吳文清，翟建勛，張 嫻，趙 昊，*，張 慧

（1.東南大學(xué)交通學(xué)院，南京 210096；2. 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055）

近十多年來(lái)，隨著高速公路交通量的逐年增加，我國(guó)高速公路已經(jīng)出現(xiàn)了比較嚴(yán)重的交通擁堵現(xiàn)象，影響了道路的通行能力和服務(wù)水平，因此，對(duì)原有道路進(jìn)行拓寬改造已經(jīng)迫在眉睫。目前，高速公路拓寬基本采用在原有高速公路兩側(cè)進(jìn)行橫向拓寬改造，可有效控制橫向拓寬的建設(shè)成本[1-2]。在預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋橫向拓寬拼接時(shí)，如果新舊箱梁采用直接拼接，通常需要縱向切割部分待橫向拼接的既有箱梁翼緣板，以擴(kuò)大翼緣板板端橫截面積，便于橫向植筋施工[3-4]。不過(guò)這種拼接方案并不適用于三向預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的橫向拓寬，因?yàn)樵谌蝾A(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的翼緣板內(nèi)，橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋的存在使其不能被縱向切割。因此，對(duì)于三向預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋的橫向拓寬工程，至今尚無(wú)可被廣泛接受的合理拓寬方案[5-6]。

目前，針對(duì)這種連續(xù)箱梁翼緣板橫向拼接的困難，在實(shí)際工程中一般有兩種解決方案[7，11]。

（1）采用新舊翼緣板結(jié)構(gòu)分離的方案。根據(jù)結(jié)構(gòu)分離的橫向拓寬設(shè)計(jì)要求，設(shè)置縱向伸縮裝置能夠滿足新舊結(jié)構(gòu)之間的橫向和豎向變形要求，保證橋面平順，且能夠承受車輛的反復(fù)碾壓而不損壞。例如中國(guó)銀川黃河大橋[7-8]、伊朗Bozorgmehr 大橋[9]等拓寬工程，即采用了新舊主梁結(jié)構(gòu)不連接的橫向拓寬連接方案。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，銀川黃河大橋共930 m（12×30 m+60 m+5×90 m+60 m）范圍內(nèi)新舊橋上部結(jié)構(gòu)之間沿縱向預(yù)留2 cm寬縫隙，然后通過(guò)縱向伸縮裝置將新舊橋面連接在一起，使得橋面平順。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，銀川黃河大橋拓寬中采用了3種伸縮縫裝置，分別為彈塑體無(wú)縮縫伸縮裝置、JFC減振防滑伸縮裝置、EMR樹(shù)脂彈性混凝土伸縮裝置。上述分離方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)也很明顯，有證據(jù)表明[9]，盡管相互分離但新舊箱梁之間仍然存在相互動(dòng)力作用，也無(wú)法有效控制新舊結(jié)構(gòu)之間的變形差，易導(dǎo)致橋面鋪裝開(kāi)裂破壞并造成高速行車安全事故。

（2）采用橫向剛性連接的拼接方案。如滬寧高速公路塘河大橋橫向拼接即采用了如圖1所示的剛性連接方案[10-11]。由于橫向剛性連接結(jié)構(gòu)的剛度較大，新橋基礎(chǔ)沉降對(duì)舊橋結(jié)構(gòu)受力產(chǎn)生十分不利的影響。在軟土地基條件下，新舊橋梁之間的沉降變形差比較明顯，將會(huì)給拓寬結(jié)構(gòu)橋梁的安全帶來(lái)較大的不確定性。

