拼宽混凝土桥梁结构的受力性能和可靠度研究

王鹏程

（山东高速基础设施建设有限公司，山东 济南 250102）

0 引言

改革开放以来，伴随着我国经济的发展，公路桥梁所承担的运输车辆荷载和人员通行压力也不断增长，使得我国早期建设的部分公路桥梁无法满足现有的交通需求。因此，为了提高公路桥梁的服务水平，若完全将旧桥拆除，重新建设新的满足现有需求的桥梁，这样不但影响交通出行、成本高昂，而且对生态环境也会有不利影响。如果可以将旧桥合理加宽，不但能避免以上不利因素，还可以使旧桥得以重新利用，带来巨大的社会效益和经济效益。综上所述，拼宽技术在公路桥梁领域具有显著的应用价值。

随着拼宽技术理论研究和实践应用的不断发展，这一技术在混凝土桥梁领域具有广泛的应用前景。因此，针对拼宽混凝土桥梁开展理论研究和实践应用评估变得愈发重要，而对拼宽混凝土桥梁结构进行受力性能和可靠度研究则是首要任务。

1 混凝土桥梁拼接拓宽方法

目前，针对混凝土桥梁拼宽的方法多种多样，在选取拼宽方法时，应综合考虑桥梁的结构类型、施工条件、工程地质等因素，从而选择最经济合理的拼宽方法。从结构受力情况分析，拼接方法和工序不同，拼宽后桥梁的受力体系也不同，拼宽方法对混凝土桥梁的受力性能和可靠度有着决定性影响。在当前工程实践中，主要采用以下几种拼接拓宽方法。

1.1 增设边梁拓宽法

增设边梁拓宽法，即拆除桥梁两侧的栏杆或人行道板后，在旧桥结构上采用与原桥一致或类似的结构对桥梁进行拓宽，并且采用加设盖梁或加宽桥墩的措施分担竖向荷载。这一方法的优势在于采用增设边梁措施将桥梁拓宽后，桥梁整体刚度增大，旧桥的横向分布系数随之减小，进而改善桥梁的横向受力情况。然而，在实践应用中应考虑盖梁的受力的情况，确保加宽仍具备较好的受力性能。图1为某高架桥采用增设边梁对旧桥拓宽。

图1 某高架桥增设边梁拓宽示意图

1.2 增设悬臂挑梁拓宽法

增设悬臂挑梁加宽法一般有两种方法，方法一：若旧桥结构受力性能可以满足拓宽后的要求时，可以将桥面凿除后再铺装钢筋加以混凝土浇筑，并且在桥墩边缘增设悬臂梁，满足车辆和行人通行需求，实现拓宽目的。图2为某国道上一座T 梁桥通过该方法增设人行道的示意。方法二：采用拼装整体式肋形盖板用作桥面板，利用盖板的外伸臂提高悬挑臂的长度，从而实现对桥梁的拓宽。与悬臂挑梁技术相比，采用肋形盖板技术可以使桥梁刚度值更大，加宽范围值更广，也无需新建桥梁墩，节省人力物力。根据工程实践可知，采用该方法加固后的桥梁，不仅承载力满足要求，而且在特殊情况需要增设桥墩时，也具备较好的经济合理性。

图2 使用增设悬臂挑梁拓宽法拓宽桥梁

1.3 SBWM 法

21世纪初，受到新建桥梁采用内撑杆宽箱梁的案例的影响，美国KSI Structural Engineering 公司提出采用增设斜杆支撑的措施用来对箱梁加宽，这一方法被称之为SBWM 法，如图3所示。该方法的优点在于可以根据拓宽桥梁的实际需求对箱梁进行拓宽，具有较高的灵活性。

图3 SBWM 法拓宽混凝土箱梁示意图

2 拼宽混凝土桥梁结构受力性能

2.1 结构短期受力性能

2.1.1 新、旧桥间荷载横向重分布效应

横向分布系数是用于多梁式桥梁计算上部结构的横向活载效应，部分梁-板式桥梁也应用此系数。而横向分布系数受多因素的影响，比如主梁根数和间距、主梁跨径、主梁和纵梁的横向连接刚度等。而新旧混凝土结构的参数不同，横向分布系数也会有所变化。比如，新旧混凝土的主梁跨径不同，加之二者之间的拼接缝结构复杂，使得横向受力差异大。在上部汽车荷载的作用下，新旧混凝土受力分配不均，横向荷载也会重新分布。

2.1.2 拼接缝局部结构的受力性能

拼接缝是拼宽后的混凝土与旧混凝土连接处，拼接缝处能否正常受力工作，是拼装后桥梁结构运行的前提条件。目前，拼装缝的设计也存在多元化，比如：铰接、刚接、半刚性接等。针对不同的桥梁结构，采取不同的拼装缝。拼装缝在上部荷载的作用下，在混凝土收缩徐变的作用下以及基础不均匀沉降的作用下，受力情况复杂，受力状态难以模拟。

