张昌曜、欧阳泽卉

（中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉430056）

0 引言

我国对于拼宽桥的研究起步较晚，最早是进行T梁和空心板梁桥的拼宽，在进行拼宽时将新旧桥梁通过湿接缝和横隔板等进行连接，后期运行过程中会存在沉降等问题。为解决拼宽桥带来的问题，我国学者进行了研究。史磊磊等人[1]通过对桥梁的横向力分布系数进行分析，结果表明提高刚度可降低桥梁内部应力。李子豪[2]通过研究表明半刚性连接的桥梁抗拉能力强，刚性连接桥梁具有较好的稳定性能。

通过相关研究使我国的拼宽桥梁得到了较快的发展，但实践中仍然存在不足，因此，本次研究具有一定的指导意义。

1 桥梁拼宽原则

桥梁在拼宽过程中应保证新旧桥梁的变形可保持统一，尽可能降低不均匀沉降，让桥梁在运行的时候可共同受力，为保证工期应与道路共同施工。本文通过以下几点详细表明桥梁进行拼宽时应遵循的规则：

新旧桥梁进行拼宽，工程完工之后要确保稳固，同时要确保其变形能力保持一致，符合相关施工标准。

新旧桥梁需要按照统一的载荷和设计标准进行计算，开始设计之前，必须先解析原桥的受力情况，验算它现在的状态，确保它有相应的承载能力[3]。

桥梁的横隔板具有横向连接的效果，可保持新旧桥梁连接更加稳固。桥梁的横隔板特征在于有着非常大的强度和刚度，可承载主梁荷载。同时，此结构还存在缺陷，比如，柔性偏低，协调变形能力有所欠缺[4]。在进行拼接的时候，由于应力过于集中而造成结构崩坏。因此，在桥梁的拼宽过程中，边梁也是比较好用的样式。

2 上部结构受力影响因素

2.1 新旧桥梁不均匀沉降

桥梁在后期运营过程中产生不均匀沉降是不可避免的。新旧桥梁在建造时间上存在一定的差异，因此，在运营过程中会出现不均匀沉降，不均匀沉降也是导致新旧桥梁不能协调变形的主要因素[5]。拼宽的T 梁桥受到沉降差的影响，会使内力增大，从而发生病害，最危险的结构为T 梁横隔板。因此，在桥梁进行施工时，应采取必要措施降低桥梁基础的沉降量，如：采用桩基础、增大桩长和桩径，并在施工前对地基进行处理，如：强夯、换填基础等[6]。

2.2 混凝土的收缩徐变

由于混凝土自身特性的原因，在浇筑完成后存在收缩徐变，新旧桥由于建桥时间不一致，在连接部位处存在龄期差，旧桥混凝土的收缩徐变比新桥的收缩徐变快，该现象会导致连接部位受力发生改变（附加应力增大）。因此，在进行桥梁拼接时，要着重对新旧桥混凝土的龄期差进行分析。

3 案例分析

3.1 工程概况

本文依托的桥梁上部结构为装配式预应力简支T，跨径为30m，拼宽设计时考虑单侧拼宽。加宽桥梁与原桥结构相同，新旧桥间通过强刚接和弱刚接进行横向连接。

3.2 模型建立

3.2.1 假设条件

（1）利用有限元对新旧桥分析时，桥梁变形处于弹性阶段，仅考虑上部结构受力变化。

（2）模型分析时，混凝土忽略材料非线性，且弹性模量不发生变化，该过程中不分析收缩徐变以及混凝土质量的影响。

（3）忽略预应力钢筋的作用。预应力钢筋对上部结构的本构模型影响程度较小，因此该分析过程忽略不计。

（4）假定新桥基础发生沉降，原桥基础不沉降，且沉降发生后，主梁不发生横向移动。

3.2.2 参数设定

本节将对新旧桥的主梁、拼接缝、盖梁结构建立有限元模型，新旧桥主梁、边梁与拼接缝间采用刚性连接，设定各个混凝土构件均为C50 混凝土，弹性模量E=3.45×104MPa，混凝土密度为2.5×103kg/m3，泊松比为0.2。

新旧桥弱刚接连接部位是新旧桥翼缘板，且边梁间无横隔板。连接前，对旧桥边梁部分翼缘板进行凿除，并进行连接，浇筑混凝土。模型中，将新旧桥边梁削掉翼缘板，宽度为425mm，同时建立相同尺寸阶段。最后对新旧桥两端进行刚性连接。强刚接以弱刚接为基础进行，新旧桥边梁进行横隔板施工，将二者边梁进行有效连接。旧桥边梁的腹板进行植筋，然后新旧桥进行钢筋绑扎，最后浇筑混凝土，形成横隔板。由上文假定条件（4）可知，新桥发生沉降时，主梁无横向移动。因此，在主梁底部支座位置处，施加横桥向平动约束，盖梁底面施加X、Y、Z 方向约束。