針對(duì)上述軟土地基條件下三向預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋的橫向拼接難題，本文以京滬高速公路鹽河大橋?yàn)檠芯勘尘?，提出了一種新型橫向拼接結(jié)構(gòu)，并申報(bào)了發(fā)明專利“一種三向預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋的橫向拓寬拼接結(jié)構(gòu)”（申請(qǐng)?zhí)枺?201510055081.X）。在保持新舊箱梁翼緣板結(jié)構(gòu)分離的前提下，在新、舊箱梁翼緣板下側(cè)增設(shè)沿縱向均勻設(shè)置的橫向加勁肋群，將新舊箱梁翼緣板連接起來(lái)，而不用鑿除設(shè)置有橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋的部分翼緣板，形成一種柔性的橫向拼接結(jié)構(gòu)，以達(dá)到該類箱梁橋橫向拼接的目的，如圖2所示。新舊箱梁結(jié)構(gòu)橫向拼接完成以后，借助于橫向加勁肋群作為其橫向傳力途徑，來(lái)傳遞新舊箱梁之間的相互作用，同時(shí)能夠適應(yīng)新舊基礎(chǔ)較大的不均勻沉降差變形。相比于方案（2），加勁肋的剛度較小，適合華東及華南地區(qū)的軟土地基。作為橫向拼接結(jié)構(gòu)的加勁肋，雖然只是常規(guī)的結(jié)構(gòu)，但是把橫向加勁肋應(yīng)用于軟土地基地區(qū)箱梁拓寬中是一種結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，它既能避免雙箱梁結(jié)構(gòu)橫向分離所帶來(lái)的結(jié)構(gòu)變形差導(dǎo)致的交通安全問(wèn)題，又是一種有效的橫向連接結(jié)構(gòu)形式。只要選擇合適的結(jié)構(gòu)剛度很有可能解決新舊箱梁之間較大變形差所帶來(lái)的結(jié)構(gòu)受力安全問(wèn)題。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，在軟土地區(qū)進(jìn)行箱梁橋橫向拓寬時(shí)，面內(nèi)剛度巨大的橫隔板是不宜采用的一種結(jié)構(gòu)形式，但是加勁肋由于抗彎剛度較小且易于調(diào)節(jié)剛度，非常適用于軟土地區(qū)箱梁橋的橫向拓寬中。為此，本文利用有限元方法重點(diǎn)分析橫向加勁肋在各不利荷載作用下的受力狀況，并通過(guò)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行理論分析，同時(shí)建立加勁肋局部有限元模型，分析加勁肋尺寸和間距的影響，以探討該橫向拼接結(jié)構(gòu)的可行性。

圖1 塘河大橋橫向拼接方案（單位：cm）

圖2 鹽河大橋箱梁拼接結(jié)構(gòu)及尺寸（單位：cm）

鹽河大橋位于淮江高速公路K7+550～K8+550路段，跨鹽河和規(guī)劃淮漣一級(jí)公路，原橋已于20世紀(jì)90年代末完成施工。鹽河大橋跨徑布置為（42+65+42）m，是采用懸臂現(xiàn)澆施工的三向預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)箱梁橋。主梁結(jié)構(gòu)采用C50混凝土，預(yù)應(yīng)力鋼束為7Φ5鋼絞線。

原橋采用雙向分離式車道，單幅橋面寬度為13.5 m，拓寬后橋面寬度為20.5 m。為了避開(kāi)翼緣板橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋對(duì)翼緣板縱向切割的阻礙，擬采用增設(shè)橫向加勁肋群的方式將新舊箱梁翼緣板連接起來(lái)。新舊箱梁翼緣板之間依然保留結(jié)構(gòu)縫，結(jié)構(gòu)不連接；同時(shí)采用在新舊箱梁拼接側(cè)翼緣板底側(cè)植筋或預(yù)留鋼筋的形式布置鋼筋骨架，現(xiàn)場(chǎng)搭支架，現(xiàn)澆混凝土加勁肋，從而將新舊箱梁翼緣板連接在一起。植筋時(shí)避開(kāi)橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋位置。為保證施工質(zhì)量，建議采用自密實(shí)混凝土。鹽河大橋橫向拼接方案如圖2所示。加勁肋沿著結(jié)構(gòu)縱向每隔一定間距連續(xù)布置。在通過(guò)初步分析之后，擬定橫向加勁肋尺寸為：高度H=30 cm，厚度B=50 cm，縱向布置間距L=4 m。

