高速公路空心板橋加寬改造剛度漸變技術(shù)＊

李靜斌，陳淮，李亞龍

(1.鄭州大學土木工程學院，河南 鄭州 450001;2.鄭州市公路勘察設(shè)計院，河南 鄭州 450006)

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，快速增長的汽車保有量給交通運輸帶來巨大的壓力，尤其是高速公路的主要干線日益不能滿足飛速增長的交通需求［1］。在既有干線高速公路的原有基礎(chǔ)上進行加寬改造，是改善交通擁堵的首選方案［2－3］。道路的加寬研究必然包括高速公路上橋梁加寬的研究，國內(nèi)外研究人員對橋梁加寬改造開展了大量研究工作，根據(jù)不同橋梁結(jié)構(gòu)形式提出了3種常用連接方案:上部構(gòu)造、下部構(gòu)造均不連接，上部構(gòu)造、下部構(gòu)造均連接及上部構(gòu)造連接、下部構(gòu)造不連接［4－7］。這3種方案在一定程度上解決了工程實際問題，并在高速公路加寬項目中得到廣泛應用。但是，通過對加寬后橋梁的工程調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這3種加寬方案都會在新舊橋連接縫處出現(xiàn)不同程度的工程病害［8－9］。對上述新舊橋連接縫部位的病害特征進行分析，可發(fā)現(xiàn)新增的加寬橋板與原有舊橋板之間的剛度不協(xié)調(diào)是造成此類病害的重要原因之一。如果能沿橋橫向在新增橋板與舊橋板之間布設(shè)一定數(shù)量的剛度漸變構(gòu)件，就可在一定程度上緩和新舊橋板之間的剛度突變，進而防止或減緩此類病害的出現(xiàn)［10］。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學原理，簡支梁承受荷載時，跨中部位產(chǎn)生較大的豎向位移，因此在沿空心板橋縱向位置布設(shè)剛度漸變構(gòu)件時，宜盡量布設(shè)在空心板橋的跨中部位。剛度漸變效果應首要考慮結(jié)構(gòu)承受靜載時豎向位移的影響，故可選定在空心板橋的1/2跨，1/3跨和2/3跨或1/4跨和3/4跨布置剛度漸變構(gòu)件。同時根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學原理:簡支梁第1階振型的最大值在1/2跨，第2階振型的最大值在1/4跨和3/4跨，由于對結(jié)構(gòu)振動起主要影響的是低階振型，因此，本文考慮在空心板橋的跨中和1/4跨、3/4跨位置布設(shè)漸變結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

1 工程概況

京港澳高速公路安陽至新鄉(xiāng)段加寬改造工程中橋梁加寬的主要橋型為20，16，13和10 m跨徑的預應力裝配式空心板橋。本文以其中某座20 m跨徑空心板橋加寬工程為例。該橋為水路夾角110°的斜橋，原有橋梁上部為先張預應力混凝土裝配式空心板，單幅橋梁由寬度為1 m的12塊雙孔空心板組成;下部結(jié)構(gòu)為單排柱式墩臺，樁基為混凝土鉆孔灌注樁。為滿足當前交通需求，將原有舊橋的外側(cè)邊板拆除后在舊橋中板外側(cè)增設(shè)7塊新的單孔空心板組成新橋。與舊橋中板相鄰的2塊新橋內(nèi)邊板板寬為1 m，中間設(shè)寬度為0.335 m的現(xiàn)澆段，其余4塊新橋中板與1塊新橋外邊板寬度均為1.333 m，即新增加的新橋總寬為9 m。為適應新、舊橋之間的沉降差異，采用“上連、下不連”的設(shè)計原則，即新、舊橋上部空心板間用現(xiàn)澆混凝土濕接，橋面連續(xù);下部墩臺身及基礎(chǔ)不再連接，各自相對獨立受力。加寬后的半幅橋梁的正斷面如圖1所示。為便于說明，將加寬后橋梁的全部18塊空心板從左到右按順序編號，即在圖1中各塊空心板上部帶圓圈的數(shù)字為各空心板的編號。

