凤山分离式立交桥拓宽设计数值模拟分析研究

林光忠

（福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004）

近年由于福厦漳高速公路沿线社会经济快速发展和交通量迅速增加，使得其服务水平逐渐降低，交通压力越来越大。 高速公路及时扩建是缓解交通运输压力和提高运输服务水平的必要措施[1]。凤山分离式立交大桥位于福厦漳高速厦门段A2 标段内， 是联系厦门市区和漳州市区的纽带，发挥着极其重要的交通运输作用，对带动厦门市和漳州市的建设以及区域经济的繁荣具有重要意义。

桥梁拼宽改造的关键技术之一是如何确定旧桥与拼宽新桥部分的纵向接缝， 以及纵向接缝对桥梁结构局部和整体受力性能的影响[2-3]。 现对凤山分离式立交桥连同拼宽新桥运用ANSYS 有限元软件进行模拟分析，从而为掌握拼宽新桥和旧桥的整体受力性能和优化设计以及施工监控提供理论依据。

1 工程概况

凤山分离式立交大桥原桥上部结构采用27.2＋42.4＋27.2m 三孔一联预应力砼低高度连续梁， 桥梁全长104.96m，上跨国道324 线，与国道斜交55°。 下部结构：全桥采用桩基础，共32 根桩，其中磨擦桩30 根，柱桩2 根，桥墩均为独柱墩。 原桥面宽为2×12.5m，根据福厦漳高速公路扩建标准，全桥双侧各加宽8m，使得扩建后的桥面宽为2×20.5＋1m。本文对完全铰接、半刚性连接和刚性连接3种纵向接缝连接形式进行数值模拟分析，3 种构造见图1。

图1 3 种构造示意图

2 动力特性分析

2.1 计算模型

采用ANSYS 分析软件建立有限元模型，按结构的实际尺寸对全桥进行建模。模型采用笛卡尔三轴坐标。X 轴沿桥纵轴方向，Y 轴竖向向上，Z 轴为水平横桥方向，垂直桥纵轴线。 有限元模型如图2 所示。

图2 整体有限元模型和局部有限元模型

2.2 单元类型和材料参数

在有限元模型中，全桥采用solid45 单元模拟，预应力筋采用link8 单元模拟。 基本材料参数为①C50 混凝土： 新旧桥主体结构， 弹性模量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：新旧桥桥面铺装，弹性模量E=3.25×104MPa，容重Dens=24.5kN/m3，密度2.50×103kg/m3，泊松比0.167；③7φ5 钢绞线：预应力筋，弹性模量E=1.95×105MPa，泊松比0.3，线膨胀系数1.2×10－5。

2.3 计算结果及分析

通过有限元模型的实际模拟分析， 计算得到各阶的频率见表1，各阶的振型见图3。 从动力特性计算结果来看，3 种模型的频率非常接近，说明3 种连接方式的桥梁整体刚度非常接近， 不同连接方式对桥梁整体刚度影响很小。

表1 各阶自振频率

图3 各阶振型

3 静力特性分析

3.1 加载布置

按公路-1 级车道荷载进行桥梁的整体计算，分为正弯矩工况加载和负弯矩工况加载[4-5]，按照刚接模型、半刚接模型和铰接模型先后进行静力分析。 根据跨中和内支座截面的影响线对桥梁进行活载的不利布置， 纵桥向布置如图4 所示，横桥向布置分别按新旧桥满载（分2 辆车和4 辆车两种情形）、偏载（分2 辆车和4 辆车2 种情形）和接缝局部（2 辆车）进行。

图4 荷载纵向布置(单位：cm)

3.2 自重和预应力作用下新旧桥梁的静力特性分析

因新旧桥是不同时间建造， 所以应对其在重力作用下的静力特性分别计算，具体为通过ANSYS 软件分别建立旧桥、新桥的有限元模型，分别施加重力荷载并求解。在ANSYS 模型进行预应力加载时，本文采用应用最多的降温法进行加载和分析[6-7]。 具体模拟为新旧桥模型中预应力筋采用LINK8 单元进行，在索杆结构分析中，LINK8单元用来模拟其中的刚性杆。 对预应力筋单元进行网格划分，而后对其施加温度荷载，使其收缩，达到模拟预应力的目的。

通过模拟分析， 得到旧桥和拼宽新桥各自在自重下的挠度和在预应力效应下的预拱度， 沿桥面宽度分布曲线见图5。 可以看出，自重作用下新桥和旧桥的下挠比较接近， 说明两者刚度比较接近， 新桥刚度略小于旧桥刚度。而新桥在预应力作用下的上拱要小于旧桥上拱，需在施工中引起注意。

