高速公路擴(kuò)寬橋梁設(shè)計(jì)研究

阿布來提·卡德爾 吾買爾江·阿不都熱西提

摘 要 本文以某高速公路的空心板梁橋以及T梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，通過計(jì)算橫向分布系數(shù)，分析橋梁不同的擴(kuò)寬截面形式對(duì)橋梁整體性能的影響，以及對(duì)新舊橋梁連接鉸縫處的剪應(yīng)力和相對(duì)位移進(jìn)行計(jì)算，得出新舊橋梁剛度比對(duì)橋梁性能的影響，最后以靜載試驗(yàn)驗(yàn)證所得結(jié)論。

關(guān)鍵詞 截面形式;擴(kuò)寬;空心板橋;T梁橋

引言

隨著汽車持有量的不斷上升，目前服役的高速公路已不滿足運(yùn)營(yíng)需求，交通堵塞，汽車運(yùn)行困難等情況常有發(fā)生，已難以適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的要求。而通過建設(shè)新線的方法在當(dāng)前國(guó)內(nèi)土地供應(yīng)較為緊張的情況下已不太現(xiàn)實(shí)，因此，只能充分利用現(xiàn)有高速公路，采取加寬線路等方法滿足現(xiàn)今的交通需求。

1工程概況

根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)和工程地質(zhì)條件，為避免新舊橋梁產(chǎn)生較大沉降差，目前，橋梁加寬新舊橋梁之間常采用“上連下不連”的拼寬方式，新建部分橋梁下部宜采用樁基礎(chǔ)，因此該橋梁選取了連接上部結(jié)構(gòu)，分離下部構(gòu)造的拼接方案，橋梁墩臺(tái)擴(kuò)寬尺寸與舊橋墩臺(tái)尺寸一致，項(xiàng)目新舊橋梁加寬方案如圖1所示。

2新建橋梁截面形式的影響

本文選取的研究對(duì)象為某高速公路中的空心板橋以及T梁橋?？招陌辶簶?yàn)楹?jiǎn)支梁橋，在原有基礎(chǔ)上擴(kuò)寬13#-15#主梁，并通過鉸縫進(jìn)行連接，具體如圖2所示。

T梁為一簡(jiǎn)支T梁橋，在原有基礎(chǔ)上擴(kuò)寬6#-7#主梁，并通過橫隔梁進(jìn)行連接，具體如下圖3所示。

3加寬前后的橫向分布系數(shù)

3.1.1 空心板梁橋

該種梁橋的混凝土等級(jí)為C50，原橋梁的抗彎慣性矩以I表示，擴(kuò)寬梁的抗彎慣性矩以0.8I-2I表示，間隔0.2I，其中I為0.046m ?。荷載的橫向傳遞規(guī)律通過鉸接板法進(jìn)行分析，可得出各梁的荷載分配方式，直觀反映出梁體所受荷載跟不同抗彎慣性矩的關(guān)系。在12#梁軸線位置施加單位荷載，分析不同擴(kuò)寬剛度的主梁荷載分布情況。

在擴(kuò)寬橋梁后，各主梁的橫向分布系數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，既橋梁擴(kuò)寬部分替舊橋分擔(dān)了部分荷載而使舊橋所承受荷載降低，這滿足實(shí)際情況。對(duì)比橫向分布系數(shù)可知在不同的剛度比下，橋梁處變化較為平緩，表明橋梁在擴(kuò)寬后的結(jié)構(gòu)具有較好的整體性。

3.1.2 T梁橋

T梁橋的抗彎慣性矩為0.0782m?。擴(kuò)寬橋梁采用的抗彎慣性矩為0.5-1.5I，對(duì)其荷載橫向傳遞規(guī)律采取偏心壓力法進(jìn)行分析，在5#梁軸線處施加單位荷載，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可看出，與擴(kuò)寬前相比，擴(kuò)寬后的橋梁橫向分布系數(shù)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，既橋梁擴(kuò)寬部分替舊橋分擔(dān)了部分荷載而使舊橋所承受荷載降低，與實(shí)際狀況相符。對(duì)比上圖的橫向分布系數(shù)在不同剛度比之下的情況可知，在0.7剛度比的情況下，曲線的平緩處在5#-6#的位置，表明擴(kuò)寬后橋梁結(jié)構(gòu)具有較好的整體性。和空心板相比具有較大差異，因此可知，剛度比對(duì)橋梁荷載分布情況的影響與橋梁截面形式有關(guān)。

