不同加寬方式對空心板橋橫向受力的影響

許 錢，李春良

吉林建筑大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院,長春 130118

在空心板橋改擴(kuò)建項(xiàng)目中,對空心板橋采取加寬處理后,原橋的受力情況也會隨之改變,因此研究加寬后空心板橋的橫向受力狀態(tài),對今后改擴(kuò)建項(xiàng)目有指導(dǎo)意義.目前,相關(guān)學(xué)者主要研究了空心板橋加寬的橫向分布計(jì)算方法[1]、不同鉸縫形式[2]以及新舊板之間不同剛度的連接形式對空心板橋橫向受力的影響[3].在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,本文通過建立未加寬前、單向加寬后和雙向加寬后的空心板ANSYS模型,并對其進(jìn)行受力分析,研究不同加寬方式對原橋橫向受力狀態(tài)的影響.

1 舊橋加寬方式與方法

1.1 單向加寬

單向增加主梁片數(shù)加寬,是在原有主梁的一側(cè)增加新的主梁,從而達(dá)到增加橋面寬度的目的,新建主梁與原橋主梁共同承擔(dān)荷載.這種加寬方法在對主梁進(jìn)行加寬的同時,需要對下部結(jié)構(gòu)墩臺基礎(chǔ)進(jìn)行加寬[4].

1.2 雙向加寬

1.2.1 間插橋墩復(fù)橋加寬法

間插橋墩復(fù)橋加寬法,通過墩帽處較長的橫向連接,將加寬部分主梁設(shè)置在原有主梁的兩側(cè),新建橋墩建造在原有橋墩之間,既有效地增加了橋面寬度,又最大限度降低了新增橋墩對地面交通的干擾.間插橋墩復(fù)橋加寬的示意圖如圖1所示[5].

圖1 間插橋墩復(fù)橋加寬Fig.1 Widened compound bridge by embed pier

1.2.2 雙向增加主梁片數(shù)加寬

雙向增加主梁片數(shù)加寬,可保持原橋的標(biāo)高不變,不拆卸原有橋板,直接在原橋的兩側(cè)采取順接的方法進(jìn)行加寬[6].加寬部分空心板的截面形式要與原橋保持盡可能相似,且原橋與加寬部分間需要采取適當(dāng)?shù)倪B接方式以保證橋梁結(jié)構(gòu)的整體性.與單向加寬主梁的方法類似,雙向加寬同樣需要對橋梁的下部結(jié)構(gòu)相應(yīng)的加寬,在其施工的過程中不會影響車輛的正常通行.圖2為增加主梁加寬設(shè)計(jì)圖.

圖2 增加主梁片數(shù)加寬Fig.2 Increase main girder width

2 空心板有限元模型建立

為研究不同加寬方式對空心板橋橫向受力的影響,采用ANSYS有限元軟件建立跨徑為13 m的空心板有限元模型,原橋由9塊空心板組成,每塊空心板截面寬1 m,高0.6 m,橋面總寬為9 m,兩側(cè)人行道寬0.75m,橫截面示意圖如圖3所示,加寬新板與原板截面尺寸相同.

全橋模型包括9塊舊板、4塊新板,板與板之間橫向聯(lián)接采用鉸接.建模時,橋面鋪裝層可采用與梁單元共節(jié)點(diǎn)的板單元模擬,但由于橋面鋪裝層在多年使用后會出現(xiàn)老化現(xiàn)象,且新橋橋面鋪裝層和舊橋橋面鋪裝層又不完全相同,無法準(zhǔn)確獲取其力學(xué)參數(shù),因此建模時統(tǒng)一不考慮橋面鋪裝的橫向連接作用.

為評價(jià)不同加寬方式對橋梁結(jié)構(gòu)模型荷載橫向分布的影響,本文通過4種情況分別計(jì)算空心板的影響線豎標(biāo)值：① 未加寬前;② 右側(cè)單向加寬后;③ 左側(cè)單向加寬后;④ 雙向加寬后.為便于說明,始終把原橋各板編號為1 #～9 #,單向加寬時,加寬新板由左到右依次編號為10 #～13 #.雙向加寬時,分別將加寬新板編號-1 #,0 #和10 #,11 #,加寬示意圖如圖4、圖5所示.