1 加勁肋拼接拓寬結(jié)構(gòu)對(duì)外界作用差異性的反應(yīng)研究

由于建造時(shí)間有差異，導(dǎo)致新舊橋結(jié)構(gòu)之間存在材料收縮和徐變變形差、基礎(chǔ)不均勻沉降差等明顯差異性作用，這些差異將引起新舊橋之間強(qiáng)烈的相互作用，同時(shí)，車輛偏載作用將對(duì)既有橋梁的內(nèi)力狀態(tài)產(chǎn)生附加差異影響。本文討論的外界差異性作用主要有3類：新舊橋梁的材料收縮及徐變變形差、新舊橋梁基礎(chǔ)沉降差和車道荷載。本文首先采用有限元分析方法對(duì)此展開(kāi)分析研究。

1.1 有限元模型建立和加載工況

采用Midas civil建立實(shí)體有限元模型，混凝土結(jié)構(gòu)采用8節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用植入式鋼筋模擬，將鋼筋的剛度添加到混凝土母單元中，未考慮普通鋼筋對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響。新、舊箱梁均采用C50混凝土，預(yù)應(yīng)力鋼絞線張拉控制應(yīng)力為1 395 MPa。

有限元模型定義了施工階段，并模擬施工過(guò)程中及成橋后的邊界條件。有限元模型中混凝土收縮徐變特性基于《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62—2004）考慮了收縮、徐變等混凝土?xí)r間依存材料特性。全橋有限元模型共有597 688個(gè)單元，758 545個(gè)節(jié)點(diǎn)。模型中總體坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于舊橋箱梁左邊跨梁端支點(diǎn)截面外側(cè)翼緣根部；x軸沿橋梁縱向，以向右為正；y軸沿橋梁橫向，以舊橋方向?yàn)檎粃軸沿橋梁豎向，以向上為正。

本文主要針對(duì)以下3個(gè)工況進(jìn)行分析：

工況1：新建橋梁的材料收縮及徐變作用；

工況2：新建橋梁基礎(chǔ)沉降作用；

工況3：車輛活載偏載作用。

1.2 加勁肋結(jié)構(gòu)及主梁受力狀態(tài)分析

由于橫向加勁肋是橫向拼接結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)造，因此，本文重點(diǎn)分析加勁肋在上述各工況下的受力特性，包括變形特點(diǎn)和應(yīng)力分布狀態(tài)，以研究采用該柔性橫向拼接結(jié)構(gòu)的可行性。最后，本文分析了橫向拼接對(duì)既有箱梁結(jié)構(gòu)的縱向內(nèi)力影響規(guī)律。

1.2.1 工況1：新建橋梁的材料收縮及徐變作用

假設(shè)拓寬時(shí)舊橋的收縮、徐變作用已基本完成，有限元模型中只考慮新建橋梁的混凝土收縮和徐變變形；當(dāng)新舊結(jié)構(gòu)通過(guò)加勁肋連接在一起時(shí)，新橋產(chǎn)生的收縮、徐變變形將會(huì)受到舊橋的結(jié)構(gòu)約束，從而在新舊主梁之間產(chǎn)生相互作用內(nèi)力和結(jié)構(gòu)變形。為了減輕該附加內(nèi)力作用，拓寬工程中一般在新橋施工完成3個(gè)月以后再將新舊箱梁連接在一起。在上述附加內(nèi)力作用下，分析計(jì)算拓寬結(jié)構(gòu)運(yùn)營(yíng)10年后的結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)。本文著重分析主梁結(jié)構(gòu)橫向變形和加勁肋主拉應(yīng)力狀態(tài)。

