王鵬程

（山東高速基礎設施建設有限公司，山東 濟南 250102）

0 引言

改革開放以來，伴隨著我國經濟的發(fā)展，公路橋梁所承擔的運輸車輛荷載和人員通行壓力也不斷增長，使得我國早期建設的部分公路橋梁無法滿足現有的交通需求。因此，為了提高公路橋梁的服務水平，若完全將舊橋拆除，重新建設新的滿足現有需求的橋梁，這樣不但影響交通出行、成本高昂，而且對生態(tài)環(huán)境也會有不利影響。如果可以將舊橋合理加寬，不但能避免以上不利因素，還可以使舊橋得以重新利用，帶來巨大的社會效益和經濟效益。綜上所述，拼寬技術在公路橋梁領域具有顯著的應用價值。

隨著拼寬技術理論研究和實踐應用的不斷發(fā)展，這一技術在混凝土橋梁領域具有廣泛的應用前景。因此，針對拼寬混凝土橋梁開展理論研究和實踐應用評估變得愈發(fā)重要，而對拼寬混凝土橋梁結構進行受力性能和可靠度研究則是首要任務。

1 混凝土橋梁拼接拓寬方法

目前，針對混凝土橋梁拼寬的方法多種多樣，在選取拼寬方法時，應綜合考慮橋梁的結構類型、施工條件、工程地質等因素，從而選擇最經濟合理的拼寬方法。從結構受力情況分析，拼接方法和工序不同，拼寬后橋梁的受力體系也不同，拼寬方法對混凝土橋梁的受力性能和可靠度有著決定性影響。在當前工程實踐中，主要采用以下幾種拼接拓寬方法。

1.1 增設邊梁拓寬法

增設邊梁拓寬法，即拆除橋梁兩側的欄桿或人行道板后，在舊橋結構上采用與原橋一致或類似的結構對橋梁進行拓寬，并且采用加設蓋梁或加寬橋墩的措施分擔豎向荷載。這一方法的優(yōu)勢在于采用增設邊梁措施將橋梁拓寬后，橋梁整體剛度增大，舊橋的橫向分布系數隨之減小，進而改善橋梁的橫向受力情況。然而，在實踐應用中應考慮蓋梁的受力的情況，確保加寬仍具備較好的受力性能。圖1為某高架橋采用增設邊梁對舊橋拓寬。

圖1 某高架橋增設邊梁拓寬示意圖

1.2 增設懸臂挑梁拓寬法

增設懸臂挑梁加寬法一般有兩種方法，方法一：若舊橋結構受力性能可以滿足拓寬后的要求時，可以將橋面鑿除后再鋪裝鋼筋加以混凝土澆筑，并且在橋墩邊緣增設懸臂梁，滿足車輛和行人通行需求，實現拓寬目的。圖2為某國道上一座T 梁橋通過該方法增設人行道的示意。方法二：采用拼裝整體式肋形蓋板用作橋面板，利用蓋板的外伸臂提高懸挑臂的長度，從而實現對橋梁的拓寬。與懸臂挑梁技術相比，采用肋形蓋板技術可以使橋梁剛度值更大，加寬范圍值更廣，也無需新建橋梁墩，節(jié)省人力物力。根據工程實踐可知，采用該方法加固后的橋梁，不僅承載力滿足要求，而且在特殊情況需要增設橋墩時，也具備較好的經濟合理性。

圖2 使用增設懸臂挑梁拓寬法拓寬橋梁

1.3 SBWM 法

21世紀初，受到新建橋梁采用內撐桿寬箱梁的案例的影響，美國KSI Structural Engineering 公司提出采用增設斜桿支撐的措施用來對箱梁加寬，這一方法被稱之為SBWM 法，如圖3所示。該方法的優(yōu)點在于可以根據拓寬橋梁的實際需求對箱梁進行拓寬，具有較高的靈活性。