由于舊橋是在20世紀90年代設(shè)計，采用了當時非常通用的雙孔空心板標準設(shè)計，雙孔板的抗彎剛度較低。而為適應新的橋梁設(shè)計規(guī)范的要求，增設(shè)的新橋板采用單孔空心板的設(shè)計方案，抗彎剛度較高。經(jīng)過計算，新橋中板的抗彎剛度約為舊橋中板抗彎剛度的1.33倍，新橋內(nèi)邊板的抗彎剛度約為舊橋中板抗彎剛度的1.16倍，舊橋中板與新橋內(nèi)邊板之間以及新橋內(nèi)邊板和新橋中板之間均存在較為顯著的抗彎剛度差異。因此，為達到理想的剛度漸變效果，經(jīng)過反復計算對比，剛度漸變構(gòu)件選用規(guī)格［12.6的熱軋槽鋼，共3道:在空心板橋的跨中位置沿橋橫向布置1道，長度為7 m，布置在10～15號板的板底;在空心板橋的1/4跨、3/4跨位置沿橋橫向各布置1道，長度均為5 m，布置在12～15號板的板底。各槽鋼布置時肢尖朝下，截面長邊平面與空心板底貼緊并通過膨脹螺栓連接。

圖1 跨徑20 m加寬后橋梁半幅正斷面圖Fig.1 Half－ bridge cross section view of 20 m span new bridge after widening

2 橋梁有限元建模

為分析設(shè)置剛度漸變構(gòu)件對加寬空心板橋承受靜力荷載的影響，采用通用有限元程序MIDAS/Civil，建立上述20 m跨徑空心板橋的空間有限元模型，對其靜力性能進行分析。全橋模型包括圖1所示的全部11塊舊橋板、7塊新橋板以及3道剛度漸變構(gòu)件。在有限元建模中，新、舊空心板和設(shè)置在空心板底部的剛度漸變構(gòu)件均采用梁單元模擬。橋面鋪裝層在建模時可采用與梁單元共節(jié)點的板單元模擬，但在本工程中，因舊橋橋面鋪裝層與新橋面鋪裝層不盡相同，且舊橋在經(jīng)過多年使用后鋪裝層已有老化跡象，其力學參數(shù)較難準確獲取，故建模時統(tǒng)一不考慮橋面鋪裝的橫向連接作用。剛度漸變構(gòu)件的梁單元節(jié)點與模擬空心板的梁單元節(jié)點采用節(jié)點彈性連接中的剛性連接，以模擬實際情況中的螺栓連接。結(jié)合有限元程序MIDAS/Civil的特點，考慮空心板企口縫的連接作用，在空心板的梁單元之間采用節(jié)點彈性連接，通過設(shè)置豎向剛度等效企口縫的豎向抗剪作用。企口縫的豎向抗剪剛度值根據(jù)企口縫的材料特性設(shè)定。有限元建模時，空心板的彈性模量采用鋼筋與混凝土的折算彈性模量，折算模量根據(jù)體積加權(quán)平均法折算。全橋共劃分為353個梁單元，397個節(jié)點。由于該橋為簡支板橋，故邊界條件設(shè)為兩端簡支，全橋共計42個支座。圖2所示為所建立的該20m空心板橋的空間有限元模型。

圖2 空心板橋空間有限元模型Fig.2 Spatial finite element model of hollow slab bridge

3 計算結(jié)果及分析

為評價設(shè)置剛度漸變構(gòu)件后的新舊橋板之間的剛度漸變效果，本文分2種情況分別計算空心板橋各塊橋板的跨中位移:(1)不設(shè)置剛度漸變構(gòu)件;(2)設(shè)置剛度漸變構(gòu)件。有限元分析時所布設(shè)的靜力荷載工況應與理論分析的目的相適應，因此計算時分別在新舊橋交接位置準備設(shè)剛度漸變構(gòu)件的6塊空心板(10～15號板)的跨中處分別布置單位集中荷載，通過計算得到的各塊空心板的跨中豎向位移可進一步計算出各塊空心板的荷載橫向分布影響線。

荷載橫向分布影響線的計算過程簡述如下:

(1)在j號板跨中位置的寬度中心處作用1個單位集中荷載;