（1）主梁橫向變形

由于新舊箱梁之間的橫向拼接作用，新橋主梁的縱向回縮變形受到舊橋主梁的約束，導(dǎo)致新舊梁體產(chǎn)生共同的橫向變形，該橫向變形方向偏向新橋一側(cè)。假如橫向固定約束設(shè)置在中間支座處，將使梁端在平面上出現(xiàn)明顯的橫向位移，導(dǎo)致梁端向外側(cè)移動(dòng)，橫向位移最大值Δ=51 mm。為防止支座發(fā)生剪切破壞，橋梁拓寬施工中應(yīng)采用剪切變形能力強(qiáng)的支座。整體變形使得舊橋主梁偏心受壓，新橋主梁以及拼接加勁肋呈偏心受拉狀態(tài)。

對(duì)于這種長(zhǎng)聯(lián)橋梁拓寬, 為了避免梁端過(guò)大的橫向變形擠壓側(cè)向抗震擋塊，相關(guān)文獻(xiàn)[14-15]對(duì)長(zhǎng)聯(lián)多跨連續(xù)箱梁橋的橫向拓寬提出了若干解決方案，如限制拼接拓寬的橋梁總長(zhǎng)以避免出現(xiàn)較大的橫向變位，或者沿橋長(zhǎng)方向的中段采用拼接拓寬方案，每聯(lián)端部1/3橋長(zhǎng)范圍內(nèi)分離的局部橫向拼接方案等思路，但方案都不夠成熟。

（2）加勁肋縱向應(yīng)力狀態(tài)（x軸向）

新舊混凝土收縮、徐變差異作用下，使橫向加勁肋呈現(xiàn)出復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。由于梁端橫向變形最大，本文主要對(duì)靠近梁端的橫向加勁肋應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。對(duì)于橫向加勁肋的受力狀態(tài)，從縱向（x軸向）和橫向（y軸向）分別分析結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)。

靠近梁端的第1根和第2根加勁肋x軸向應(yīng)力分布圖如圖3所示，圖中應(yīng)力單位為MPa，位于實(shí)體邊線上方的是拉應(yīng)力，位于實(shí)體邊線下方的是壓應(yīng)力。

由于新箱梁回縮變形，舊箱梁通過(guò)加勁肋限制這種變形，因此在加勁肋與箱梁的接觸面均出現(xiàn)拉應(yīng)力，這種受力狀態(tài)出現(xiàn)在邊支座附近位置，影響范圍持續(xù)到距離邊支座第3個(gè)加勁肋（距離邊支座約為14 m），加勁肋底部大部分處于受壓狀態(tài)。由圖3可知，加勁肋x軸向最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在邊支座截面位置處舊橋一側(cè)端部，最大拉應(yīng)力達(dá)到了1.6 MPa，且最大拉應(yīng)力由邊支座截面向跨中方向逐漸減小，距離邊支座處第2個(gè)加勁肋的最大拉應(yīng)力值降到了1.2 MPa。

圖3 加勁肋順橋向（x軸）正應(yīng)力（單位：MPa）

（3）加勁肋橫向應(yīng)力狀態(tài)（y軸向）

加勁肋的y軸向正應(yīng)力分布如圖4所示，圖中應(yīng)力性質(zhì)與圖3相同。

圖4 加勁肋橫橋向（y軸向）應(yīng)力分布（單位：MPa）

由圖4可知，收縮、徐變作用下，拼接加勁肋上下翼緣的橫橋向基本處于受拉狀態(tài)，拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)在舊橋側(cè)加勁肋端部，其中邊支座位置處的加勁肋拉應(yīng)力值達(dá)到了2.1 MPa。加勁肋呈現(xiàn)拉應(yīng)力的原因?yàn)椋号f箱梁是在新箱梁的拉動(dòng)下向新箱梁一側(cè)橫向變形，結(jié)果就呈現(xiàn)出新舊箱梁之間通過(guò)加勁肋傳遞橫向拉力。

基于上述分析，可以認(rèn)為橫向加勁肋與既有箱梁腹板的交界面處產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，存在較大的開(kāi)裂可能性。

