拼宽T梁桥结构受力性能研究

杨林恺，曹智骅

（江西省公路科研设计院有限公司，江西 南昌 330002）

0 引言

随着城市路网的逐步完善，路网增加量已趋于饱和，城市交通的发展阶段已迈入存量阶段。目前看来服役桥梁基本可以满足现代的通行需求，但随着城市化带来的交通压力增长日渐显著，在满足经济性原则的基础上充分利用既有桥梁结构的基础进行加宽加固，减少不必要的经济损失是十分关键的。加宽时新建桥梁上部结构与既有桥梁上部结构的连接是拼宽桥梁的研究热点之一，目前国内外对拼宽既有桥梁的研究成果概述如下：许有胜[1]等人依托实际工程通过建立有限元拼宽模型，得出认为上部拼宽采用刚性连接的情况下，为保证不产生过大的应力，基础沉降差应控制在5 mm以内。袁磊[2]等人采用有限元分析方法对上部结构采用刚性连接的连续刚构桥拓宽工程进行分析，得出结论拓宽工程采用刚性连接时对提高旧桥结构的承载能力与正常使用能力有益，推荐采用刚性连接作为拓宽桥梁的主要连接方式。温庆杰[3]等人采用错位法对拼宽空心板桥梁收缩徐变效应进行研究，结果表明收缩徐变对旧桥影响以纵向受压为主，而对新桥则会产生较大的拉应力，此受力状态对旧桥受力状态有利，新桥不利。Harik,I.E[4]等人结合布伦特-斯宾塞桥的实测动力数据，分析了拼宽后桥梁结构动力特性，根据采集到的数据对有限元模型进行修正，为后续拼宽结构研究打下铺垫。Bendat J S[5]等人基于功率谱密度的峰值法对拼宽桥梁采集到的动力数据进行甄别，剔除了由于环境振动采集到的“白噪声”，从动力学的角度建立拼宽桥梁有限元模型并进行了动力分析。由此可见，国内外学者对拼宽桥梁研究范围较广，但对于拼宽桥梁上部结构的受力特性分布还有一定的空白。

1 拼宽桥梁设计原则

旧桥的拼宽应尽量考虑设计到施工的每个环节，尽可能地节约资金成本来降低工程造价。依据拼宽桥梁上下部结构的连接形式可分为上下部结构均不连接，上下部结构均连接，上部结构连接下部结构不连接三种形式，其中由于新旧桥沉降差异问题上下部结构均连接设计原则通常不采用，而对于上下部结构均不连接方式的缺点在于新旧桥梁上部结构衔接处有明显的变形不协调，易造成连接处的桥面铺装破损，故也较少采用。实际工程常采用上部结构连接下部结构不连接形式。

1.1 新旧桥梁柔性连接

新旧桥梁柔性连接是指新旧桥翼缘板仅有部分钢筋绑扎，且采用钢纤维混凝土浇筑衔接处，衔接处上部结构采用柔性材料进行填充，衔接处下部切口塞入木条。其力学连接本质在于连接处等同铰接，受施工因素影响较大，且力学特性的体现与桥面铺装层的刚度直接相关，若采用刚性路面结构可能会改变连接铰缝的受力机理，导致路面结构发生破坏。

图1 拼宽铰接柔性连接示意图

1.2 新旧桥梁刚性连接

新旧桥梁连接处采用刚性连接，工程上常用处理方式是将翼缘板凿除一定长度，通过现浇方式在新旧上部结构连接处设置多道横隔板来保证受力一致。通过加设横隔板可以显著提高新旧桥梁横向连接刚度，有时会根据结构受力要求去判断是否设置横向预应力钢束。

图2 拼宽桥梁刚性连接示意图

2 拼宽桥梁横向受力影响因素

现阶段对拼宽T梁桥既有工程来说通常采用上部结构连接，下部结构不连接的拼宽设计原则，且从施工便利性和后期养护成本出发，刚性连接较柔性连接有显著的优势，接缝处常采用刚性连接作为拼宽T梁桥的连接方式。

2.1 沉降差横向受力影响

由于新旧桥梁的竣工时间存在差异，基础的沉降差会导致接缝处应力水平增加，过大的沉降差甚至会导致桥梁横向连接直接失效，从而导致加固方案失败，影响后续行车安全，固为确保衔接部位的正常工作，研究基础沉降差是必不可少的一件工作[6]。新桥基础沉降会导致新桥和旧桥衔接处的混凝土产生过大的横向拉应力，这种拉应力超过混凝土材料自身的拉应力限值就会产生顺桥向裂缝。上部结构的刚性连接，会在拼宽处产生较大的横向弯矩，也会在连接处产生较大的剪力。在进行有限元分析时默认旧桥基础固结沉降已经完成，不再发生后续沉降，相对沉降差按新建桥梁的绝对沉降值来考虑。桥梁刚性显著高于土体，为简化分析，拼宽工程的新建桥梁沉降按线形沉降来进行考虑。

