本文是一篇土木工程论文，本文依托于某高速公路的人行通道改造桥梁工程开展研究，采用文献研究总结、理论解析解与有限元数值模拟等方法，探讨了基于考虑车辆荷载作用下的桥梁结构与既有路面在工程项目施工改造过程与工后某时间段内的力学响应问题。通过研究，得出了一些重要结论，为未来类似改造项目的实施提供了参考。
第一章绪论
1.1研究背景
随着中国交通基础设施建设的持续推进，桥梁工程的数量和规模呈现逐年增长的趋势。纵观桥梁建设的发展历程，可以将中国桥梁的建设历程划分为三个重要阶段，即上世纪80年代后至2000年、2000年至2014年、2014年至今。2000年之前，中国的桥梁建设主要采用小型机械化工艺，受限于施工技术和施工设备，这一时期的桥梁规模较小，建设难度较低，设计寿命较短。部分在此阶段建成的桥梁面临着改造、重建或淘汰的情况。2000年至2014年是中国桥梁建设蓬勃发展的14年，在这一时期，中国的桥梁建设技术迅速发展，施工技术和施工设备更新迭代，道路的设计标准和设计使用寿命也获得了提升，因此该阶段建成的大部分桥梁仍处于服役状态。但受限于当时的资金、技术和规划，这一时期大多的桥梁在设计阶段并未考虑到后续交通量的快速增长，桥梁的设计宽度也无法满足日益增大的出行需求。自2014年以来，中国的桥梁建设水平逐步走向世界前沿。这一阶段相继建成了多座大体量、高技术的世界级超级桥梁，代表着中国标准和中国技术在全球建设领域的领先地位。施工方式也由粗放式建设改为精细化设计和品质化施工。这一阶段建设的桥梁更注重未来交通发展需求，具有较长的设计使用寿命。
随着桥梁建设规模的增大，国家将基础设施发展的焦点从建设阶段逐渐转移到桥梁运营维护阶段。现阶段不少在役桥梁正面临着功能性和安全性不匹配现阶段交通需求的情况，需要对其进行改造才能满足日益增长的交通需求。在中国低碳化和绿色化的发展趋势指导下，对现有桥梁进行改造相对于建设新桥能够显著降低当地政府财政负担。然而，目前大多数桥梁研究仍集中于新建桥梁领域，对在役桥梁改造领域的关注度尚显不足。
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1.2国内外研究现状
在役高速公路通道改造的研究内容，主要涉及在役桥梁改造、弹性地基梁模型的建立与求解、桥梁变形研究以及桥梁变形的数值模拟研究。尽管当前已有对在役高速公路通道改造的研究，但未有将变刚度弹性地基梁模型应用在高速公路通道桥梁改造上，对于桥梁变形的研究大多在役桥梁变形监测技术研究上，对于高速公路通道桥梁改造施工前后的变形分析相对较少。
下面将从上述五个方面来介绍研究的现状。
1.2.1既有道路路基通道改造研究
在役人行通道的改造可细分为横向加宽、净空加高和纵向改造，或者通道移除新建改造桥梁结构。通道作为一种特殊的跨越方式，在设计和施工中往往被划分到桥梁工程的范畴，属于桥梁改造的纵向改造分类。随着在役桥梁的交通量的不断增加，许多学者针对桥梁改造这一方向开展了研究。
2011年，魏江波等人[1]依托某项目工程，提出了旧通道改造过程中可以采用“跳格”的施工工艺，即先破除老路基下的人行通道基础，再浇筑新混凝土基础的施工解决方案，该研究方法有效解决原高速施工期间不能正常运营的问题。2014年，葛占钊等人[2]基于某高速公路路基下的薄壁台式人行通道存在众多的安全病害，且通道不能满足附近村民、生活与通行等前提下，提出了该高速公路路基下伏的通道改造的策略。2018年，马晓晖等人[3]为了有效的节约工程成本与最大限度利用现有基础设施，提出了原位拓宽方案，在改造涵洞与人行通道时可结合线形与道路地形地貌进行原位拆除或接长通道的工作。2016年，刘超群等人[4]介绍了近年来国内外高速公路涵洞式鱼道的理论研究、设计要点、技术规程和工程实践，并结合国情分析了我国涵洞式鱼道的应用前景和现有不足，展望了涵洞式鱼道未来的研究方向。2021年，孔大兴[5]以机场改扩建工程为依托，从经济性的角度分析了通道改桥的设计方案，比较了各类原材料、工程量对造价的影响，认为通道改桥的经济性大于重建通道的经济性。