1.2.2 工況2：基礎(chǔ)不均勻沉降差作用

結(jié)構(gòu)拓寬時(shí)，假設(shè)舊橋基礎(chǔ)的沉降已經(jīng)歷多年且基本完成，而新橋基礎(chǔ)的沉降還未完成，因此將產(chǎn)生新舊橋基礎(chǔ)的不均勻沉降差，如圖5所示，從而在新舊主梁之間產(chǎn)生附加的相互作用力。

圖5 新橋支點(diǎn)沉降箱梁變形

分析時(shí)僅考慮新橋基礎(chǔ)沉降，按整體沉降差5 mm考慮，該數(shù)據(jù)是參照有關(guān)的計(jì)算分析資料和實(shí)地沉降觀測(cè)資料擬定而成[16]。分析表明，基礎(chǔ)不均勻沉降差作用對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的內(nèi)力影響主要體現(xiàn)在靠近支座位置附近的結(jié)構(gòu)。圖6為主要控制截面的橫向正應(yīng)力圖，應(yīng)力單位為MPa。

圖6 沉降差導(dǎo)致拼接部位的橫向正應(yīng)力分布（單位：MPa）

分析表明，新橋一側(cè)加勁肋或翼緣板底部均出現(xiàn)拉應(yīng)力，邊支座截面處最大拉應(yīng)力達(dá)到5.3 MPa，中支座截面處拉應(yīng)力達(dá)到4.89 MPa，上述拉應(yīng)力值均大于材料抗拉強(qiáng)度，而舊橋翼緣頂面在邊支座截面處拉應(yīng)力達(dá)2.52 MPa，中支座截面處拉應(yīng)力也達(dá)到2.17 MPa。對(duì)于無(wú)加勁肋截面位置處，應(yīng)力分布規(guī)律十分類似，但是相應(yīng)應(yīng)力值明顯減小，說(shuō)明支座沉降所造成的其他截面結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力狀態(tài)遠(yuǎn)小于支座截面應(yīng)力狀態(tài)，所以重點(diǎn)關(guān)注支座截面即可。

由于軟土基礎(chǔ)的基礎(chǔ)沉降將歷經(jīng)很長(zhǎng)一段時(shí)間，即基礎(chǔ)沉降給混凝土橫向拓寬結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響是長(zhǎng)期的，因此在計(jì)算中應(yīng)考慮混凝土應(yīng)力松弛效應(yīng)。按照文獻(xiàn)[17，21]的研究成果，結(jié)構(gòu)應(yīng)力可進(jìn)行折減, 本文建議折減系數(shù)可取0.45。基于上述因素，邊支座截面處新橋翼緣底部拉應(yīng)力可降低為2.35 MPa，中支座截面處相應(yīng)拉應(yīng)力降低為2.20 MPa。顯然上述最大拉應(yīng)力值小于C50等級(jí)混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值2.65 MPa。盡管如此，還需在相應(yīng)位置采取加強(qiáng)措施來(lái)降低混凝土開(kāi)裂的危險(xiǎn)性。

1.2.3 工況3：車輛活載偏載作用

本節(jié)研究在車道荷載作用下，橫向拼接結(jié)構(gòu)所承受的橫向應(yīng)力分布狀態(tài)，重點(diǎn)是橫向加勁肋的受力特性。因此，車道荷載的橫向分布主要考慮在舊橋箱梁側(cè)偏載布置。鹽河大橋拓寬前的橋面寬度為13.5 m，單向2車道布置，外加1個(gè)緊急停車帶。分析計(jì)算中采用新規(guī)范中規(guī)定的公路-Ⅰ級(jí)車道荷載進(jìn)行加載，可考慮按3車道進(jìn)行縱向加載，拓寬拼接前后的荷載橫向分布如圖7所示?？v向布置以中跨跨中截面撓度最大原則進(jìn)行布載。

圖7 車道荷載橫向分布（單位：m）

（1） 結(jié)構(gòu)位移分析

拓寬前后新舊橋主梁在相同活載作用下的豎向變形如圖8所示，計(jì)算過(guò)程中未考慮預(yù)應(yīng)力作用。以中跨跨中截面為例，拓寬拼接前后新舊橋主梁結(jié)構(gòu)橋面板各點(diǎn)的撓度橫向分布如圖9所示。

