yīng)力值較大。第二聯(lián)拼接部分較少，所以不均勻沉降產(chǎn)生的應(yīng)力值較小。

圖12為該橋在不均勻沉降作用下2#、9#墩柱處主梁的橫橋向應(yīng)力圖。

圖12 不均勻沉降作用下墩柱處主梁橫橋向應(yīng)力圖(單位：MPa)

由圖12可以看出：① 不均勻沉降作用下新橋主梁各個(gè)位置都產(chǎn)生一定的應(yīng)力。其中，主梁各個(gè)位置處的應(yīng)力值有所不同，大致呈現(xiàn)的規(guī)律為：與連接隔板位置的橫向距離越大，產(chǎn)生的應(yīng)力值越小。連接隔板附近位置的應(yīng)力值較大，特別是對(duì)于原橋底板處與新拼橋頂板處，應(yīng)力值最大接近100 MPa；② 不均勻沉降作用下新拼橋主梁產(chǎn)生的應(yīng)力值較原橋主梁的應(yīng)力大。

由上述分析可知：在不均勻沉降作用下，拼寬后的鋼梁產(chǎn)生較大的應(yīng)力，受力較拼寬前更不利。

4.3 荷載組合作用

對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算，荷載組合Ⅰ～Ⅳ下的主梁最大撓度和應(yīng)力值見表2。

表2 荷載組合下的最大撓度和應(yīng)力值

由表2可知：截面最大應(yīng)力為191.3 MPa，小于容許拉應(yīng)力210 MPa。主梁最大撓度為31.9 mm，小于規(guī)范規(guī)定的容許值50 mm(計(jì)算跨徑30 m的1/600)，拼寬后的橋梁滿足承載能力極限狀態(tài)下的主梁抗彎承載力要求和撓度要求，并具有一定的安全儲(chǔ)備。因此，鋼梁橋拼寬是一種適合使用的、有發(fā)展前景的改造方式。

5 結(jié)論

通過建立Midas/Civil有限元模型，對(duì)某公路鋼箱梁高架橋開展了拼寬改造設(shè)計(jì)分析，并與原橋的受力性能進(jìn)行了對(duì)比，得到以下結(jié)論：

(1) 恒載作用下，拼寬后的橋梁比原橋受力更大，其中墩柱處的主梁彎矩最大增大了43.4%、跨中處的主梁彎矩最大增加了35.9%。

(2) 拼寬后的橋梁主梁數(shù)量增加，橫向分布系數(shù)減小，荷載分布在更多的主梁上，汽車荷載作用下，拼寬后橋梁受力比原橋小。

(3) 拼寬后的橋梁和原橋在溫度整體升降作用下的應(yīng)力和變形量相差較小，應(yīng)力變化量為3.3%，橋梁縱向伸縮變化量為4.4%；溫度梯度作用下拼寬后的橋梁應(yīng)力和原橋相比有所變化，最大應(yīng)力增加了10%。

(4) 在不均勻沉降作用下，拼寬后的鋼梁產(chǎn)生較大的應(yīng)力。對(duì)于縱橋向，在有拼寬的第一聯(lián)和第三聯(lián)墩柱處的應(yīng)力增加較大。而第二聯(lián)拼接部分較少，不均勻沉降產(chǎn)生的應(yīng)力值較小。對(duì)于橫橋向，與連接隔板位置的橫向距離越大，產(chǎn)生的應(yīng)力值越小。連接隔板附近位置的應(yīng)力值較大，特別是對(duì)于原橋底板處與新拼橋頂板處，應(yīng)力值最大接近100 MPa。

(5) 荷載驗(yàn)算表明：該橋滿足受力要求。鋼梁橋拼寬是一種適合于城市交通量大而施工條件有限的、有發(fā)展前景的改造方式。