图3 拼宽桥梁线形沉降示意图

2.2 收缩徐变对拼宽桥梁横向受力影响

收缩徐变对拼宽桥梁横向受力的影响主要指在新桥发生收缩徐变时对新旧桥梁衔接处应力水平的影响。通常认为进行拼宽设计的旧桥上部结构收缩徐变已充分完成，而新建拼宽桥的混凝土收缩徐变才刚刚开始，受到既有桥梁结构内部边界条件的约束作用，新旧桥存在收缩徐变时间应力差，新桥部分主梁的收缩将会引起旧桥的弯曲变形，同时新的主梁收缩应力也对旧桥产生影响，会引起整体桥梁结构的应力重分布，如果产生的拉应力超过混凝土的抗拉强度极限值会使主梁横向发生开裂现象，降低桥梁结构的安全可靠性，故分析新旧桥梁收缩徐变对拼宽横向连接处的影响同样是必要的[7]。

3 模型验证

基于某路网桥梁作为工程背景，上部结构采用25 m预应力混凝土简支T梁，仅桥面连续，原桥梁结构横向由4片T梁组成，现今根据交通发展需求，要求单侧加宽一片T梁。桥梁加宽原则采用上部连接下部分离的形式，为保证景观协调采用相同截面类型、相同跨径来进行加宽。采用ANSYS有限元分析软件建立上部结构拼宽模型，按照实体节点耦合模拟现浇横隔板，新建桥梁混凝土等级采用比原桥梁结构高一级的C50混凝土。

图4 有限元结构模型

在有限元模型中假设单片主梁的抗弯惯性矩为I，在4号主梁跨中截面处施加竖向单位集中荷载F，提取跨中截面的位移曲线得到跨中截面节点位移分布，将其简单处理即可得到拓宽前后的荷载横向分布曲线如图5所示。

图5 拓宽前后4号主梁的荷载横向分布曲线

根据4号主梁的横向分布曲线可以看出，采用刚性连接形式进行拼宽的桥梁结构，加固后的横向分布系数较拼宽之前旧桥结构横向分布系数有所降低，说明了新建拼宽结构承担一部分旧桥结构的受力工作，同时桥梁截面的整体抗弯刚度与抗扭刚度的增大提高了旧桥结构的承载能力，横向分布系数在新旧结构衔接连接位置发生突变。对5号主梁支座边界面处施加强制竖向位移2 mm、4 mm、6 mm、8 mm、10 mm来模拟基础发生的不均匀沉降，顺桥向结果与横桥向计算结果如图6、图7所示。

图6 拼宽接缝处4号主梁剪力值纵桥向分布

图7 支点位置接缝处剪力横向分布

可以看出沉降差对主梁近支点截面剪力影响较大，支点的剪力可以直接反映出支座的反力变化趋势，从结果来看差集和横向分布曲线近似认为是非线性关系，通过新旧桥接缝采用的C50混凝土抗剪强度设计值，反算得到5号主梁沉降超过7 mm会对结构的安全性产生影响，即加宽工程的相对沉降差不应超过7 mm。在软件中通过施加温度差荷载来间接模拟混凝土结构的收缩徐变时间差的影响，由图8可以看出在拼宽初期剪力水平较高，随着时间增长拼宽处剪力水平不断降低，可近似认为新建拼宽主梁6个月后收缩徐变开始趋于稳定，后续剪力水平的变化幅度不大。

图8 收缩徐变影响随时间变化趋势

4 结论

本文首先介绍了拼宽桥梁的设计原则以及影响拼宽桥梁受力特性的外部荷载因素，采用有限元模型对拼宽T梁桥在沉降差以及收缩徐变差影响下的受力进行分析，分析结果表明桥梁进行拼宽处理后，主梁的横向分布系数有所降低，越靠近拼宽接缝处主梁横向分布系数下降幅度越大，即靠近拼宽处的主梁承载能力提升明显。随着相对沉降差的增加，各主梁的附加应力均增大，且由于刚度原因支点位置处的内力变化幅度显著大于跨中位置处。分析收缩徐变对拼宽桥梁内力随时间的影响趋势可以看出，内力变化在最初的半年内变化较大，半年之后下降幅度明显减少，一年之后趋于稳定，可以认为收缩徐变在一年之后对拼宽T梁桥的横向受力影响可忽略不计。根据模型分析结果建议在后续拼宽桥梁工程实践中，建议支点处采取增加横隔板的方式提高拼宽桥梁横向连接刚度，且新桥施工后对新桥基础采取预压的方式，使其尽早完成沉降固结，并加强基础的沉降监测工作，减少沉降差对拼宽主梁受力的影响。连接接缝位置混凝土可采用抗拉能力较强的钢纤维混凝土，以此增加抗拉强度，为桥梁后续的服役安全提供保障。