圖8 活載作用下舊橋主梁撓度圖

由圖8可知, 在相同活載作用下，拓寬后整體箱梁的撓度相比拓寬前明顯降低，舊橋中跨跨中截面箱梁頂板中心點(diǎn)的最大撓度為-27 mm，拓寬后該撓度減小到-18 mm，兩者相比下降約33%，說(shuō)明通過(guò)橫向加勁肋的傳力途徑，使新建橋梁分擔(dān)了相當(dāng)一部分車輛荷載作用。另由圖9可知，加勁肋拓寬拼接前、后舊箱梁頂板各點(diǎn)的豎向撓度在橫橋向的分布規(guī)律基本相同，僅僅豎向撓度大幅度減小。這些事實(shí)都說(shuō)明橫向加勁肋可以有效地連接新舊箱梁，使得新舊箱梁具有較好的整體性。

圖9 拓寬前后跨中截面變形變化圖

（2）加勁肋應(yīng)力分析

如圖10所示，在舊橋側(cè)偏載作用下，中跨跨中截面的舊橋側(cè)加勁肋底部主拉應(yīng)力達(dá)到了3.2MPa，處于開(kāi)裂邊緣。分析表明，加勁肋結(jié)構(gòu)尺寸需進(jìn)一步優(yōu)化，需適當(dāng)減小橫向加勁肋結(jié)構(gòu)剛度，以此降低橫向拉應(yīng)力值避免混凝土開(kāi)裂。

圖10 中跨跨中截面加勁肋應(yīng)力圖（單位：MPa）

1.3 綜合受力工況分析

通過(guò)上述分析可知，在各種荷載作用下加勁肋受力極值一般出現(xiàn)在角點(diǎn)。對(duì)上述已經(jīng)完成的分析進(jìn)行匯總，并適當(dāng)考慮材料徐變效應(yīng)對(duì)應(yīng)力折減的作用，主要截面位置處加勁肋控制點(diǎn)的第一主拉應(yīng)力參見(jiàn)表1。

由表1可知，對(duì)加勁肋受力影響最大的是支點(diǎn)截面基礎(chǔ)沉降作用，其次是新舊橋材料收縮及徐變效應(yīng)差影響，活載偏載作用對(duì)于跨中截面加勁肋的控制點(diǎn)應(yīng)力影響較大。

在邊支座截面，由于基礎(chǔ)不均勻沉降導(dǎo)致的點(diǎn)4主拉應(yīng)力較大，但考慮徐變作用所帶來(lái)的應(yīng)力折減效應(yīng)，該應(yīng)力折減系數(shù)取為0.45[19]，該項(xiàng)應(yīng)力降低為2.59 MPa；收縮、徐變作用下各加勁肋的應(yīng)力狀態(tài)也超過(guò)了2 MPa，其中邊支座截面點(diǎn)2處拉應(yīng)力達(dá)到了2.85 MPa。

綜上，各拉應(yīng)力狀態(tài)總和仍然較大，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全影響不容忽視，因此，該問(wèn)題有待于進(jìn)一步研究?？蓪?duì)橫向加勁肋結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、采用抗拉性能好的鋼纖維混凝土，以防止結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。

表1 加勁肋控制點(diǎn)處主拉應(yīng)力表 MPa

2 拓寬后結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)變化

上述分析僅針對(duì)橫向加勁肋，本節(jié)將對(duì)拓寬后原有結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化狀態(tài)進(jìn)行分析討論。

拓寬前后結(jié)構(gòu)的內(nèi)力借助梁格法模型來(lái)計(jì)算完成。原橋在拓寬拼接前后的結(jié)構(gòu)形式、邊界條件及其它各種作用的變化都會(huì)給原橋內(nèi)力帶來(lái)影響，現(xiàn)分析中主要考慮結(jié)構(gòu)自重、預(yù)應(yīng)力、收縮和徐變作用、溫度梯度作用、基礎(chǔ)不均勻沉降以及車輛活載等各項(xiàng)作用的綜合影響。