3.2 新舊鉸縫的剪力和剪應(yīng)力

3.2.1 空心板梁橋

新舊梁體的鉸縫剪應(yīng)力與其長(zhǎng)度分布呈現(xiàn)連續(xù)變化，選取最不利截面，既跨中位置進(jìn)行分析。采用ANSYS有限元軟件建模分析，所得結(jié)果如下表1所示。

從表1中可知，隨著剛度比的變化，鉸縫處的剪應(yīng)力也相應(yīng)的發(fā)生變化，在1.0的剛度比時(shí)，鉸縫存在最小的剪應(yīng)力，而當(dāng)剛度比在1.0以下或以上時(shí)，剪應(yīng)力均表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。因此，可得結(jié)果：在相同的剛度之下，擴(kuò)寬后的空心板梁具有較好的整體性，新舊橋梁具有較一致的變形，且具有最小的剪應(yīng)力和變形差值，此時(shí)的鉸縫具有較為合理的受力。當(dāng)剛度比較大或者較小時(shí)均會(huì)在鉸縫處產(chǎn)生較大的剪力，使鉸縫處的安全性降低。

3.2.2 T梁橋

同空心板，T梁橋選取最不利截面，既跨中截面作為研究對(duì)象，并通過ANSYS有限元軟件進(jìn)行建模分析，所得的鉸縫的應(yīng)變和撓度如表2所示。

從表2可知，T梁橋和空心板梁具有一致的結(jié)論，綜合分析可知，對(duì)于高速公路橋梁的擴(kuò)寬，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)采取相對(duì)應(yīng)的截面形式時(shí)，新舊梁在受到荷載時(shí)的變形具有較好的協(xié)調(diào)性以及整體性，有助于延長(zhǎng)擴(kuò)寬橋梁的使用壽命以及舒適度。

4擴(kuò)寬后橋梁靜載試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方案

（1）控制截面：選取跨中正彎矩位置處作為控制截面。

（2）加載車：加載車的數(shù)量按照等效彎矩原則進(jìn)行確定，最終方案為350kn的大型車輛共四輛。

（3）試驗(yàn)加載布置：

工況一采取四輛車對(duì)稱加載的方式，給以控制截面最大正彎矩，試驗(yàn)分為2級(jí)加載以及1級(jí)卸載。加載分級(jí)為I-0對(duì)應(yīng)的加載車為0;I-1對(duì)應(yīng)的加載車為C3+C4;I-2對(duì)應(yīng)的加載車為C1+C2+C3+C4;I-3對(duì)應(yīng)的加載車輛為0。

工況二采取四輛車偏心加載的方式，給以控制截面最大正彎矩。工況二加載分級(jí)同工況一。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

按照分級(jí)加載的方式將工況一進(jìn)行分類，以獲取測(cè)試截面在不同分級(jí)情況下的實(shí)測(cè)與理論應(yīng)變值，結(jié)果如圖5、圖6所示。由于篇幅限制，本文僅列出部分?jǐn)?shù)據(jù)。

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，工況一和工況二各個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變均為實(shí)際小于理論值，因此滿足要求。

由圖6可知，工況一和工況二測(cè)點(diǎn)的撓度值均符合實(shí)測(cè)小于理論值的要求，表明橋梁剛度符合要求。

5結(jié)論

本文通過對(duì)橋梁橫向分布系數(shù)的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，不管是空心板梁橋還是T梁橋，各個(gè)主梁相較于擴(kuò)寬前的橫向分布系數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，表明橋梁的擴(kuò)寬部門代替原有橋梁承受了部分荷載，降低了原有橋梁承受的荷載。當(dāng)保持一致的荷載加載情況時(shí)，梁若具有較大的剛度，其所能承受的荷載也較大。

通過對(duì)比空心板和T梁板的橫向分布系數(shù)，建議控制新舊橋梁的新舊比處于0.7-1.2區(qū)間內(nèi)，此時(shí)橋梁在擴(kuò)寬后具有較好的整體性。

通過分析新舊橋梁鉸縫處的剪應(yīng)力得出結(jié)論：當(dāng)新舊梁體的抗彎剛度較為接近時(shí)，鉸縫處的剪應(yīng)力和變形差值較小，此時(shí)的橋梁具有較好的整體性。

通過試驗(yàn)，對(duì)橋梁擴(kuò)寬后的力學(xué)性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明擴(kuò)寬后的橋梁性能符合要求。

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