随着我国社会经济和交通运输行业的迅速发展,城市间的交通量日趋膨胀,早期修建的高速公路已不能满足日益增长的交通需求,高速公路改扩建项目成为目前一个迫切解决的问题。桥梁拓宽技术复杂、施工困难,且拓宽后可能带来各种问题,桥梁拓宽已成为高速公路改扩建项目的重点和难点。由于旧桥基础沉降已基本完成,新桩基础沉降尚未发生,所以新旧基础不均匀沉降成为拓宽桥梁最显而易见的关键问题。另外寒区桥梁桩基础施工相对特殊,要充分考虑温度对桩土相互作用的影响。针对基础沉降随时间长期变化的特点,对沉降实测数据进行一定规律总结,利用灰色系统理论、回归分析法和时间序列分析法对沉降实测数据进行拟合预测和分析对比,并对预测效果较好的灰色系统理论方法进行优化改进,提出一种全新的基于牛顿插值公式的时间加权预测模型,并对基础沉降进行长期规律预测,并为基础不均匀沉降的预测提供一定的思路和有效的方法。依托京哈高速改扩建项目运粮河大桥,利用Abaqus大型有限元软件建立桩土相互作用温度-位移耦合模型,进行初始地应力的平衡以及混凝土水化热的模拟,研究新桩基础施工对旧桩附加内力和变形的影响,进行不同新桩设计桩径、桩长下旧桩竖向变形、横桥向变形和附加弯矩的敏感性分析,然后从旧桩压重、施工环境温度、新桩施工顺序等方面进行施工控制研究,并据此为寒区桥梁桩基础施工提供一定合理性建议。运用ANSYS建立拓宽桥梁上部结构精细化有限元模型和多尺度车辆模型,基础不均匀沉降会导致小箱梁间关键位置的纵向湿接缝连接处混凝土横向拉应力和压应力显著,且由支点向各跨跨中方向递减;较大的不均匀沉降使得连接处横向拉应力超限较为严重,产生的混凝土裂缝过大导致其连接刚度降低。考虑箱梁间纵向湿接缝5种刚度衰减等级,基于车桥耦合理论,研究发现连接刚度的恶化会加剧基础不均匀沉降对三跨简支转连续小箱梁各跨控制截面的动力响应,发掘桥梁结构阻尼比、车辆频率、行车速度和桥面不平整度等因素对桥梁动力性能的影响规律,并为拓宽桥梁设计施工及养护提供一定的可行性建议。开展寒区拓宽桥梁桩基础不均匀沉降及其受力性能研究,将对提升寒区拓宽桥梁结构安全性和行车舒适性,保证拓宽桥梁的安全运营具有重要的科学意义、学术价值与应用前景。