2.2 结构长期受力性能

2.2.1 收缩徐变效应

拼宽混凝土桥梁是在原有桥梁基础上增加新的结构，以此增大桥梁的路面宽度。原有混凝土的结构变形存在收缩徐变，拼宽之后的混凝土桥梁不仅存在收缩徐变，还存在附加的结构效应。简而言之，拼宽大多数是在已建好的桥梁上完成的，已建混凝土经过长期的反应，收缩徐变已基本稳定。而拼宽后的新混凝土，还未进行收缩徐变，因此新混凝土的收缩徐变带动旧混凝土的结构变形，转变成施加在旧混凝土上的作用，引发拼宽后桥梁结构的重力重分配。这种现象已引发设计师的关注，如何确定新旧混凝土的结构效应对桥梁结构的影响已成为拼宽桥梁的设计要点，专家和学者对此展开了深入的研究和试验。但是桥梁结构形式多样，受力复杂，拼宽方式也多种多样，无法统一结论。目前解决此问题最有效的办法是采用数值仿真软件，模拟桥梁拼宽后的受力特点。图4为混凝土徐变应变与时间的关系。横坐标为时间，纵坐标为混凝土变形。t为旧桥梁开始徐变时间，t为拼宽后混凝土开始徐变时间，从图中可以看出两种混凝土在不同时间的变形变化。

图4 混凝土徐变应变-时间关系

2.2.2 基础沉降差效应

基础的沉降也与时间相关。新建桥梁还未完全固结沉降，产生较大的变形沉降。而旧混凝土经过长期的固结沉降，变形已基本稳定。拼宽后的新旧混凝土，因沉降量不一，会导致不均匀沉降，导致混凝土出现裂缝。另外，不均匀沉降导致的变形差，也会给桥梁支座产生外加的荷载作用，在拼宽交界处，产生新的内力与应变。基础的不均沉降是一个长期的过程，会随着时间增长变得愈发明显。拼宽后的新混凝土导致基础不均匀沉降，是影响桥梁拼宽设计的长期因素。

3 拼宽混凝土桥梁结构时变可靠度分析

3.1 拼宽混凝土桥梁可靠度研究总述

目前，一般依托于以可靠度理论为基础的概率极限状态指标开展公路桥梁工程结构设计，并且利用可靠度指标对工程结构评估和编制规范也愈发成熟。拼宽混凝土桥梁结构作为一种由旧桥和新桥形成的组合结构，对其开展可靠度分析时，不但要对新桥结构设计进行分析，而且要求拼宽后桥梁在服役期的整体受力性能开展研究。同时，拼宽混凝土桥梁结构与旧桥或普通新桥在结构组成、受力情况等方面存在不同，需要开展具体研究。

根据文献资料可知，对公路桥梁工程开展可靠度研究需要以结构抗力和荷载效应两个指标为基础，同时对不确定性因素仔细了解、充分掌握后科学量化。总的来说，与普通新建混凝土桥梁和旧有的混凝土桥梁相比较，拼宽混凝土桥梁的上述两个指标特征与桥梁自身的旧桥与新桥结构的二者相互作用密不可分。具体而言，主要由以下三方面组成：

一是拼宽混凝土桥梁在服役期间会发生收缩徐变，而新桥和旧桥二者的变形值不同，存在的变形差会使结构内部水平向产生弯矩和轴力，这会使得桥梁不但要承受竖向的荷载，还要承受水平向荷载，称为压（拉）弯构件，从而减小桥梁的竖向抗弯承载力，对拼宽桥梁的受力性能造成不良影响。

二是新桥与旧桥结构在设计参数时存在不同，如钢筋布置方式、强度等级等等，以及钢筋混凝土的使用年限不同，这些都会使得新桥和旧桥二者的结构抗力在服役期间的退化过程存在差别。

三是拼宽完成后，桥梁上部作用的汽车及行人荷载会在新桥和旧桥内部横向重新分配，这会使得拼宽前后主梁的荷载效应发生较大变化。

在以上三方面特征中，混凝土的收缩徐变与钢筋锈蚀二者与服役龄期密不可分，因此应对拼宽混凝土桥梁结构开展时变可靠度分析。

3.2 结构体系可靠度的区间估计法

在拼宽混凝土桥梁结构时变可靠度分析中，结构体系有两方面的概念：第一，一般将桥梁工程简化为多个构件同时受力的体系，只有当若干个构件失效后，其余构件形成机动体系之后，整个结构体系才会失效；第二，对于单个结构构件而言，其发生失效时处于的模式有多种情况，需要基于结构体系层次对失效模式对构件产生的影响进行分析。从本质上分析，可靠度分析的对象即为构件的失效模式。根据失效模式和失效事件等因素间的联系，一般将结构体系分为串联体系、并联体系以及串-并联混合体系，如图5、6、7所示。

图5 串联体系

图6 并联体系

图7 串-并联混合体系

构件触发任一失效模式，则整个结构体系失效被称为串联体系；所有失效模式生效，结构体系失效被称为并联体系；串联体系与并联体系二者的逻辑组合被称为串-并联混合体系。假设g(X)=0 表示的是结构体系第i 个失效模式的极限状态方程，则上述三种结构体系的失效概率计算公式见（1）、（2）、（3）：

综上，在已知结构体系的失效概率计算公式中，一般依据数学近似方法可以计算出失效概率的上限与下限同失效模式发生概率之间的关系，从而得到失效概率的上下限，这一方法被称为结构体系可靠度的区间估计法。

4 结论

第一，以拼宽混凝土桥梁为研究对象，总结了现有桥梁加宽的常用措施，分别是：增设悬臂挑梁拓宽法、增设边梁拓宽法以及SBWM 法。第二，分析了影响拼宽混凝土的因素，其中混凝土收缩徐变和基础沉降效应是长期受力因素，而拼接缝局部结构的受力性能和荷载横向重分布效应属于短期因素。第三，混凝土收缩徐变与钢混的腐蚀均属于时间的函数，文中对拼宽混凝土的可靠度分析进行时变分析。