桥梁拓宽中新旧桥梁连接方法和受力分析应用与研究

刘 斌，杨重阳

（1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司,湖北武汉 430056；2.中交城乡建设规划设计研究院有限公司,湖北武汉 430056）

引言

伴随着我国城市化进程的日益增加，城市人口越来越多，对城市的道路和桥梁等基础设施提出了更高的要求。目前城市建筑中存在的主要矛盾是，早期的城市道路和桥梁比较狭小，和现代化城市的快速的发展，使得交通量需求也随之快速增长，这就要求提高城市交通的通行能力和基础设施的服务水平。人口的快速增长的矛盾日益突出。为了解决这一矛盾，要求对现有城市桥梁进行加宽处理，新旧桥在扩宽时的连接方法及连接后的受力状态成为桥梁建设者需要解决的主要问题，有些学者对此进行了研究。刘晓南[1]结合有限元模型与梁格法，并且通过荷载试验得出的数据和对模型的分析计算，对桥梁拓宽方案的设计进行了分析和研究，并提出了拓宽桥梁施工过程的建议和处理措施。张元[2]分析了高速公路扩建工程前桥梁拼接的准备，拼接和防护措施，发现并有效解决了高速公路扩建工程施工中桥梁加宽拼接问题。加宽桥梁与原桥梁施工力量不一致，桥梁质量等问题可能会受到影响。邢方义[3]对公路扩建T 桥拼接施工技术进行了简要分析和研究。史东升和徐冰[4]在文章中提出了，根据实际情况设计相适应的施工方案，同时按照相应的施工规范和技术标准对待建桥梁进行拓宽，并控制施工中容易出现的质量问题，探讨了高速公路扩建工程桥梁拼装施工技术。贺国峰[5]在文章中分析了我国桥梁运行中面临的实际困难。彭辉等[6]以外部预应力筋为研究对象，对新桥施工和旧桥改建加固进行了研究。为了研究宽大公路桥梁荷载横向分布系数的变化情况，黄立普等[7]提出了加宽纵横梁的方法。通过建立加固旧桥的模型，研究了加固梁的位置，数量和刚度。当主梁和旧桥刚度加宽，主梁连接方式不同时，各主梁横向分配系数的变化规律发生变化。这些研究对解决工程问题可起到积极作用。但是，对于新旧桥梁的连接方法研究不多，如何使新旧桥梁在伸缩缝与沉降缝交点处在通车后既保持桥面平整，又具有良好防水、防尘性能，是值得研究的问题。本文结合实际工程，对此进行研究，探讨桥梁拓宽中新旧桥梁的连接方法，并对拓宽后的受力情况进行分析。

1 工程概况

研究对象为武汉市某环形匝道，因为城市建设和发展的需要，对环形匝道高架桥做加宽处理。原有桥梁是11（跨数）×25 m（跨径）的简支梁桥，梁采用的是预应力空心板梁，下部结构采用双柱式桥墩，钻孔灌注桩基础形式。待加宽的桥梁和原桥跨数、跨径均一致。

原有桥梁中，桥面系由12 片预应力混凝土空心板构成桥跨结构，桥面宽度为13.75 m，单向三车道，其中两侧防撞墙各0.5 m，桥面施工工艺为在空心板梁上部浇筑10 cm 厚混凝土，然后施工防水层，最后铺设9 cm 厚的沥青混凝土作为桥面面层。拟拓宽连接的新桥采用单侧拓宽，在旧桥一侧桥宽增加3.5 m 由4 片预应力空心板组成，同时最外侧的防撞墙与旧桥尺寸、形状、大小一致，桥面铺装的施工工艺与旧桥一样（如图1 所示），拓宽后增加为单向四车道。

图1 拓宽后新桥横向布置图Fig.1 Lateral layout of the new bridge after widening

2 新旧桥连接技术

2.1 新旧桥连接技术

在现有桥梁加固拓宽项目中，新旧桥之间的连接主要面临啃边、错台和连接不牢等问题。为了使得新旧桥梁连接后形成整体，需要在两者之间构建一定连接，这样可以分担整体拓宽后的荷载。新旧之间的连接形式主要有四类，上部和下部均不连接的分离式结构、上部和下部同时连接的整体式结构、上部构造相连下部不相连、上部连接下部弱连（铰接）结构体系[8-10]。