圖3 SBWM 法拓寬混凝土箱梁示意圖

2 拼寬混凝土橋梁結構受力性能

2.1 結構短期受力性能

2.1.1 新、舊橋間荷載橫向重分布效應

橫向分布系數是用于多梁式橋梁計算上部結構的橫向活載效應，部分梁-板式橋梁也應用此系數。而橫向分布系數受多因素的影響，比如主梁根數和間距、主梁跨徑、主梁和縱梁的橫向連接剛度等。而新舊混凝土結構的參數不同，橫向分布系數也會有所變化。比如，新舊混凝土的主梁跨徑不同，加之二者之間的拼接縫結構復雜，使得橫向受力差異大。在上部汽車荷載的作用下，新舊混凝土受力分配不均，橫向荷載也會重新分布。

2.1.2 拼接縫局部結構的受力性能

拼接縫是拼寬后的混凝土與舊混凝土連接處，拼接縫處能否正常受力工作，是拼裝后橋梁結構運行的前提條件。目前，拼裝縫的設計也存在多元化，比如：鉸接、剛接、半剛性接等。針對不同的橋梁結構，采取不同的拼裝縫。拼裝縫在上部荷載的作用下，在混凝土收縮徐變的作用下以及基礎不均勻沉降的作用下，受力情況復雜，受力狀態(tài)難以模擬。

2.2 結構長期受力性能

2.2.1 收縮徐變效應

拼寬混凝土橋梁是在原有橋梁基礎上增加新的結構，以此增大橋梁的路面寬度。原有混凝土的結構變形存在收縮徐變，拼寬之后的混凝土橋梁不僅存在收縮徐變，還存在附加的結構效應。簡而言之，拼寬大多數是在已建好的橋梁上完成的，已建混凝土經過長期的反應，收縮徐變已基本穩(wěn)定。而拼寬后的新混凝土，還未進行收縮徐變，因此新混凝土的收縮徐變帶動舊混凝土的結構變形，轉變成施加在舊混凝土上的作用，引發(fā)拼寬后橋梁結構的重力重分配。這種現象已引發(fā)設計師的關注，如何確定新舊混凝土的結構效應對橋梁結構的影響已成為拼寬橋梁的設計要點，專家和學者對此展開了深入的研究和試驗。但是橋梁結構形式多樣，受力復雜，拼寬方式也多種多樣，無法統一結論。目前解決此問題最有效的辦法是采用數值仿真軟件，模擬橋梁拼寬后的受力特點。圖4為混凝土徐變應變與時間的關系。橫坐標為時間，縱坐標為混凝土變形。t為舊橋梁開始徐變時間，t為拼寬后混凝土開始徐變時間，從圖中可以看出兩種混凝土在不同時間的變形變化。

圖4 混凝土徐變應變-時間關系

2.2.2 基礎沉降差效應

基礎的沉降也與時間相關。新建橋梁還未完全固結沉降，產生較大的變形沉降。而舊混凝土經過長期的固結沉降，變形已基本穩(wěn)定。拼寬后的新舊混凝土，因沉降量不一，會導致不均勻沉降，導致混凝土出現裂縫。另外，不均勻沉降導致的變形差，也會給橋梁支座產生外加的荷載作用，在拼寬交界處，產生新的內力與應變?；A的不均沉降是一個長期的過程，會隨著時間增長變得愈發(fā)明顯。拼寬后的新混凝土導致基礎不均勻沉降，是影響橋梁拼寬設計的長期因素。

3 拼寬混凝土橋梁結構時變可靠度分析

3.1 拼寬混凝土橋梁可靠度研究總述

目前，一般依托于以可靠度理論為基礎的概率極限狀態(tài)指標開展公路橋梁工程結構設計，并且利用可靠度指標對工程結構評估和編制規(guī)范也愈發(fā)成熟。拼寬混凝土橋梁結構作為一種由舊橋和新橋形成的組合結構，對其開展可靠度分析時，不但要對新橋結構設計進行分析，而且要求拼寬后橋梁在服役期的整體受力性能開展研究。同時，拼寬混凝土橋梁結構與舊橋或普通新橋在結構組成、受力情況等方面存在不同，需要開展具體研究。

