空心板橋拓寬對(duì)荷載橫向分布的影響研究

肖治華， 咼于平， 江 偉， 梁亞蘭

(1.中國(guó)一冶集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430080；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)

空心板橋拓寬對(duì)荷載橫向分布的影響研究

肖治華1， 咼于平1， 江 偉1， 梁亞蘭2

(1.中國(guó)一冶集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430080；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)

為了研究橋梁拓寬對(duì)舊橋的受力性能的影響,以工程實(shí)例為背景，借助有限元軟件對(duì)橋梁拓寬結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，主要對(duì)為空心板橋鉸接拓寬前后老橋主梁橫向分布系數(shù)的變化展開(kāi)詳盡的研究，以及更深入地探討了拓寬新橋主梁數(shù)量對(duì)老橋橫向分布影響的差異，并歸納總結(jié)其中規(guī)律。研究表明：橋梁通過(guò)鉸接形式拓寬后，在設(shè)計(jì)荷載與原來(lái)的情況下，老橋的受力變得更加合理，其每片主梁的受力減小而且更趨向于均勻，其設(shè)計(jì)荷載可以滿足拓寬后的荷載要求。另一方面，新舊橋的橫向分布系數(shù)隨加寬新橋主梁的片數(shù)的變化而變化；新橋主梁數(shù)量越多，新橋和舊橋的橫向分布系數(shù)越小。由此表明，通過(guò)鉸接縫的荷載傳遞作用，新橋和舊橋所承擔(dān)的荷載均減小。

空心板梁；舊橋拓寬；橫向分布；主梁數(shù)量；影響

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，交通運(yùn)輸行業(yè)呈現(xiàn)出發(fā)展的勢(shì)頭，因此對(duì)道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要提出更高的要求。另一方面，不少地方公路橋梁由于建設(shè)時(shí)間較早，橋面設(shè)計(jì)寬度過(guò)小，無(wú)法滿足當(dāng)前交通運(yùn)輸發(fā)展的需要，應(yīng)運(yùn)而生的舊橋拓寬改造成為解決當(dāng)前道路運(yùn)輸瓶頸的的重要途徑，所以舊橋的拓寬改造的理論技術(shù)顯得日趨重要。但是舊橋拓寬涉及到舊橋邊梁受力結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)化的問(wèn)題，拓寬前后舊橋主梁受力情況也會(huì)隨之改變。正因?yàn)槿绱?，本文重點(diǎn)探究了拓寬前后舊橋主梁橫向分布系數(shù)的變化規(guī)律，以及新橋主梁片數(shù)對(duì)舊橋橫向分布系數(shù)的影響差異研究。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)新舊橋梁拓寬銜接的研究也愈來(lái)愈多，其中以拓寬方式和連接剛度對(duì)橫向分布系數(shù)的影響研究居多。文獻(xiàn)[1]表明，新舊橋梁連接處剛度越大，荷載橫向傳遞越充分，因而橫向分布系數(shù)越小[2]。在三種拓寬連接方式(剛性連接、半剛性連接、柔性連接)中，當(dāng)屬剛性連接荷載橫向傳遞更充分，橫向分布系數(shù)更小，半剛性次之，柔性連接對(duì)荷載橫向分布無(wú)影響[3]。文獻(xiàn)[4]通過(guò)理論計(jì)算分析了橋梁拓寬對(duì)老橋的邊梁及中梁的影響。文獻(xiàn)[5]指出，在新梁剛度相同時(shí)，對(duì)稱拓寬形式下老梁的橫向分布系數(shù)比單側(cè)拓寬的小[6]，且兩者的差值隨新梁剛度的增加而逐漸增大，因此對(duì)稱雙側(cè)拓寬方式在活載受力上更好地保護(hù)原有橋梁[7]。文獻(xiàn)[8]進(jìn)行了鉸接形式下橫向分布系數(shù)的實(shí)測(cè)值和理論值的對(duì)比研究。盡管業(yè)內(nèi)對(duì)拓寬橋梁橫向分布的研究如此之多，但是對(duì)新橋主梁片數(shù)之于荷載橫向分布系數(shù)的影響研究好像鮮有涉獵。本文以某拓寬空心板橋?yàn)楸尘埃攸c(diǎn)探究了拓寬前后舊橋主梁橫向分布系數(shù)的變化規(guī)律，以及新橋主梁片數(shù)對(duì)舊橋橫向分布系數(shù)的影響差異，對(duì)老橋拓寬加固提供技術(shù)支持，并對(duì)類似橋梁拓寬改造設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 工程概況

某橋段為高速出口接入三環(huán)線的環(huán)形匝道的一部分，因而需對(duì)三環(huán)線高架橋(老橋)接口處進(jìn)行拓寬處理，稱為新舊橋綁寬段。既有橋梁均為簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)，共11跨，單跨跨徑為25 m,孔跨布置為11×25 m。上部結(jié)構(gòu)為帶牛腿的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，橋墩采用雙柱式橋墩，帽梁為帶牛腿的隱帽梁，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。需拓寬的是前11孔，結(jié)構(gòu)形式依舊為簡(jiǎn)支梁，孔跨布置與老橋一致，也為11×25 m。

