不同橫向剛度劣化類型下的拼寬橋受力影響

何啟龍, 錢若霖, 賀書磊, 秦發(fā)祥

(長安大學(xué) 橋梁與隧道陜西省重點實驗室, 陜西 西安 710064)

目前國外對拼寬橋梁的橫向剛度研究主要集中在新材料和新拼接構(gòu)造的改進[1]上.針對拼寬橋的橫向剛度問題也有研究,但均是在設(shè)計上提高結(jié)構(gòu)剛度.如Phung等[2]以Saigon橋的加寬為例,采用橫向體外預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)提高了新增主梁與既有主梁的橫向剛度.Fábry等[3]在Vah河上的某3跨鋼筋混凝土梁橋的拼寬中,上部結(jié)構(gòu)采用橫向體外預(yù)應(yīng)力系統(tǒng)將加寬用的鋼箱梁和舊梁橫向固定.Furlanetto等[4]通過對意大利國家公路系統(tǒng)內(nèi)的加寬橋的設(shè)計總結(jié),提出了基本的加寬標準,其中加寬部分與現(xiàn)有部分應(yīng)采用剛性連接,以確保在抗力方面有很強的協(xié)作性.Swett等[5]對鋼橋加寬中存在的問題進行了有限元分析和計算,提出了多種適合鋼橋拼寬的橫向設(shè)置范例作為參考.

新橋在建成后因材料和結(jié)構(gòu)劣化不明顯,其新梁部分的橫向連接偏剛性;舊橋則由于服役時間長,承受重載交通的狀況較多,材料劣化和裂縫[6]等因素,其主梁和橫向剛度均存在耐久性和受力性能下降的問題,有偏剛性、半剛接和鉸接3種情況[7-8].舊橋的橫向剛度劣化類型偏向可通過對實橋的靜載試驗[7]來判斷,而新橋的偏向類型則保守地選為鉸接.目前國內(nèi)已有研究主要針對的是新舊梁連接處的橫向剛度類型[7-9],或是采用新舊梁格相同橫向連接方式[10]進行分析,針對新舊橋橫向剛度不同類型下的結(jié)構(gòu)受力是本文研究的重點工作.

1 工程概況

本文以某3×40 m連續(xù)拼寬T梁橋工程為依托,并建立模型,其主要技術(shù)指標見表1. 該橋采用同結(jié)構(gòu)T梁單邊加寬、上部結(jié)構(gòu)新舊梁采用超剛接,下部結(jié)構(gòu)為不連接的拼寬方式,將主橋由由雙向4車道擴容成雙向8車道,并按照原橋與拼寬部分共同受力的原則進行設(shè)計,如圖1所示.

表1 依托工程的主要技術(shù)指標表Table 1 Main technical indicators of the project

圖1 連續(xù)T梁上部結(jié)構(gòu)加寬斷面示意圖(以跨中為例)Fig.1 Schematic of widening section of continuous T beam upper structure (an example of midspan)

該橋采用了設(shè)置橫隔板的剛接法[11]進行橫向連接.對T型梁橋而言,不同拼接連接方式對舊梁承載能力的貢獻也不同[10],貢獻由大到小排序[9-12]為剛接、半剛接、鉸接、不連接.同時,該橋為加超剛接效果,在采用翼緣與橫隔梁均拼接(剛接)的設(shè)計基礎(chǔ)上,增加了預(yù)應(yīng)力短鋼筋[12]來加強橫向剛度(強剛接[13]),具體如圖2所示.采用的強剛接的拼寬方法相對于不設(shè)置預(yù)應(yīng)力的短鋼筋,可以在確保結(jié)構(gòu)整體性完好的基礎(chǔ)上,進一步增大橫向連接剛度梁端約束能力,提高縱向拼寬接縫及拼寬用橫隔板的抗剪能力和抵抗變形能力,降低裂縫出現(xiàn)的風(fēng)險.