根據文獻資料可知，對公路橋梁工程開展可靠度研究需要以結構抗力和荷載效應兩個指標為基礎，同時對不確定性因素仔細了解、充分掌握后科學量化?？偟膩碚f，與普通新建混凝土橋梁和舊有的混凝土橋梁相比較，拼寬混凝土橋梁的上述兩個指標特征與橋梁自身的舊橋與新橋結構的二者相互作用密不可分。具體而言，主要由以下三方面組成：

一是拼寬混凝土橋梁在服役期間會發(fā)生收縮徐變，而新橋和舊橋二者的變形值不同，存在的變形差會使結構內部水平向產生彎矩和軸力，這會使得橋梁不但要承受豎向的荷載，還要承受水平向荷載，稱為壓（拉）彎構件，從而減小橋梁的豎向抗彎承載力，對拼寬橋梁的受力性能造成不良影響。

二是新橋與舊橋結構在設計參數時存在不同，如鋼筋布置方式、強度等級等等，以及鋼筋混凝土的使用年限不同，這些都會使得新橋和舊橋二者的結構抗力在服役期間的退化過程存在差別。

三是拼寬完成后，橋梁上部作用的汽車及行人荷載會在新橋和舊橋內部橫向重新分配，這會使得拼寬前后主梁的荷載效應發(fā)生較大變化。

在以上三方面特征中，混凝土的收縮徐變與鋼筋銹蝕二者與服役齡期密不可分，因此應對拼寬混凝土橋梁結構開展時變可靠度分析。

3.2 結構體系可靠度的區(qū)間估計法

在拼寬混凝土橋梁結構時變可靠度分析中，結構體系有兩方面的概念：第一，一般將橋梁工程簡化為多個構件同時受力的體系，只有當若干個構件失效后，其余構件形成機動體系之后，整個結構體系才會失效；第二，對于單個結構構件而言，其發(fā)生失效時處于的模式有多種情況，需要基于結構體系層次對失效模式對構件產生的影響進行分析。從本質上分析，可靠度分析的對象即為構件的失效模式。根據失效模式和失效事件等因素間的聯系，一般將結構體系分為串聯體系、并聯體系以及串-并聯混合體系，如圖5、6、7所示。

圖5 串聯體系

圖6 并聯體系

圖7 串-并聯混合體系

構件觸發(fā)任一失效模式，則整個結構體系失效被稱為串聯體系；所有失效模式生效，結構體系失效被稱為并聯體系；串聯體系與并聯體系二者的邏輯組合被稱為串-并聯混合體系。假設g(X)=0 表示的是結構體系第i 個失效模式的極限狀態(tài)方程，則上述三種結構體系的失效概率計算公式見（1）、（2）、（3）：

綜上，在已知結構體系的失效概率計算公式中，一般依據數學近似方法可以計算出失效概率的上限與下限同失效模式發(fā)生概率之間的關系，從而得到失效概率的上下限，這一方法被稱為結構體系可靠度的區(qū)間估計法。

4 結論

第一，以拼寬混凝土橋梁為研究對象，總結了現有橋梁加寬的常用措施，分別是：增設懸臂挑梁拓寬法、增設邊梁拓寬法以及SBWM 法。第二，分析了影響拼寬混凝土的因素，其中混凝土收縮徐變和基礎沉降效應是長期受力因素，而拼接縫局部結構的受力性能和荷載橫向重分布效應屬于短期因素。第三，混凝土收縮徐變與鋼混的腐蝕均屬于時間的函數，文中對拼寬混凝土的可靠度分析進行時變分析。