圖3 模型橫截面尺寸Fig.3 Model cross section size

圖4 單向加寬示意圖Fig.4 Schematic diagram of unidirectional broadening

圖5 雙向加寬示意圖Fig.5 Schematic diagram of bidirectional broadening

使用ANSYS建模時,空心板主體選用SOLID 45單元,鉸縫選用COMBIN 14單元來模擬,其中原橋模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為20 148,單元數(shù)為14 889,加寬后空心板橋模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為29 120,單元數(shù)為18 701.建立的13 m空心板橋?qū)嶓w空間有限元模型如圖6所示.

(a) 空心板實(shí)體模型(a) Hollow slab solid model

3 計(jì)算結(jié)果及分析

為反映空心板橋加寬前后的橫向受力情況,根據(jù)ANSYS模型計(jì)算得到加寬前后各板的橫向影響線.

圖7為橋梁加寬前、左側(cè)單向加寬后及右側(cè)單向加寬后原橋1 #板影響線對比圖,圖8為橋梁加寬前、左側(cè)單向加寬后及右側(cè)加寬后原橋9 #板影響線對比圖.

圖7 加寬前和單向加寬后原橋1 #板影響線對比圖Fig.7 Comparison diagram of influence lines of original bridge1# plates before and afterUnilateral widening

圖8 加寬前和單向加寬后原橋9 #板影響線對比圖Fig.8 Comparison diagram of influence lines of original bridge9# plates before and afterUnilateral widening

觀察發(fā)現(xiàn),對原橋左側(cè)單向加寬后和右側(cè)單向加寬后,當(dāng)荷載作用于不同板時,分配到1 #板和9 #板的荷載相較于橋梁加寬前均減小.對于1 #板,左側(cè)單向加寬后1 #板承受的荷載,小于右側(cè)單向加寬后1 #板承受的荷載,左側(cè)加寬新板承受的荷載遠(yuǎn)大于右側(cè)加寬新板.對于9 #板,左側(cè)單向加寬后9 #板承受的荷載,大于右側(cè)單向加寬后9 #板承受的荷載，右側(cè)加寬新板承受的荷載遠(yuǎn)大于左側(cè)加寬新板.可見對原橋單向加寬,加寬新板能夠有效地分擔(dān)作用于橋上的荷載,并且單向加寬對加寬側(cè)各板的影響優(yōu)于對未加寬側(cè)的影響.采用單側(cè)加寬時,距離新加寬板越近的舊板,在承受荷載時,荷載被新板分擔(dān)得越大.

圖9為加寬前、右側(cè)單向加寬后及雙向加寬后原橋3 #板的影響線對比圖,圖10為加寬前、右側(cè)單向加寬后及雙向加寬后原橋7 #板的影響線對比圖.

圖9 加寬前、后原橋3 #板影響線對比圖Fig.9 Comparison diagram of influence lines of original bridge3# plates before and after widening

圖10 加寬前、后原橋7 #板影響線對比圖Fig.10 Comparison diagram of influence lines of original bridge7# plates before and after widening

觀察發(fā)現(xiàn),橋梁雙向加寬后,當(dāng)荷載作用于不同板時,分配到3 #板和7 #板的荷載相較于橋梁加寬前均減小.雙向加寬后3 #板承受荷載,小于右側(cè)單向加寬后3 #板承受的荷載,而兩種加寬方式下7 #承受的荷載較為相似.右側(cè)單向加寬后3 #板影響線的降低程度,小于7 #板影響線的降低程度,而雙向加寬后3 #板和7 #板影響線有相同程度的降低.對于加寬新板，各加寬方式下，新板為加寬側(cè)各板承擔(dān)的荷載遠(yuǎn)大于未加寬側(cè).可見,對原橋雙向加寬相比單向加寬,可以均勻且更大程度地減小原橋承受的荷載.

4 結(jié)論

本文通過對空心板橋的ANSYS有限元實(shí)體模型計(jì)算和分析,得出以下結(jié)論：

(1) 對空心板橋加寬后,加寬新板有效地承擔(dān)了作用于橋梁的部分荷載,空心板的荷載橫向分布得到了優(yōu)化,兩種加寬方式均對于改善原橋結(jié)構(gòu)橫向受力作用明顯.

(2) 單向加寬對加寬側(cè)各板的影響優(yōu)于對未加寬側(cè)的影響.采用單側(cè)加寬時,距離新加寬板越近的舊板,在承受荷載時荷載被新板分擔(dān)得越大.

(3) 雙向加寬相比于單向加寬,原橋影響線降低程度更大、更均勻.因此,在條件允許的情況下選用雙向加寬,對改善原橋橫向受力狀態(tài)更有利.