老橋全橋由12塊預(yù)應(yīng)力混凝土空心板組成，全橋橋面凈寬為13.75 m,兩邊欄桿分別為0.5 m寬，空心板上現(xiàn)澆10 cm混凝土，設(shè)置防水層，最后鋪上9 cm厚的瀝青混凝土鋪裝層,如圖1所示。新橋橋面凈寬為3.5 m,外側(cè)欄桿0.5 m，其橋面鋪裝與老橋的相同，但是新橋在不同的孔跨位置處預(yù)應(yīng)力混凝土空心板塊數(shù)有所變化，為了研究拓寬橋梁片數(shù)對(duì)橫向分布的影響，故取第1跨和第11跨為例對(duì)本文的課題進(jìn)行研究，第1跨拼寬4片空心板梁，第11跨拼寬6片空心板梁，如圖2和圖3所示。新橋與老橋的連接方法為：在舊橋的基礎(chǔ)上，敲掉其與新橋鄰近一端邊主梁的欄桿和部分懸臂(本項(xiàng)目中敲去一半的懸臂長(zhǎng)度，即原懸臂長(zhǎng)度為0.62 m,拓寬連接時(shí)敲掉0.31 m)，新橋建成后先不與老橋進(jìn)行連接處理，對(duì)其做超載預(yù)壓施工，使之加快沉降的速度，待新橋基本沉降穩(wěn)定之后分別在新舊橋連接處植筋，并現(xiàn)澆混凝土進(jìn)行接縫處理。接縫處理完之后，對(duì)全橋澆筑橋面鋪裝層，使新橋與老橋成為一個(gè)整體，提高橋面的美觀性以及行車的平順性和舒適性。

圖1 老橋橫向布置圖

圖2 老橋+4片主梁新橋橫向布置圖

圖3 老橋+6片主梁新橋橫向布置圖

2 計(jì)算方法

橋梁荷載橫向分布的規(guī)律與結(jié)構(gòu)的橫向連接剛度有著十分密切關(guān)系，橫向連接剛度越大，荷載橫向分布作用越明顯，各主梁的負(fù)擔(dān)也越趨均勻。

在實(shí)踐中，由于施工特點(diǎn)、構(gòu)造設(shè)計(jì)等的不同，鋼筋混凝土或者預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋上可能采用不同類型的橫向結(jié)構(gòu)。因此，為使荷載橫向分布的計(jì)算能更好地適應(yīng)各種類型的結(jié)構(gòu)特性，就需要按不同的橫向結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化計(jì)算模型擬定出相應(yīng)的計(jì)算方法。

對(duì)于用現(xiàn)澆混凝土縱向企口縫連接的裝配式板橋，以及僅在翼緣板間用焊接鋼板或者伸出交叉鋼筋連接的無(wú)中間橫隔梁的裝配式橋，由于塊件間橫向具有一定的連接構(gòu)造，但其橫向連接又很薄弱，因此對(duì)于跨中荷載橫向分布的計(jì)算，偏心壓力法不再適用。鑒于這類結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)實(shí)際接近于數(shù)根并列而相互間橫向鉸接的狹長(zhǎng)的(梁)，故對(duì)此需采用橫向鉸接(梁)理論來(lái)計(jì)算荷載的橫向分布。

對(duì)于本次拼接項(xiàng)目，由于兩橋間的接縫采用植筋并現(xiàn)澆濕接縫的方法連接，故該接縫也可近似為鉸接處理。由于本次項(xiàng)目只研究舊橋及拼寬橋跨中橫向分布系數(shù)，故只需采用鉸接板法計(jì)算即可。雖然此橋是最簡(jiǎn)單的單跨25 m簡(jiǎn)支空心梁板，通過(guò)手工計(jì)算其橫向分布系數(shù)和內(nèi)力等十分簡(jiǎn)單，但是老橋橋面由12片空心板組成，橋梁規(guī)范只提供了十片鉸接梁查表的數(shù)據(jù)，因此需要借助電算程序(如橋梁博士)來(lái)計(jì)算各片主梁的橫向分布系數(shù)。

為了研究新橋拓寬主梁片數(shù)對(duì)荷載橫向分布系數(shù)的影響，顯然僅僅根據(jù)實(shí)際實(shí)況中的拓寬4片主梁或者6片主梁的計(jì)算數(shù)據(jù)是不充分的，因此本文在工程實(shí)際的基礎(chǔ)上，新增拓寬8片、10片和12片主梁的施工工況作為補(bǔ)充，來(lái)更加充分地探討新橋主梁片數(shù)所帶來(lái)的影響，通過(guò)對(duì)6種工況下計(jì)算所得的6組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析歸納，總結(jié)其中的規(guī)律，對(duì)老橋拓寬加固提供技術(shù)支持，并對(duì)類似橋梁拓寬改造設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