為建立梁格法模型，鹽河大橋橫截面縱向梁格劃分如圖11所示。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中，全橋共劃分為1 813個(gè)單元。剪力-柔性梁格模型考慮了預(yù)應(yīng)力鋼筋的作用，材料參數(shù)均按照橋梁原有設(shè)計(jì)要求取值。

圖11 鹽河大橋拓寬箱梁橫截面梁格劃分示意圖

梁格模型的支座約束條件按照實(shí)橋進(jìn)行模擬，如圖12所示。

圖12 鹽河大橋平面梁格劃分示意圖

計(jì)算分析當(dāng)中，中縱梁和拼接加勁肋是主要控制構(gòu)件，本文將主要分析上述構(gòu)件的受力狀況。主要控制截面有：1#邊跨支點(diǎn)截面、2#邊跨1/4截面、3#邊跨跨中截面、4#邊跨3/4截面、5#中支點(diǎn)截面、6#中跨1/4截面、7#中跨跨中截面，如圖13所示。

圖13 計(jì)算分析控制斷面劃分示意圖

拓寬前后原橋主梁彎矩和剪力對(duì)比詳見(jiàn)表2、表3 。

表2 拓寬前后原橋彎矩值 kN·m

表3 拓寬前后原橋剪力值 kN

上述計(jì)算成果表明，利用橫向加勁肋群完成新舊箱梁橫向拼接后，既有箱梁結(jié)構(gòu)在各關(guān)鍵截面的內(nèi)力有所變化。（1）截面彎矩:支點(diǎn)截面的負(fù)彎矩略有增加，增加幅度小于3.3%，不影響結(jié)構(gòu)安全；各跨中截面的正彎矩都呈減小狀態(tài)，如3#邊跨跨中截面的彎矩減小12.06%。（2）剪力:支點(diǎn)位置剪力有所增加，如5#中支點(diǎn)截面剪力增加了10.98%，而其它截面的剪力變化很小。盡管如此，橫向拓寬后5#中支點(diǎn)截面的剪力值仍小于該截面的抗剪承載力，結(jié)構(gòu)仍是安全的。因此，利用橫向加勁肋進(jìn)行橫向拼接后，原有箱梁結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵截面的抗彎和抗剪承載力仍符合設(shè)計(jì)要求，沒(méi)有結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題。

3 加勁肋參數(shù)分析

本節(jié)將研究加勁肋尺寸參數(shù)的變化對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，具體討論加勁肋的高度、寬度和布置間距變化時(shí)新舊箱梁及加勁肋自身的受力變化情況，通過(guò)分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）拼接加勁肋的構(gòu)造尺寸對(duì)新舊箱梁受力變化影響較小，當(dāng)拼接加勁肋構(gòu)造尺寸變化時(shí)，新舊箱梁所受的最大、最小彎矩以及剪力的變化很小，變化幅度一般在5%上下，最大不超過(guò)10%。

（2）拼接加勁肋的構(gòu)造尺寸對(duì)自身受力狀態(tài)影響較大。選取圖13中的7個(gè)控制截面，分析采用不同高度和厚度的加勁肋結(jié)構(gòu)拓寬時(shí)，加勁肋自身的最大彎矩和最大剪力。圖14為不同加勁肋高度的最大彎矩變化圖，圖15為最大剪力變化圖，圖16為不同加勁肋厚度最大彎矩變化圖，圖17為最大剪力變化圖。

圖14 不同加勁肋高度的最大彎矩變化

圖15 不同加勁肋高度最大剪力變化

隨著拼接加勁肋的高度和厚度的增大，拼接加勁肋受到的最大彎矩值和最大剪力值均明顯增大，變化幅度較大，最大可達(dá)342%，最小也達(dá)到23.8%。當(dāng)拼接加勁肋尺寸參數(shù)較小時(shí)，各拼接加勁肋所承受的最大彎矩值和剪力值相差不大，隨著加勁肋高度和厚度的增加，支撐截面附近位置處加勁肋的最大彎矩值和最大剪力值明顯增大，增幅最為明顯。