3.3 挠度沿桥横向分布和纵向分布

通过数值模拟分析， 可得到各加载工况下不同接缝连接形式跨中截面的挠度结果和各关键点挠度沿桥横向分布曲线。因计算结果表格和分布曲线较多，故不在此一一罗列，下面的应力分析和沉降分析也是如此。从计算结果和分布曲线可得到挠度横向分布的规律为： ①3 种模型的挠度横向分布曲线几乎重合， 说明3 种模型的刚度比较接近； ②最大挠度发生在旧桥偏载4 辆车的荷载作用，3 种模型最大挠度均为3.73mm，远小于规范规定的挠度限值，说明桥梁的整体刚度比较大。

在正弯矩加载工况作用下， 分别绘制挠度沿桥梁纵向分布曲线，以观察全桥变形是否协调，从其分布曲线中可得到以下规律：①挠度沿桥梁纵向分布变化均匀，挠度曲线光滑；②3 种连接形式下，桥梁挠度沿纵向变化基本一致。在负弯矩加载工况作用下，从挠度沿桥梁纵向分布曲线可得到以下规律：①挠度沿桥梁纵向分布变化均匀，挠度曲线光滑；②在负弯矩工况作用下，3 种模型的纵向挠度分布曲线基本吻合。

3.4 应力分析

3.4.1 中跨跨中L/2 截面应力分析

当进行正弯矩工况计算时， 中跨L/2 截面为全桥最不利截面。通过模拟分析，可得到各不同纵向接缝连接形式下，中跨L/2 截面桥梁顶板控制点的应力比较曲线，从中可得出以下规律： ①3 种连接模型顶板纵向应力横向分布曲线形状相近， 说明3 种连接方式具有比较相近的荷载传递效果；②在汽车荷载作用下，应力总体较小；③由于桥梁宽度较大，并且斜角，顶板并不完全处于受压状态，在偏载作用下，由作用一侧受压，逐渐变化为远端受拉，其中新桥4 辆车偏载作用产生的应力最大，最大压应力为0.72MPa，最大拉应力为0.14MPa。

3.4.2 内支座截面应力分析

如同正弯矩加载作用下， 中跨L/2 截面为全桥最不利截面，在负弯矩加载工况下，内支座截面为全桥最不利截面。通过模拟分析，可得到3 种连接模型内支座截面桥梁顶板关键测点的应力和支座截面上缘应力沿桥面宽度分布曲线， 从中可得出以下规律：①3 种连接模型顶板应力横向分布曲线形状相近， 说明3 种接缝具有比较相近的荷载传递效果；②顶板并不完全处于受拉状态，在偏载作用下，由作用一侧受拉，逐渐变化为远端受压，其中新桥4 辆车偏载作用产生的拉应力最大，为0.51MPa。

3.5 新旧桥不均匀沉降的数值计算分析

由于老桥已经建成通车多年， 其基础沉降已基本稳定，而拓宽部分桥梁会随着时间的推移，可能会不断发生沉降。新旧墩台基础相对沉降是指拓宽墩台的正常沉降，会引起拓宽部分梁体的下挠， 从而会直接影响到新旧桥及其连接结构受力， 这就是在拓宽工程中的基础不均匀沉降问题， 在此主要对桥梁翼缘悬臂连接段进行受力分析。

3.5.1 计算工况

沉降计算的工况如下： 工况1 为支座沉降5mm；工况2 为新桥支座沉降7.5mm；工况3 沉降10mm。 分别对3 种连接模型进行支座沉降的3 个工况有限元模拟计算。

3.5.2 沉降影响比较分析

通过数值模拟分析， 可得到3 种连接模型在不同工况下的应力。 经过计算结果比较分析，可以发现，在沉降作用下，支座截面的拉应力比较大，为不利截面；沉降对悬臂连接段的受力影响随沉降值的增大而增大； 沉降对新旧桥主梁的影响较小，而对接缝的影响较大；在沉降作用下，新桥悬臂根部下缘的拉应力最大，而旧桥悬臂上缘处于双向受拉状态。

4 结论

本文以ANSYS 有限元软件为建模工具，通过对旧桥和新桥拓宽后分别进行数值模拟分析， 得到如下几个重要结论：

(1）动力特性方面：在3 种不同接缝连接形式（刚接、半刚接和铰接）下，桥梁的动力特性（频率和振型）非常接近，一阶竖向频率均为5.17Hz，说明接缝形式对桥梁的整体刚度影响很小。

(2）自重作用：独立承受自重作用，新桥和旧桥的下挠比较接近，说明两者的刚度比较接近，旧桥最大挠度为14.01mm，新桥最大挠度为17.28mm，新桥的刚度略小于旧桥的刚度。

(3）汽车荷载作用方面：在汽车荷载作用下，跨中截面应力较大，为不利截面且横向拉应力大于纵向拉应力；各种接缝连接的桥梁刚度和强度都满足规范要求。

(4）沉降方面：接缝形式对桥梁整体受力影响不大，考虑桥梁长期使用的可靠性， 建议使用刚性或半刚性连接接缝，铰接接缝对于后期的养护维修不利。