3.3 工况设定

本文对新桥发生沉降时，不同工况下上部结构内力变化情况进行分析，上部结构仅分析混凝土自重。本文分析桥梁发生整体沉降外，还对两端产生沉降差情况进行分析。因此本文设置工况如下所示。工况1：新桥基础两端均发生5mm 沉降。工况2：新桥基础一端发生5mm 沉降，一端发生3mm 沉降。工况3：新桥基础一端发生5mm 沉降，一端不发生沉降。

4 受力分析

4.1 主梁变形分析

4.1.1 主梁竖向变形

通过对主梁受力变化曲线进行分析可知，桥梁无论处于哪种沉降工况下，新桥在弱刚接条件下，主梁沉降均达到盖梁值。强刚接条件下，新桥主梁梁端沉降达到盖梁顶面。当主梁采用弱刚接形式时，新桥发生的沉降程度较大，因此在新旧桥梁拼接位置，主梁产生的竖向变形最大。拼接处，新桥主梁承受上拱产生的附加应力，原桥主梁承受下挠产生的附加应力。不同工况下，弱刚接新旧桥梁的边梁最大变形量和分布位置一致，方向相反。新桥远端沉降在降低时，拼接处边梁竖向变形量降低，但变形位置向梁端移动。强刚接情况下，拼接处旧桥边梁的变形情况较为复杂。可类似比作为在旧桥跨中位置施加一集中力，旧桥的梁端产生上拱变形，跨中产生下弯变形。远端沉降降低时，最大附加上拱、最大附加下挠的位置均发生远端移动。

4.1.2 主梁横向变形

当新桥的主梁发生沉降后，新旧桥在横向力的作用下均发生横向变形。在横桥方向，T 梁的腹板和翼板抗弯刚度不一致，且主梁设置有横隔板，因此T 梁底板和顶板存在变形差。弱刚接情况下，新桥基础发生沉降后，新、旧桥主梁横向附加变形变化规律呈反对称形式。主梁翼板的横向抗弯刚度比腹板大，因此新旧桥主梁梁底的变形量大于梁顶变形量。横桥向，主梁梁顶最大附加变形量＜0.02mm，因此本文认为，在新桥发生沉降变形的条件下，梁顶未发生附加变形。新桥发生沉降变形时，新桥主梁梁底横桥向的裂缝方向朝向拼接缝，原桥主梁梁底横桥向的裂缝方向远离拼接缝，拼接缝两侧边梁产生较大的附加变形。强刚接情况下，新桥基础发生沉降后，新、旧桥主梁横向附加变形变化与拼接缝对称情况有关。新桥发生沉降后，主梁和边梁梁底无显着的变形。桥跨跨中产生变形，变形方向朝向拼接缝，且变形的幅度随着拼接缝距离的增大而减小，桥梁梁顶同样产生朝向拼接缝的附加变形。

4.2 拼接处内力分析

新旧桥梁拼接处，由于横隔板的存在，顺桥方向剪应力存在较大变化。无横隔板弱刚接条件下，拼接段竖向剪应力峰值位置比边梁横隔板剪应力峰值位置滞后。有横隔板强刚接条件下，拼接段剪应力达到峰值，且横隔板承担全部剪力，翼缘板不承担剪力。桥梁上部结构在工况1 的条件下，新旧桥梁的支座截面会发生相对错动，且边梁的错动程度大于跨中位置。桥梁的拼接方式无论采用强刚接还是弱刚接，拼接处均发生竖向剪应力，且该应力的峰值变化为两端向跨中减少。采用强刚接方式时，横隔板的竖向剪应力比采用强刚接时的竖向剪应力大一倍。

5 结论

本文通过对路基垫层施工进行分析，得到以下结论。对桥梁拼宽造成影响的要素包含下面两点：混凝土存在收缩徐变，基础沉降并不匀称。本文通过工程实例建立有限元模型，并设定三种工况对主梁的变形情况和拼接处的内力进行分析，结果表明：弱刚接条件下，新桥主梁沉降均匀，沉降量与盖梁一致；强刚接条件下，新桥的边梁沉降与盖梁一致，主梁沉降变化为二次曲线。