圖2 拼接端橫隔梁鋼筋布置圖Fig.2 Layout diagram of steel bar of cross beam in joints

2 拼寬橋有限元模型建立

本文采用MIDAS/Civil進行空間梁格法的有限元建模,模型如圖3所示.針對橫向剛度的劣化模擬采用了“釋放梁端約束”,并通過調(diào)整殘余約束的能力(數(shù)值)[14]實現(xiàn)剛接、 半剛接和鉸接,將橫向虛梁簡化設(shè)置為鉸接,同時調(diào)整鉸接處的可傳遞彎矩的比率來模擬殘余的抗彎剛度,從而實現(xiàn)不同的橫向聯(lián)系剛度類型.其中,由于T梁拼接處橫隔板采用預(yù)應(yīng)力短束,因此假設(shè)新舊梁結(jié)合段的橫向剛度不存在劣化情況,即一直保持剛接狀態(tài);新建橋墩沉降采用新舊橋容許沉降差5 mm來控制[10].

圖3 3×40 m拼寬T梁橋有限元模型示意圖

圖4 新舊梁片編號示意圖Fig.4 Diagram of the number of new and old beams

3 新舊橋橫向剛度劣化對橋梁性能的影響

通過對恒載荷、收縮徐變(舊橋運營10年+新橋運營5年)、汽車載荷(中、偏載)和沉降等4種工況進行了計算.在前2種因素的作用下,新舊橋的橫向剛度劣化對新舊梁受力基本沒有影響,而后兩者的影響明顯.因此,本文主要針對3個代表截面,分析汽車載荷和沉降的影響.新舊梁橫向剛度劣化組合狀況如表2所示.

表2 新舊梁橫向剛度劣化組合表

針對新舊梁的結(jié)構(gòu)受力研究,通常采用橫向載荷分布系數(shù)[14]進行.實際上,采用空間梁格法后,新舊梁受力可以直接采用最大彎矩進行表示.因此,本文以舊橋鉸接+新橋剛接和舊橋鉸接+新橋鉸接2種情況下的計算值為基準,計算不同于其他4種組合下的最大彎矩變化值,以便下文分析.

3.1 中載作用下拼寬結(jié)構(gòu)受力分析

(1) 中載作用下邊跨跨中最大不利彎矩分析.由表3可知,在中載作用下的邊跨跨中截面處,舊橋橫向剛度劣化到半剛接時,對拼寬橋結(jié)構(gòu)影響較小.一旦舊橋劣化到鉸接,則舊橋橫向剛度的劣化對靠近新橋的舊橋中梁部分影響最大,對舊橋左、右邊梁的影響次之,而新橋剛接和半剛接對拼寬橋影響較小.新橋橫向剛度變?yōu)殂q接時,舊橋影響微弱,但對靠近拼接處新橋中梁的最大正彎矩影響最大,新邊梁次之.

(2) 中載作用下中跨跨中最大不利彎矩分析.根據(jù)表4,以舊梁鉸接+新梁剛接和舊梁鉸接+新梁鉸接為分析基準可知,在中載作用下的中跨跨中截面處,舊橋橫向剛度為劣化到半剛接時,對拼寬橋結(jié)構(gòu)影響較小,一旦舊橋劣化到鉸接,則舊橋橫向剛度的劣化對靠近新橋的舊橋中梁部分影響最大,其次是對舊橋右邊梁的影響,新橋剛接和半剛接對拼寬橋影響較小;新橋橫向剛度變?yōu)殂q接時,對舊梁影響微弱,但對靠近拼接處新梁的最大正彎矩影響最大,其他新梁受到的影響次之.

表3 中載作用下邊跨跨中截面處最大正彎矩計算結(jié)果

表4 中載作用下中跨跨中截面處最大正彎矩計算結(jié)果

(3) 中載作用下中支點處最大不利彎矩分析.依據(jù)表5,以舊梁鉸接+新梁剛接和舊梁鉸接+新梁鉸接為分析基準可知,在中載作用下的中支點處,舊橋橫向剛度為劣化到半剛接時,對拼寬橋結(jié)構(gòu)影響較小,一旦舊橋劣化到鉸接,則舊橋橫向剛度的劣化對靠近新橋的舊橋中梁部分影響最大,舊橋邊梁和新橋左右邊梁次之,而新橋剛接和半剛接對拼寬橋影響較小;新橋橫向剛度變?yōu)殂q接時,對舊橋的影響微弱,但對靠近拼接處新橋中梁的最大負彎矩影響最大,其他新梁受到的影響次之.