分离式连接形式，可以抵抗变形和受力，但是，沿纵桥向有一定空隙，随着桥梁服役年限的增加，伸缩装置材料老化、施工质量、两侧混凝土徐变和新旧桥荷载不均匀等会有错台出现，不利于交通安全，同时车辆荷载对连接处也有很大的冲击。

解法六：由函数图象的对称性可知函数图象上与对称轴距离相等两点的函数值相等，即：，则在中，任取可求出a=-1.

1）高位嫁接。猕猴桃建园时必须培育健壮实生主干，适当提高嫁接部位，一般在距地面80～120 cm处实生干上嫁接品种。

对拓宽后旧桥结构的连接技术和受力变化进行了研究。对比现有连接方式的特点并研发了新型的连接技术，同时通过Midas-Civil 软件，采用梁格法分别建立桥梁拓宽前和拓宽后的有限元仿真模型，分析桥梁在拓宽前后的内力和位移变化情况。具体结论如下：

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该种沉降缝主要有以下特点：1）针对现有的沉降缝结构进行改进，充分利用橡胶的弹性和弹性恢复能力，避免新旧桥沉降差异对沉降缝结构的破坏；2）采用的氯丁橡胶板具有较高的拉伸强度、伸长率和可逆的结晶性，粘接性好，耐老化、耐热、耐油、耐化学腐蚀性优异；3）采用橡胶沥青作为顶面填料，具备较好的表面构造、密水性、抗剪切稳定性、弹性，提高了路面对疲劳裂缝、反射裂缝的抵抗能力。其优异的抗疲劳性也提高了路面的耐久性能，具有优异的抗车辙永久变形能力等，将连接缝的设计方案已经成功运用于实际拓宽项目。

2.2 一种适用于新旧桥梁衔接的沉降缝结构

利用有限元软件MIDAS CIVIL 建立其空间模型，在建模中对各预应力空心板采用梁格法进行建模。分别建立旧桥和拼宽之后桥梁的模型，对于旧桥模型考虑混凝土结构的收缩徐变的特性，混凝土结构浇筑成功的时间越长,其收缩徐变的值越大，但随着时间的推进其变化的速率越小。不是同时浇注成型的混凝土结构来说，其收缩徐变的变形值是有差距的，建立MIDAS 有限元梁格模型进行收缩徐变作用的效应分析。旧桥建成时间较久，混凝土收缩徐变作用已经稳定，净乎达到收敛值，而新桥刚刚建成其混凝土的收缩徐变呈发展扩大的趋势，在建立新桥模型时考虑后浇连接带的混凝土徐变作用。将主梁作为纵向单元，每片主梁纵向分为100个单元，每个单元0.25 m，总跨度25 m，单元划分精细有利于提高计算精度。桥梁预应力空心板的连接中，各板之间采用虚拟横梁增加联系，模型中横梁不设重量只设置刚度。拼宽后全桥模型分别如图5 所示.

图2 沉降缝构造示意图Fig.2 Structural diagram of subsidence joint

图中：①U 型止水带，材料为紫铜片或镀锌钢板；②氯丁橡胶板；③橡胶沥青（主要是间断级配混合料）；④固定螺栓。

整体式连接形式，新旧桥之间形成一个有机整体，可以抵抗基础沉降、车辆荷载和温度变化等在连接处产生的变形。上部结构因混凝土徐变的影响会有附加应力出现，运行后会影响桥梁下部结构，从而影响桥梁的安全性，也增大了新桥的维修成本。