(2)計算在此荷載作用下跨中第i號板寬度中點的豎向位移(i=1，2，…，n);

表1所示為未設(shè)置剛度漸變構(gòu)件的各空心板荷載橫向分布影響線豎標值，表2所示為設(shè)置剛度漸變構(gòu)件后的各空心板荷載橫向分布影響線豎標值。表1、表2中所列空心板的編號見圖1。其中采用粗體字表示的豎標值為各荷載工況的豎標最大值，剛好分別對應于在該板上作用有單位集中荷載的情形。

由表1可見:在未設(shè)置剛度漸變構(gòu)件之前，在6種荷載工況下，各空心板的荷載橫向分布峰值豎標均超過了0.45，最大值達到0.777，表明空心板橋在承受集中荷載時出現(xiàn)較為明顯的單板受力現(xiàn)象。另一方面，由表2可見:設(shè)置剛度漸變構(gòu)件后，各空心板的荷載橫向分布峰值豎標大幅降低，最小值為0.222，最大值也降低到0.48，表明設(shè)置剛度漸變構(gòu)件顯著改善了空心板橋的單板受力現(xiàn)象。

為更直觀地表達上述計算結(jié)果，可由表1和表2分別繪制出10～15號板的荷載橫向分布影響線，如圖3所示。

由圖3可見:布設(shè)橫向剛度漸變構(gòu)件前加寬空心板橋的荷載橫向分布系數(shù)峰值明顯，表現(xiàn)出顯著的單板受力現(xiàn)象;布設(shè)橫向剛度漸變構(gòu)件后，加寬空心板橋的荷載橫向分布系數(shù)峰值減小，表明所承受的集中荷載由多塊橋板共同承擔;此外，在新舊橋板過渡區(qū)域之外是否布設(shè)剛度漸變構(gòu)件，對荷載橫向分布影響不大。但對于加寬后的橋梁，舊橋板的荷載橫向分布系數(shù)在布設(shè)剛度漸變構(gòu)件后增大，新橋板的荷載橫向分布系數(shù)在布設(shè)剛度漸變構(gòu)件后減小。因此，舊橋板的相對剛度得到提高，新橋板的相對剛度被適當減小，這些都為新舊橋面板抗彎剛度的有效過渡創(chuàng)造了有利條件。布設(shè)橫向剛度漸變構(gòu)件后荷載橫向分布影響線大致呈斜線狀態(tài)，也說明了新舊橋板的剛度變化呈線性平緩變化趨勢。綜上所述，通過布設(shè)橫向剛度漸變構(gòu)件，能夠起到預期的目的，增大了新舊板橋的之間的可靠聯(lián)接。

圖3 空心板荷載橫向分布影響線Fig.3 Distribution of horizontal line of hollow slab

表1 未設(shè)置剛度漸變構(gòu)件的空心板荷載橫向分布影響線豎標Table 1 The vertical standard form of the hollow slab distribution of horizontal lines without rigidity gradient components

表2 設(shè)置剛度漸變構(gòu)件的空心板荷載橫向分布影響線豎標Table 2 The vertical standard form of the hollow slab distribution of horizontal lines with rigidity gradient components

4 結(jié)論

(1)布設(shè)橫向剛度漸變構(gòu)件前后的空心板橋在新舊橋板過渡區(qū)域位移有較大不同，在布設(shè)橫向剛度漸變構(gòu)件前，新橋板和舊橋板之間出現(xiàn)較大剛度突變，引起位移突變;布設(shè)橫向剛度漸變構(gòu)件后，各個橋面板的位移呈現(xiàn)逐步變化的趨勢。

(2)布設(shè)橫向剛度漸變構(gòu)件前空心板荷載橫向分布系數(shù)峰值明顯，即單板受力明顯;布設(shè)橫向剛度漸變構(gòu)件后，荷載橫向分布系數(shù)峰值大幅減小，說明施加的集中荷載由多塊板共同承擔。對比布設(shè)橫向剛度漸變構(gòu)件前后空心板橋的靜力力學性能，證明了布設(shè)橫向剛度漸變構(gòu)件的有效性，橫向剛度漸變效果良好。

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