错孔布置混凝土连续梁桥拓宽结构分析

栾静静，余 波

（1.山东省交通规划设计院有限公司，山东 济南 250031；2.山东省交通运输事业服务中心，山东 济南 250031）

引言

高速公路改扩建工程中很重要的问题是如何对已有桥梁进行拓宽，国内在高速公路桥梁拓宽技术研究方面开展了很多工作，尤其在中小跨径的T 梁、I 梁和空心板梁的拓宽技术研究上取得了一定成绩，拓宽工艺也逐渐成熟。但国内高速公路桥梁已拓宽实例中涉及错孔布置混凝土连续梁拓宽结构不多，这种桥型的横向拓宽将使旧桥的受力状态趋于复杂，尤其是旧桥由原先的连续箱梁桥变为边界条件复杂的连续箱梁桥，其力学性能与原有桥梁会有很大的不同，迫切需要对每一座这种错孔布置的桥梁横向拼接问题做一完整的力学性能研究，从而对其横向拼接的可行性作出更为合理的评价。

1 旧桥工程概况

某高速公路分离式立交桥为3 孔等截面连续箱梁桥，桥宽27.0 m，净空为5.0 m。桥梁设计荷载为：汽-超20，挂-120；地震基本烈度为8 度。桥面铺装：先浇5 cm 混凝土，涂FYT-I 型防水剂，再铺9 cm 沥青混凝土。箱梁采用满堂支架现浇法施工，左右半桥跨径不相同。桥梁横坡由箱梁整体转动2%完成，箱梁采用50 号混凝土，见图1。

图 1 桥梁布置 （cm）

2 桥梁拓宽方案

本桥左右两幅为分离式，设计方案采用在每一幅桥的外侧进行拓宽。旧桥单幅宽度为13.5 m，拓宽部分新桥宽度为7.0 m。原桥是单箱双室连续箱梁桥，新拓宽桥梁拟采用单箱单室连续箱梁结构，两者跨径数量一致。由于旧桥与被交道路有一定的斜交角度，因此横向拓宽时新旧桥之间的中支点不可能在同一横断面上，即新旧桥的中支点纵向是错开布置的，同时跨径布置相互错开，形成了错孔布置方式的横向拓宽形式。旧桥左幅跨径为31.60 m +40 m+25.06 m，新桥跨径为36.25 m +40 m +20.41 m，形成错孔布置的拓宽结构，新旧桥之间采用铰接连接。见图2。

图2 旧桥拼宽后平面（左幅） （cm）

现选取左半幅进行有限元模型设计，来研究拓宽后主梁的受力状态分析，拟采用两个工况进行计算分析：（1）工况1：建立旧桥受力模型，按照设计要求计算其关键截面的内力值。（2）工况2：采用梁格法建立新、旧桥拼宽后的整体受力模型。为了分析新旧桥横向拼接完成以后，由于结构形式、边界条件以及各种作用的变化给旧桥的截面受力带来的内力影响，着重考虑新桥混凝土收缩徐变、新桥基础沉降、活载作用等对旧桥结构的影响，分析拼接后旧桥的内力变化值。

基于力学分析结果，综合判断旧桥在横向拼接前后内力变化是否能够满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）的要求。如果满足要求，表明新桥以错孔布置方式进行横向拼接是可行的。

3 计算分析

3.1 拓宽前主梁受力状态分析

拓宽前旧桥模型采用Midas Civil 2016进行计算，应用梁格法进行分析。共建立了381 个节点、652 个单元，有限元模型见图3。

图3 旧桥有限元模型

3.1.1 拓宽前旧桥承载能力极限状态验算

对于拓宽前老桥按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ 023—85）进行承载力验算：（1）活载。设计采用两车道，实际采用3车道进行验算。（2）附加荷载。①非线性温度：拓宽前旧桥按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ 023—85）规定，取桥面板整体升降温5℃考虑；②整体升温：计算体系取升温、降温各20℃；③支座沉降：旧桥按相邻桥墩0.5 cm的不均匀沉降考虑。

旧桥验算以主梁为预应力混凝土A 类构件进行分析。为便于分析，取旧桥关键截面进行考察，见图4。

图4 验算截面

3.1.2 拓宽前旧桥承载能力极限状态验算结果

对于旧桥主梁验算，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ 023—85）规定，作用效应组合两种情况：（1）组合Ⅰ：汽车-超20级与永久作用效应进行组合。（2）组合Ⅱ：汽车-超20 级与永久作用效应以及其他可变作用效应进行组合。