圖16 不同加勁肋厚度最大彎矩變化

圖17 不同加勁肋厚度最大剪力變化

（3）分析不同布置間距對(duì)加勁肋結(jié)構(gòu)的影響，表4為不同布置間距對(duì)應(yīng)加勁肋內(nèi)力的數(shù)值表。表4中，最大彎矩是指承受最大彎矩的拼接加勁肋的彎矩值和對(duì)應(yīng)剪力值，最大剪力同理；平均最大彎矩是指所有加勁肋在綜合作用下所能承受最大彎矩值的平均值，平均最大剪力同理。從表4中可以看出，隨著布置間距的增大，每根加勁肋所需承受的彎矩和剪力值也隨之增大，即隨著布置間距的增大及加勁肋數(shù)目的減少，每根加勁肋需要承擔(dān)更大的內(nèi)力。為了更好地查看加勁肋布置間距變化時(shí)內(nèi)力極值的變化情況，以4 m基準(zhǔn)“1”，分析結(jié)果如表5所示。

表4 不同布置間距對(duì)應(yīng)加勁肋內(nèi)力數(shù)值表

表5 不同布置間距對(duì)應(yīng)加勁肋內(nèi)力變化比值

由表5可知，隨著布置間距的增大，加勁肋承擔(dān)的彎矩值和剪力值也隨之增大，每根加勁肋承擔(dān)荷載的效率得到了提高。需要注意的是，設(shè)計(jì)中不能盲目增大布置間距，必須滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形的要求。

4 結(jié)論

本文基于有限元方法，研究分析了用于三向預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋橫向拓寬結(jié)構(gòu)中的橫向加勁肋結(jié)構(gòu)的靜力受力特性，得到如下結(jié)論：

（1）在新舊箱梁結(jié)構(gòu)的收縮、徐變變形差作用下，邊支座截面的拼接加勁肋處于最不利受拉狀態(tài)，尤其是橫向拉應(yīng)力較為明顯，最大拉應(yīng)力值達(dá)到了2.1MPa。加勁肋橫向開(kāi)裂可能性較大。

（2）新橋基礎(chǔ)沉降作用下，新舊主梁存在明顯的豎向變位差，致使新舊主梁拼接段處，新橋翼緣板或加勁肋底部以及舊橋翼緣頂部明顯受拉，支座截面拉應(yīng)力狀態(tài)明顯大于跨中其余截面，所以需重點(diǎn)關(guān)注各支座截面主拉應(yīng)力狀態(tài)；同時(shí)計(jì)算中考慮了混凝土應(yīng)力松弛效應(yīng)，沉降差造成的拼接結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力仍然較大，因此仍需采取必要的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施來(lái)降低混凝土開(kāi)裂的危害性，建議使用纖維混凝土等方法探討有效解決拉應(yīng)力過(guò)大問(wèn)題。

（3）相比于拼接前舊橋箱梁來(lái)說(shuō)，拓寬拼接后的結(jié)構(gòu)整體剛度有明顯提高，且能有效減小舊橋活載作用效應(yīng)，說(shuō)明橫向加勁肋能夠有效連接新舊箱梁，使得拓寬后結(jié)構(gòu)共同受力和變形；拓寬后原有箱梁結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵截面內(nèi)力有所變化，其抗彎和抗剪承載力仍符合設(shè)計(jì)要求，沒(méi)有結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題。

（4）加勁肋尺寸參數(shù)和布置間距的變化對(duì)新舊箱梁受力變化影響較小，對(duì)加勁肋自身的應(yīng)力影響較大。盡管加勁肋自身仍然存在較大拉應(yīng)力，需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，但本文方法仍是一種可供選擇的方案。

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