基于此，本文在考虑这四种连接方式的前提下，对新旧桥的连接方式进行探索，并研发出更加适合新旧桥连接的关键技术。

2.3 一种曲线双向伸缩橡胶止水片

为了解决新旧桥梁相连沉降缝和伸缩缝相交位置的双向伸缩问题，提出了一种沉降缝结构，此结构适用于桥梁衔接工程，特别是新旧桥梁衔接工程，目的是更好的应对此类工程中存在的普遍问题，即沉降缝表面由于缝两侧桥体的沉降差异所造成的开裂、破坏等。此沉降缝整体结构由橡胶止水带、氯丁橡胶板、橡胶沥青填料组成。双向伸缩橡胶立面图如图3 所示。采用U 型橡胶止水带，在做到结构防水的同时，保证两侧桥体的沉降互不影响。通过氯丁橡胶板将止水带与填料分隔，并连同止水带一起固定于桥体中，保证两者的稳定性。在橡胶板上方均匀摊铺橡胶沥青填料，做到与沉降缝两侧桥面平整连接，保持路面的平整。

图3 防水橡胶立面图Fig.3 Waterproof rubber elevation

该双向伸缩止水橡胶的特点：1）针对现有的U型防水橡胶进行改进，满足伸缩缝与沉降缝相交处的双向伸缩，避免橡胶沿长度方向的疲劳破坏；2）在伸缩缝与沉降缝相交处，将二者均断开，以满足双向伸缩的要求，施工简便，且较为经济，便于广泛应用。

2.4 一种双向变形伸缩-沉降缝装置

沉降缝装置的构造图如图4 所示，图中：①梳齿状伸缩缝；②预留钢板凹槽，后期用橡胶填充；③下部为沉降缝交错处，上部为钢板；④交错处梳齿状沉降缝，⑤正常状态沉降缝。主要解决新旧桥梁相连沉降缝和伸缩缝相交位置的双向变形问题。伸缩缝在交错处直接断开，并将断开后的四部分，分别于沉降缝对应的部分焊接（新旧桥各两部分）。因新旧桥连接采用柔性连接，先建立新桥，在与旧桥相同的位置设置伸缩缝，新桥完工后，再施工沉降缝，沉降缝的钢筋与新旧桥翼缘板钢筋焊接在一起，以固定沉降缝，在交错处对沉降缝进行一定的处理，其余各个部分沉降缝与伸缩缝均采用装配式安装。

图4 双向变形沉降缝构造Fig.4 Two-way deformation subsidence joint structure

3 新旧桥连接后受力分析

3.1 力学模型

该沉降缝结构所采用的技术方案是：主要用于解决新旧桥梁衔接中沉降缝的结构问题。新旧桥梁之间采用上部结构衔接，下部结构不衔接的方式进行衔接，中间留有空隙安装沉降缝，沉降缝的防水采用防水橡胶止水片。沉降缝的具体构造图如图2所示。利用氯丁橡胶板将止水片与铺设沥青分隔开，沉降缝上部铺设橡胶沥青，以保证桥面的平整。

图5 拼宽后全桥Midas 有限元模型Fig.5 Midas finite element model of full bridge after flattening

3.2 计算结果分析

为了研究新桥对老桥内力变化的影响，采用控制变量法对计算结果进行统计分析。建模是考虑旧桥和拼宽桥的结构构造不同，其他受力、约束等边界条件都设置成一样，本节主要是利用MIDAS 软件计算旧桥和拼宽之后桥梁在相同的移动荷载工况作用下的最大内力情况，选取1#、2#、11#、12#和1′#梁进行内力比较分析，找出其中的变化规律。各主梁拓宽前后的内力变化幅度大小比较如图6 所示，其中，左坐标轴表示弯矩，右坐标轴表示剪力。