经比较发现，对于旧桥主梁验算，组合Ⅲ的效应与组合Ⅰ与组合Ⅱ两者中的设计值（两种组合下的最值）相比较小，故取组合Ⅰ与组合Ⅱ进行设计验算。根据《公路旧桥承载能力鉴定方法》，旧桥承载力须乘以0.9 的旧桥检算系数。旧桥弯矩包络图和剪力包络图见图5。

图5 拓宽前旧桥弯矩包络和剪力包络

3.2 拓宽后主梁受力状态分析

分析模型采用Midas Civil 2016 进行计算，采用梁格法建立新、旧桥拼宽后的整体受力模型。为了分析新旧桥横向拼接完成以后，由于结构形式、边界条件以及各种作用的变化给旧桥的截面受力带来的内力影响，着重考虑新桥混凝土收缩徐变、基础沉降、活载作用等对旧桥结构的影响，分析拼接后旧桥的内力变化值。拓宽后拼接缝采用横梁单元模拟，全桥整体模型共计单元1 283 个，节点738 个，有限元模型见图6。

图6 拓宽后全桥有限元模型

3.2.1 拓宽后旧桥承载能力极限状态验算

（1）活载

活载：设计采用四车道，实际采用5 车道进行验算。老桥主梁进行验算的布置形式见图7。

图7 活载布置方式（cm）

（2）附加荷载

①非线性温度：拓宽结构按《公路桥涵通用规范》（JTG D60—2015）桥面板最高温度T1 取14℃、T2 取5.5℃，竖向日照反温差为正温差乘以-0.5。②整体升温：拓宽后新旧桥部分的计算体系都取升温、降温各20℃。③支座沉降：在连接后整体计算时，假设旧桥沉降已终止，新桥按照基础工后沉降量0.5 cm 的不均匀沉降进行最不利组合。④收缩徐变：拓宽后新旧桥连接后整体计算时，假设旧桥收缩徐变已终止，只考虑新桥的收缩徐变对全桥的影响。

3.2.2 拓宽后旧桥承载能力极限状态验算结果

对于旧桥主梁验算，根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTJ 023—85）的规定，作用效应组合可以为两种情况：（1）组合Ⅰ：汽车-超20 级与永久作用效应进行组合。（2）组合Ⅱ：汽车-超20 级与永久作用效应以及其他可变作用效应进行组合。

经比较发现，对于旧桥主梁验算，组合Ⅲ的效应与组合Ⅰ与组合Ⅱ两种组合下的设计值，相比较小，故取组合Ⅰ与组合Ⅱ进行设计验算。拓宽后旧桥承载力验算，弯矩包络图和剪力包络图见图8。

图8 拓宽后旧桥弯矩包络和剪力包络

3.3 拓宽前后主梁内力变化对比和分析

拓宽前后主梁弯矩和剪力对比见表1、表2。

表1 拓宽前后旧桥弯矩对比（kN·m）

表2 拓宽前后旧桥剪力对比（kN）

由拓宽前后弯矩和剪力变化对比结果可见：弯矩变化较大的截面，主要集中在1#支座处、第一跨（4#）、第二跨（7#）、（9#）处，但拓宽前后这些截面均未超出其承载能力。根据分析，桥墩处截面弯矩的变化主要是由桥墩基础沉降引起，第一跨（4#）、第二跨（7#）、（9#）处截面的弯矩变化主要是由活载作用引起，收缩徐变等其他作用影响较小。

从旧桥主梁的验算结果及内力变化情况对比表明旧桥主梁内力是符合《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）要求的，即该分离式立交是可以进行横向拓宽的，但由于部分截面承载力富余度较小，建议结合旧桥现有使用状态的监测数据，综合判断旧桥是否需要加固补强或者无需采取措施即可进行横向拓宽。

4 结语

现由于交通量的持续增长，许多已建的高速公路需要进行横向拓宽，相应沿线各座桥梁也需要横向拓宽，错孔布置拓宽后由于结构形式、边界条件以及各种作用的变化，需对旧桥拓宽前后进行承载能力极限状态验算，验算应按照“新桥新规范、老桥老规范”的原则进行。通过对某分离式立交横向拓宽的可行性分析，以研究错孔布置桥梁横向拓宽的可行性分析方法，为类似桥梁的横向拓宽方案研究提供参考作用。