由于只需計(jì)算橋梁跨中部位的彎矩，故可運(yùn)用橋梁博士橫向分布設(shè)計(jì)模塊中的鉸接板法來(lái)計(jì)算各跨梁拓寬前后的橫向分布系數(shù)變化。

如圖4，為老橋左右邊板尺寸，圖5為老橋中梁及新橋主梁空心板尺寸，由以上空心板截面尺寸可算得橫向分布系數(shù)計(jì)算參數(shù)表，如表1所列。

圖4 老橋左右邊板尺寸

圖5 老橋中梁及新橋主梁空心板尺寸

表1 橫向分布系數(shù)計(jì)算參數(shù)表

表2列舉出了6種施工工況下的所需計(jì)算的內(nèi)容，根據(jù)這6種不同施工工況分別借助橋梁博士軟件運(yùn)用鉸接板法來(lái)計(jì)算，表3則給出了程序計(jì)算結(jié)果，為新舊橋拓寬前后橫向分布系數(shù)變化對(duì)比表。為使表3中的計(jì)算數(shù)據(jù)更加直觀，易于總結(jié)和分析拓寬前后橫向分布的變化規(guī)律，故將表3中的數(shù)據(jù)以兩個(gè)圖表的形式呈現(xiàn)出來(lái)，分別是圖6(老橋拓寬前后橫向分布變化對(duì)比圖)和圖7(新橋拓寬后新橋橫向分布變化對(duì)比圖)。

表2 計(jì)算工況匯總表

表3 新舊橋拓寬前后橫向分布系數(shù)變化表

圖6 老橋拓寬前后橫向分布變化對(duì)比圖

圖7 新橋拓寬后橫向分布變化對(duì)比圖

分析表3中的計(jì)算數(shù)據(jù)以及圖6和圖7中圖標(biāo)曲線，可以得出下列結(jié)論：

(1) 由圖6可知：通過(guò)鉸接形式拓寬后，老橋每片主梁的荷載橫向分布系數(shù)均有所下降，由此說(shuō)明以鉸接方式拓寬的空心板橋加寬后老橋的受力更小，這樣老橋主梁便有更多的安全儲(chǔ)備，因此橋梁拓寬工程中以鉸接方式拓寬時(shí)，在設(shè)計(jì)荷載不增加的情況下，老橋的設(shè)計(jì)荷載可以滿足拓寬后的荷載要求。不需要對(duì)其進(jìn)行加固處理，或者只需要對(duì)其拓寬端邊梁增設(shè)構(gòu)造鋼筋即可。

(2) 由圖6和圖7均可以看出，新橋加寬主梁片數(shù)對(duì)橫向分布系數(shù)變化的影響不容忽視。加寬新橋主梁的片數(shù)越多，老橋各片主梁的荷載橫向分布系數(shù)愈小，新橋的橫向分布系數(shù)也隨著主梁片數(shù)的增多而減小。說(shuō)明加寬的新橋主梁片數(shù)越多，鉸接縫的傳遞作用更加明顯，新橋和老橋承擔(dān)的荷載均減小。

(3) 從圖6中的橫向分布曲線不難看出，相比于拓寬前舊橋的橫向分布系數(shù)曲線，拓寬后老橋的橫向分布曲線整體向下平移，而且線形變得更加平緩，表示舊橋拓寬使得荷載橫向分布更加均勻，即每片主梁的受力相對(duì)比較平均，有利于空心板主梁的裝配式生產(chǎn)，而且使得橋梁結(jié)構(gòu)整體工作性能有所改善。

4 結(jié)束語(yǔ)

舊橋拓寬改造工程中，新舊橋梁的連接對(duì)各梁的受力存在一定的影響。為了詳盡的研究其中的聯(lián)系和影響，本文以武漢竹葉海立交橋的拓寬改造工程為背景，借助橋梁博士有限元軟件和通過(guò)荷載傳遞規(guī)律進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)，空心板橋梁的鉸接拓寬改造，使原橋各舊梁的荷載橫向分布系數(shù)均得到減小，有利于舊梁承載能力的提高，提高了橋梁整體的安全荷載等級(jí)；同時(shí)舊橋各梁的橫向分布分配得更加均勻，每片主梁的受力相對(duì)比較平均，有利于空心板主梁的裝配式生產(chǎn)，使得橋梁結(jié)構(gòu)整體工作性能有所改善；而且研究表明，新舊橋的橫向分布系數(shù)隨加寬新橋主梁的片數(shù)的變化而變化；新橋主梁數(shù)量越多，新橋和舊橋的橫向分布系數(shù)越小。因此，在橋梁鉸接拓寬改造工程中，如果外界條件允許的條件下，可以適當(dāng)?shù)卦黾有聵蛑髁旱钠瑪?shù)，有利于橋梁承載能力的提高，優(yōu)化舊橋的受力體系。

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2016-10-22；修改日期：2016-10-26

肖治華(1977-)，男，湖北咸寧人，中國(guó)一冶集團(tuán)有限公司工程師．

U445.6；U448.212

A

1673-5781(2016)05-0592-04