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第二章通道桥梁改造设计及施工方法
2.1通道桥梁改造方式
通道桥梁可以选择多种不同的改造方式以满足新的交通设计要求，当桥面宽度不足以满足交通量要求时，横向加宽是解决此类问题的一种有效途径；当桥下净空不能满足车辆通过净空时，净空加高是解决此类问题的一种有效方法；当通道无法满足交通需求时，通道改桥是解决此类问题的一种合适策略。
2.1.1桥梁横向加宽
横向加宽是指随着交通量增加，将使用多年的旧桥桥面宽度进一步扩宽的改造施工类型。横向加宽有多种可供选择方式，例如悬臂梁挑梁法、扩宽桥墩与支座、添加悬索或斜拉索、桥面铺设悬挑板以及采用预制混凝土扩宽块等。但是如果原桥跨越山谷、江湖之类的高难度施工大跨桥梁，横向加宽难度较大，直接在原梁一侧新建桥梁分离交通量是更好的选择。若旧桥的环境及性能状况能够满足横向加宽的要求，优先选择对旧桥桥面进行扩宽，拓宽的设计和施工过程具体包括新旧桥结构之间的上下部结构连接、新旧桥结构之间的接缝接连两部分。
（1）上下部结构之间不连接
一般情况下，旧桥在长期荷载的作用下的地基沉降已经结束了，这也使得地基土体中的孔隙率明显减小。为了避免新旧桥之间因沉降差而产生过大的附加应力，一种可行的方法是采用上下部结构不相连接的方式。在此方案中，新旧桥可被置于紧密相邻位置，并通过桥面铺装封闭接缝。然而，值得注意的是，这种连接方式在不均匀沉降差出现的情况下，容易导致桥面铺装的开裂和破坏。
（2）上部结构连接下部结构不连接
在软土地区，新建桥梁的主要沉降通常集中在下部结构，为了避免后续运营期间可能出现的沉降差异，一种可行的做法是不将上部结构与下部结构直接连接。这意味着墩柱可以独立承受荷载，而上部梁板则通过连接加固形成一个刚性整体。这种方法的优势在于各下部结构可以独立承受上部结构传递的荷载，并且上部结构可以形成一个稳定的整体，同时考虑了结构受力和桥面耐久性问题。
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2.2通道改桥工程
2.2.1工程概况
本文以某高速一盖板通道为背景，该通道宽4.0米，净高4.5米，长40米，建成于2005年12月。随着经济社会的发展，该通道连接的允许道路通行能力逐渐满足不了周边群众的出行要求，当地现正在扩建一条全长11公里，宽7.0米的公路。由于通道宽度及净空均无法满足新建的三级公路的设计要求，因此需要对原通道进行通道改桥改造。应建设方要求，桥下应为地方道路预留二级公路标准的净空，为以后保证高速公路正常运营的前提下，预留改建空间。
本工程所在区域为构造剥蚀侵蚀孤峰平原地貌。高速公路原地面地形平坦、开阔，大部分地段被第四系地层覆盖，未见基岩出露。该路段基层土为黏土，经简单清表后，并实施路基填筑，填筑高度约7米，边坡的坡率约为1:1.75~1:1.50，通道两侧及坡脚均布设有排水沟。场地内未发现大型滑坡、岩溶塌陷等不良地质现象。
2.2.2改造方法
本文依托工程的通道埋深较小，为降低施工对已通行高速公路及对周边村民出行的影响，选用盖挖逆作法通过先浇筑后拆除的方式进行施工。具体施工过程包括：
（1）封闭左幅，将车流引流至右幅，实行双向两车道限速通行，在施工区域右幅内侧波形钢护栏立柱外侧边缘打入钢管桩；开挖桥梁范围土方至桥台帽梁底标高和箱梁底标高，完成桥台桩基础的施工。
交通引流管制后，为防止左幅开挖土方影响右幅行车道安全，在距离右幅内侧波形护栏立柱外侧边缘0.1 m处，采用一排钢管锤击桩（φ180×10×8500 mm）防护，按行车方向0.5 m间距布设，长度为桥台处前后各延伸5 m，共20 m，右幅开始开挖土方时再进行拆除，左、右幅施工区域土方开挖各分三个阶段，如图2-8所示，均由外侧向内侧进行逐层施工。