图6 梁扩宽前后内力变化Fig.6 Internal force changes before and after widening of beam

在桥梁拓宽前后，从剪力图和弯矩图分布来看，1#主梁的各选择节点中，在桥梁拓宽前后剪力呈现减小的趋势，其中91#单元节点剪力减小最大达到87.76 kN，桥梁拓宽前后弯矩呈现减小的趋势，其中51#单元节点弯矩减小最大达到46.06 kN·m；2#主梁的各选择节点中，在桥梁拓宽前后剪力呈现减小的趋势，其中91#单元节点剪力减小最大达到75.78 kN，桥梁拓宽前后弯矩呈现减小的趋势，其中51#单元节点弯矩减小最大达到339.08 kN·m；11#主梁的各选择节点中，在桥梁拓宽前后剪力呈现减小的趋势，其中91#单元节点剪力减小最大达到 31.7 kN，桥梁拓宽前后弯矩呈现减小的趋势，其中51#单元节点弯矩减小最大达到196.67 kN·m；12#主梁的各选择节点中，在桥梁拓宽前后剪力呈现减小的趋势，其中91#单元节点剪力减小最大达到 33.6 kN，桥梁拓宽前后弯矩呈现减小的趋势，其中51#单元节点弯矩减小最大达到228.5 kN·m；1'#主梁的各选择节点中，在桥梁拓宽前后剪力呈现增加的趋势，其中91#单元节点剪力相对增大最大达到 7.8 kN，桥梁拓宽前后弯矩呈现增加的趋势，其中51#单元节点弯矩相对增大最大达到59.1 kN·m，可以明显看出，拓宽后的新梁段参与到了全桥的受力，分担了分部荷载，也说明拓宽后的整体性比较好，全桥形成一个整体，共同受力。

4 结语

成都平原城市群县域经济差异与综合经济实力、经济发展结构、经济规模和政府调控能力等密切相关，因此，应从几个方面来推动县域经济的持续健康发展：(1)以成都市为经济发展中心，发挥其对外围县域的辐射带动作用，加快外围落后县域的基础设施建设步伐，为其提供一系列有利于经济发展的政策支持，吸引外部投资，增强县域自主发展能力.(2)政府进行产业结构调整时，应立足县情，结合区域比较优势，走差异化城市发展道路，减少区域间的相互竞争，增强区域经济合作.(3)培养新的经济增长点，在绵阳、眉山、资阳等地发展次一级经济中心，为研究区偏远县域注入新的经济活力，推动区域经济协调发展.

上部构造相连下部不相连、上部连接下部弱连（铰接）结构体系的特点是在结合处会发生变形和转动，新建桥梁和原有桥梁不是整体。上部结构受载更均衡合理，下部结构各自承担荷载，受力合理，互不影响。能够避免不均匀沉降、混凝土徐变和不均匀受载产生的影响。同时，这种连接方式对于施工质量有一定的要求。

1）探讨了四种新旧桥梁连接方式，在此基础上采用U 型橡胶止水带，在做到结构防水的同时，保证两侧桥体的沉降互不影响。在橡胶板上方均匀摊铺橡胶沥青填料，使得沉降缝两侧桥面平整连接，保持路面的平整；解决了伸缩缝和沉降缝双向拉伸对U 型防水橡胶的要求，避免橡胶沿长度方向拉伸疲劳破坏，保证伸缩缝与沉降缝交点处的良好防水。伸缩缝及沉降缝的钢梁上承搭凹型金属薄板完成，对伸缩、沉降装置的自由伸缩与沉降不产生影响。同时在交错处沉降缝及伸缩缝上部覆盖钢板及橡胶，起到保持平整、防尘作用。

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2）从整体上讲，每片主梁拓宽前后的弯矩图和剪力图的形状都相同。剪力图中可以看出，剪力右端在梁端支座位置取得峰值，在左端支座处最小，从左到右一直处于增大的趋势。弯矩图中，每片梁的弯矩图都呈抛物线形状，梁端位置处的弯矩最小，1/2 跨径处弯矩取得最大值，且弯矩图关于1/2 截面对称。

3）由每片梁的内力变化对比可知，老桥的主梁拓宽后在移动的车辆荷载作用下其内力较拓宽前减小很多，而且新桥的内力也增大了，说明新桥对旧桥的荷载起到了一部分的承担作用；新桥在荷载作用距离拼接处的距离越近，荷载分担作用越大。因此，在新旧桥梁拓宽工工程中，距离拼接处最近的两根边主梁和远离拼接端的一片边梁需要进行剪力和弯矩的验算，必要时需要对这几片梁做加固处理。

4）新桥承担了旧桥的一部分荷载，使得老桥的远离接缝处的主梁受力更加合理，更加偏于安全。新桥和老桥可以相互承担荷载，不会使得某一片梁的内力非常大的情况；而且新旧桥梁铰接处理后，全桥受力性能较好，全桥内力符合设计要求。