预应力空心板梁桥拼宽设计及计算分析
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摘 要：本文介绍了目前国内高速公路改扩建项目中，桥梁拼接加宽的几种主要方式，并对各种方式的优缺点和适用性进行了阐述。通过空间有限元仿真，分析预应力空心板上部结构拼接加宽后内力分布和变化情况，总结设计中需要关注的问题。
中图分类号：U445 文献标识码：A
随着国内经济的快速增长，早期修建的不少高速公路交通量增长迅猛，部分道路交通日趋饱和，为改善这一状况，需要对这些公路进行相应的改建或加宽扩建。本文将对常见桥梁拼接加宽方式及特点进行阐述，并对预应力空心板梁桥的拼宽设计和计算分析方法进行介绍。
1.桥梁拼宽方式及特点
1.1 拼宽方式
国内常见的高速公路桥梁加宽连接方式一般有3种：
（1）上、下部不连接：新、旧桥梁上、下部并列设置，通过设置工作缝分离。
（2）上、下部连接：新、旧桥上、下部结构通过植筋、浇筑湿接缝等实现结构连接。
（3）上部连接、下部不连接：新、旧桥梁基础分离，通过改造旧桥边梁或其它方式与新建部分的上部结构进行铰接或刚接。
1.2 拼宽特点
（1）上、下部不连接
这种拼宽方式新、旧桥梁各自受力，可避免收缩徐变差和地基沉降差等对主体结构产生影响，同时简化了施工程序。比如，大跨径的连续梁桥加宽时，其收缩徐变差、不均匀沉降差及预应力反拱难以控制，通常会采用这种方式；另外，这种连接方式也可用于新、旧结构型式不同的拼宽桥梁。
这种连接方式的缺点也很明显：首先，由于新、旧结构完全独立，新建部分无法与旧结构联合受力，在设计荷载标准提高时，原主梁的承载力有可能不满足要求。另外，活载作用下新、旧桥主梁挠度不同步，加宽部分后期沉降等，极易造成连接部位铺装层破坏，产生纵向裂缝和横向错台。由于上述缺点，高速扩建项目中无法大规模采用这种加宽方式。
（2）上、下部连接
上部结构连接，主要有翼板铰接和翼板+横隔梁刚接两种。这种拼宽方式好处在于：首先，拼接后新、旧结构整体均匀受力，旧结构受到的活载效应降低；其次，可以较好的避免桥面连接处，受新、旧结构地基沉降差影响而产生变形和开裂。
这种方式的缺点在于：新建下部结构的混凝土收缩徐变和地基沉降受原有结构的约束。上述变形过大时，易造成连接界面或原结构拉裂；此外，下部构造也需采用植筋等技术连接，增加工程成本和施工技术难度。
因此，该方法一般在地质条件较好的区域，应用于T梁、箱梁等需要刚性连接的桥梁结构。
（3）上部连接、下部不连接
这种加宽方式的优点在于：首先，新、旧下部结构各自受力；其次，只要控制好沉降差，上部构造连接部位一般不容易出现开裂等问题。
缺点在于：连接后新、旧结构的沉降差和新、老材料的龄期差，会产生附加内力，致使上部构造连接处内力增大。针对不均匀沉降，新建结构可通过采用桩基础，并适当增加桩长、超载预压等措施减小工后沉降；针对收缩、徐变次应力等，一般通过合理增加配筋应对。
此种加宽方式大量应用于国内多条高速改扩建项目，质量稳定、效果良好。
2.空心板拼宽计算分析
2.1 基本信息
本次研究取某高速公路16m空心板算例，原桥上部为先张法空心板结构，拼宽桥为后张法空心板结构；原桥全宽28m，共13块板，拼宽后全宽为42m，拼宽部分共7块板。如图1所示。
2.2 计算模型
本次研究计算分析借助空间有限元分析软件Midas/civil2012，通过建立梁格模型进行模拟计算。
建立梁格模型时，使纵向梁格与梁板中心线重合，出于活载施加定位的需要，在边梁悬臂端部、纵梁之间以及新、旧结构拼接部位均增设虚拟纵梁。
横梁的间距应保证计算结果具有足够的精度，并在支点的附近应适当加密。
同时，计算模型还进行了以下几点假定：
（1）桥梁上部结构纵、横向空间分析中不考虑纵、横向坡度。
（2）新旧桥梁的边界约束条件相同。
（3）对于空心板梁，新、旧桥梁采用翼缘板连接，连接方式为铰接。
2.3 结论
（1）拼接后新、旧桥共同受力，对旧桥来说恒载内力减小，减小幅度由拼接侧向远端递减。拼接后新桥收缩徐变会造成旧桥恒载增大，新桥恒载减小，增减幅度均由拼接侧向远端递减。上述两种作用相抵后，拼接后旧桥部分恒载作用略有增加。
（2）拼接后新、旧桥共同受力，旧桥整体活载内力降低，降低幅度由拼接侧向远端递减。对于空心板而言，单片梁活载内力作用大于恒载，而拼宽后活载效应的降低幅度大于恒载的增加幅度。因此，拼宽后旧桥的恒、活载组合效应低于拼宽前。理论上来说，拼宽后原桥部分较拼宽前整体更加安全。
（3）对拼接部位而言，竖向受力模式主要为受剪，活载最不利加载工况为车轮直接作用在拼接部。总的剪力应将恒载、活载和新桥沉降效应进行组合，由于这几项效应作用均较小，一般情况下不会出现应力超标的情况。拼接部纵桥向受新梁收缩徐变影响较大，应考虑此项作用对拼接部位的纵向钢筋进行配筋验算。
（4）对于预应力空心板梁桥来说，由于新旧板梁之间为结构弱连接，新桥沉降对拼接后的原桥部分影响不大，施工中只要控制新桥沉降不过大即可。
参考文献
[1]朱坤宁.简直连续桥面桥梁拓宽的结构分析与研究[D].东南大学，2007.
[2]常红航.混凝土梁桥拓宽拼接时的收缩徐变影响研究[D].湖南大学，2013.
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