表5 中載作用下中支點處最大負彎矩計算結(jié)果

3.2 偏載作用下拼寬結(jié)構(gòu)受力分析

(1) 偏載作用下邊跨跨中處最大不利彎矩分析.依據(jù)表6,以舊梁鉸接+新梁剛接和舊梁鉸接+新梁鉸接為分析基準可知,在中載作用下的邊跨跨中截面處,舊橋橫向剛度劣化到半剛接時,對拼寬橋結(jié)構(gòu)影響較小,一旦舊橋劣化到鉸接,則舊橋橫向剛度的劣化對靠近新橋的舊梁部分影響最大,其次是新邊梁,而新橋剛接和半剛接對拼寬橋影響較小;新橋橫向剛度變?yōu)殂q接時,舊橋影響微弱,但對靠近拼接處新橋中梁和新邊梁的最大正彎矩影響最大.

表6 偏載作用下邊跨跨中截面處最大正彎矩計算結(jié)果

(2) 偏載作用下中跨跨中處最大不利彎矩分析.依據(jù)表7,以舊梁鉸接+新梁剛接和舊梁鉸接+新梁鉸接為分析基準可知,在中載作用下的中跨跨中截面處,舊橋橫向剛度劣化到半剛接時,對拼寬橋結(jié)構(gòu)影響較小,一旦舊橋劣化到鉸接,則舊橋橫向剛度的劣化對靠近拼寬處的舊梁部分影響最大,而新橋剛接和半剛接對拼寬橋影響較小;新橋橫向剛度變?yōu)殂q接時,舊橋影響微弱,但對靠近拼接處新梁的最大正彎矩影響最大.

表7 偏載作用下中跨跨中截面處最大正彎矩計算結(jié)果

(3) 偏載作用下中支點處最大不利彎矩分析.依據(jù)表8,以舊梁鉸接+新梁剛接和舊梁鉸接+新梁鉸接為分析基準可知,在中載作用下的中支點截面處,舊橋橫向剛度劣化到半剛接時,對拼寬橋結(jié)構(gòu)影響較小,一旦舊橋劣化到鉸接,則舊橋橫向剛度的劣化對舊梁部分影響最大,新橋影響次之;而新橋剛接和半剛接對拼寬橋影響較小,新橋橫向剛度變?yōu)殂q接時,舊橋影響微弱,但對靠近拼接處新中梁和新邊梁的最大負彎矩影響最大.

表8 移動荷載(偏載)作用下中支點跨中截面處最大負彎矩計算分析

3.3 新建橋墩沉降工況

對沉降工況在不同橫向剛度組合下的邊跨跨中、中跨跨中及中支點處的最大不利彎矩進行計算,相應(yīng)的計算值最大的前3片梁的梁號及計算結(jié)果如表9所示.

表9 新建橋墩沉降作用下邊跨跨中截面處最大不利彎矩計算結(jié)果

假設(shè)舊橋不發(fā)生沉降,而新建橋墩沉降5 mm的工況條件下,沉降工況對拼寬橋結(jié)構(gòu)的受力影響不能忽視.但考慮到橫向剛度劣化后,對3處截面位置的最大正負彎矩值的變化影響較小,可不做進一步分析.

4 結(jié) 論

(1) 在移動載荷的作用下,橫向剛度的劣化會增加新舊梁的結(jié)構(gòu)受力.在舊橋橫向剛度劣化的情況下,拼接處附近的舊橋中梁及右邊梁結(jié)構(gòu)受力最為明顯.因此,在后期舊橋加固中,應(yīng)著重對該部分梁片進行加固;而在新橋橫向剛度劣化的情況下,新橋結(jié)構(gòu)中拼接處附近的新梁和新邊梁結(jié)構(gòu)受力變化最為明顯,對舊橋影響較弱.

(2) 從新建橋墩沉降工況的角度出發(fā),新舊橋不同橫向剛度劣化組合對結(jié)構(gòu)所承受的最大彎矩值的影響較小.在考慮新建橋墩沉降時,應(yīng)主要研究其沉降差值對結(jié)構(gòu)的影響,若沉降處理措施可靠,可僅在模型計算中直接采用容許沉降差計算.

(3) 考慮到拼寬橋長期服役的情況,針對舊橋的模型計算,橫向剛度應(yīng)偏向鉸接處理,而新梁除中支點外,應(yīng)在設(shè)計階段就加強其橫向剛度,避免長期運營劣化作用對結(jié)構(gòu)受力的不利影響.

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