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第三章 基于弹性地基梁的在役通道改桥结构分析 ............................ 22
3.1 一般弹性地基梁模型的建立及求解 ........................ 22
3.1.1 初参数法求解过程 ............................. 22
3.1.2 B样条曲线法求解 .................................. 25
第四章 通道改造桥梁施工过程的非线性有限元分析 ........................ 36
4.1 施工工况计算 ................................. 36
4.2 有限元模型建立与参数选取 ...................... 37
第五章 结论与展望 .................................. 54
5.1 结论 ................................... 54
5.2 展望 ................................ 54
第四章通道改造桥梁施工过程的非线性有限元分析
4.1施工工况计算
为了获取在高速路基-通道结构挖除作用下的新建桥梁部件变形与内力的变化规律，须对依托工程的施工过程进行模拟，分析典型的施工工况下新建桥梁的变形与内力变化规律。在本章数值模拟中，数值仿真的工况步骤如下：①“杀死”桥梁所有部件，进行地基-高速路基-通道结构地应力→②施加车辆动荷载至原始路基路面上→③将行驶车辆全部导移至右幅道路后，移除左幅路面路基的土方范围至桥台帽梁底标高和箱梁底标高处→④左幅道路桩基础钻孔开挖→⑤激活左幅桥梁结构部件（工况1）→⑥将行驶车辆全部导移至左幅桥梁，移除右幅路面路基的土方范围至桥台帽梁底标高和箱梁底标高处→⑦右幅道路桩基础钻孔开挖→⑧激活右幅桥梁结构部件（工况2）→⑨左右幅桥梁均正常通车→⑩移除桥台帽梁底标高和箱梁底标高以下的土方（工况3）。下面，选取典型的施工工况1~工况3进行重点分析，如下图4-1所示。
土木工程论文参考
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第五章结论与展望
5.1结论
本文依托于某高速公路的人行通道改造桥梁工程开展研究，采用文献研究总结、理论解析解与有限元数值模拟等方法，探讨了基于考虑车辆荷载作用下的桥梁结构与既有路面在工程项目施工改造过程与工后某时间段内的力学响应问题。通过研究，得出了一些重要结论，为未来类似改造项目的实施提供了参考。具体而言，本文的主要结论如下：
（1）可采用B样条曲线法求解变刚度弹性地基梁模型，并根据解析解函数公式分别讨论箱梁结构的长度、刚度比与外荷载值对箱梁结构的位移与内力影响范围。
（2）计算单元的精度选取对计算结果影响较大；箱梁长度值对其自身的最大挠度位移值影响不大，但随着箱梁长度值增加，箱梁挠度位移曲线发生相应的变化，即由“V”字型变为“U”字型，中间段甚至出现一定的反弹位移。
（3）基底反力系数对地基梁的位移幅值影响较大，其中边缘地基反力系数k1对于位移的影响大于跨中地基反力系数k2。
（4）随着箱梁上部荷载值从2 t增加至10 t，箱梁相应最大位移也由8.6 mm增至11 mm，弯矩值由8.7 MPa升至11 MPa，研究发现若采用C50以上的混凝土强度满足安全要求。
（5）建立三维有限元模型，在将车辆荷载简化为正弦荷载后，模拟高速公路路基下部人行通道改造桥梁的施工过程。研究表明：在工况3（桥梁施工完成时）后，桥梁路面因施工引起的最大沉降值为22.53 mm，既有路面因施工造成最大沉降值为24.11mm，箱梁底部变形的最大竖向位移值为19.30 mm，完工时1号桩基发生最大水平位移值为-8.31 mm（向开挖体区域内移动）；另外，混凝土强度与路面上的行车速度及桥梁桩基长度也均对桥梁结构的变形起到一定影响作用。
参考文献（略）