高速公路工程中拼宽桥梁的受力性能研究

阳东陵，何凡

（浙江交工金筑交通建设有限公司，浙江杭州 310051）

0 引言

随着我国经济建设和道路桥梁事业的发展，部分已建高速公路已不能满足正常交通需求，目前普遍采用桥梁拓宽方法解决上述问题，既能有效增加公路通行能力，又可避免拆除老桥，显著提高经济效益。目前，对桥梁的拼宽研究内容主要包括桥梁拼宽的施工方案、设计方法和质量控制等[1-5]，而对拼宽桥梁受力特性的研究还较少。本文基于有限元软件ABAQUS，以G60沪昆高速公路金华互通至浙赣界段改扩建工程第TJ04标段桥梁拼宽工程为背景，对拼宽桥梁的受力特性和可靠度进行分析和探讨。

1 工程概况

杭金衢高速公路是G60沪昆高速公路在浙江境内的重要组成部分，其中的桥梁拼宽工程是金华互通至浙赣界改扩建工程的重要组成部分，主线共有大中桥拼宽26座，小桥拼宽90座。工程中一个典型的拼宽桥梁整体立面如图1所示。老桥的结构形式为简支桥面连续空心板梁、预应力T梁，为便于新老结构物的拼接，扩建结构物与原有结构选用相同结构和孔径，即遵循结构同型原则。

图1 拼宽桥梁整体立面与平面图

桥梁拼宽部分的平面图如图2所示。拼宽部分宽6.75m，老桥荷载等级为汽-超20，挂-120，拼宽桥荷载等级为公路I级，荷载约为10kPa。两侧拼宽6.75m，桥面净宽每侧6.25m，桥面厚0.95m。老桥上部结构采用预应力混凝土空心板，先简支后连续，墩台采用扩大基础。拼宽桥墩台采用桩基础，桩帽高度1.1m，宽6.75m，长1.6m。桩径为1.1m，高为18m。

图2 桥梁拼宽部分平面图

2 拼宽桥梁受力性能分析

2.1 有限元模型建立

利用ABAQUS对拼宽桥和老桥进行建模，如图3～图4所示。取中心桩K358+523.679为例进行分析，该桩桩底标高28.1m，桥面标高48.095m。左右各取半跨计算，每侧跨长为6.5m，宽度与桩帽一致。老桥的厚度、跨度与新桥一致，但模型中老桥的宽度取老桥整体宽度的一半，约14m。

图3 拼宽桥梁有限元模型

图4 拼宽桥梁有限元网格

2.2 模型整体应力分布特征

仅在拼宽桥施加重力荷载，同时施加重力荷载和车辆荷载的模型中Mises应力分布如图5所示。

由图5可知，在自重荷载作用下，应力主要集中于两根桩内，同时靠近新老桥搭接处的桩（桩B）内的应力明显大于靠近自由边界处的桩（桩A）内的应力。由对Mises应力云图的分析可以看出，在实际工程中应适当提高内侧桩的强度，以增强拼宽桥的整体承受荷载能力。

图5 拼宽桥梁整体Mises应力云图

2.3 桥面板应力分布

仅施加重力与同时施加重力和车辆荷载时桥面板的Mises应力如图6所示。桥面板内的应力集中于与拼宽桥连接的位置。结果表明，在刚施工完毕拼宽桥的沉降还未稳定时，应重点关注新老桥连接部位的力学性能。桥面板内的应力主要集中于桩帽附近和老桥的边界B和边界D处。除了对新老桥搭接处桥面板的强度给予重视外，还应适当增强老桥的边界B和边界D处的强度，以防止桥梁由于车辆荷载的作用而发生破坏。

图6 拼宽桥梁面板Mises应力云图

自重作用下和车辆荷载作用下桥面板上应力沿X轴分布如图7所示。当仅在拼宽桥上施加自重荷载时，随着离边界A的距离增加，面板内的应力逐渐升高，之后随着距离的增加应力逐渐降低，但在拼宽桥和老桥的搭接处（x=6.75m）在应力曲线上表现为一个峰值。结果表明，在拼宽桥和老桥的搭接处会出现应力集中的现象，因此，在实际施工中应对此处做适当的加强处理。当距离超过搭接处后，面板内的应力将迅速降低，表明老桥内的应力明显低于新桥。而在实际使用时，当桥面上施加了均布的车辆荷载，面板内的应力明显增大。边界A处的应力增大至约600kPa，而面板内应力的峰值也明显增大。

图7 面板内应力沿X向分布

如图8所示，拼宽桥和老桥的搭接处的应力沿Y向呈现W形分布，在数值模拟所取的跨度两端和中间处的应力较大，而在所取的面板跨度1/3处和2/3处的应力值较小，在应力分布曲线上表现为低谷。当施加车辆荷载后，拼宽桥和老桥搭接处的应力整体上有了明显的增大。但应力最低点的位置发生了变化，向跨度的中心发生了移动，因此，搭接处的中间部分应力的变化更加剧烈。

图8 新老桥搭接处应力沿Y向分布

2.4 桩内应力分布特征

桩帽内应力分布如图9所示。由图9可知，桩帽的应力分布呈M形，在两个桩顶处桩帽中的Mises应力最大。当施加了车辆荷载后，桩帽上的荷载有明显提升，两个桩顶上的应力均有明显增加，但增加的幅度不同。在靠近搭接处的桩承受了更大的荷载，这是因为老桥同时也承受了车辆荷载，老桥上的荷载有部分将传递给桩B。而在实际工程中，更应增强这类桩和顶部的桩帽，以防止出现桩身破坏。

图9 桩帽内应力分布

桩A和B在施加重力和施加车辆荷载时的Mises应力随桩身的分布如图10和图11所示。在自重基础上再施加车辆荷载后，桩A内的应力明显增大，桩顶的应力增大至约11 200kPa，应力随着桩身的变化规律和仅施加自重荷载时相似，但应力最低点的位置下降到距离桩顶约7m处，该处应力已经接近0kPa。由图11可知，桩B的桩顶附近应力略小于桩A桩顶附近的应力。当施加了车辆荷载后，桩B内的应力整体上有明显提高，桩B内的应力最小值的位置接近，均在距离桩顶约1m附近。除了桩顶附近桩B的应力略小于桩A外，桩B内的应力整体高于桩A。

图10 桩A内Mises应力沿桩身分布

图11 桩B内Mises应力沿桩身分布

3 结论

（1）在拼宽桥和老桥的搭接处会出现应力集中现象，在实际施工中应对此处做适当的加强处理。在刚施工完毕拼宽桥的沉降还未稳定时，应重点关注新老桥连接部位的力学性能。

（2）桩帽的应力分布呈M形，在两个桩顶处桩帽中的Mises应力最大。在实际工程中，更应该对这类桩和顶部的桩帽给予增强，以防止出现桩身破坏。

（3）靠近搭接处的桩比靠近自由边界处的桩承受了更大的荷载，在实际工程中应重视桩顶附近的桩身强度，同时应适当提高靠近搭接处桩整体的桩身强度。