小箱梁橋舊橋加寬受力特性研究

魏 偉

(山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032)

1 研究背景及現(xiàn)狀

近年來，國省干線公路作為重要的運輸通道，通行大量重型車輛且日益增多，同時由于各種因素的存在，橋梁自身也會有較多的病害，且難以恢復，降低了其承載能力，減少服役年限，也會有相當大比例的橋梁無法滿足現(xiàn)階段的使用要求，一些老舊橋梁已經(jīng)成為運輸通道上的瓶頸，這就需要我們將較窄的舊橋進行拓寬，科學合理的對橋梁加寬改建，以滿足通行要求。許多道路都面臨著改擴建、提升技術(shù)等級、增加通行能力的問題，山西省太原環(huán)城高速拓寬改造等項目已經(jīng)開始實施，黎城縣(冀晉界)至長治公路改擴建工程等項目已經(jīng)建成通車，還有多條高速公路在未來幾年即將實施。

目前，國內(nèi)外橋梁學者對于混凝土梁橋的拓寬有了較多的研究和探索，根據(jù)各個實際工程進行監(jiān)控量測而后提出了不同的理論，同時也在工程實踐中進行了驗證。然而不同學者針對同一個因素得出的結(jié)果不盡一致，甚至相反的結(jié)論，這也導致廣大橋梁設計人員在進行加寬設計時面對類似問題沒有確切的理論依據(jù)。且絕大多數(shù)學者所做研究均是針對某座特定形式的橋梁，所得結(jié)果也僅能適用于該橋梁。然而舊橋加寬情況各異、條件復雜，行業(yè)內(nèi)沒有一套完整的針對不同橋型、不同跨徑、不同上部結(jié)構(gòu)形式的設計理論和參考依據(jù)。此外在公路橋梁加寬設計中須考慮的因素較多，目前的研究成果尚不能較好的指導設計。

2 工程概況

該橋型結(jié)構(gòu)為3×20 m鋼筋混凝土小箱梁，全長65 m，梁高1.2 m，下部結(jié)構(gòu)橋臺采用柱式臺，橋墩采用柱式墩，樁基采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，平面位于直線上，縱斷面縱坡0.31%，橋面鋪裝為10 cm瀝青混凝土+10 cmC50混凝土鋪裝。

(1)設計荷載：公路-Ⅰ級；

(2)橋面結(jié)構(gòu)：0.5 m(防撞護欄)+11.5 m(原橋橋面凈寬)+4.7(加寬橋橋面凈寬)+0.5 m(防撞護欄)=17.2 m；

(3)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.1。

3 模型建立分析

小箱梁新舊橋上部結(jié)構(gòu)拼接的方式有：濕接縫連接；新舊橋之間預留約2 cm的工作縫，通過預埋鋼板連接；橫隔板鏈接等。本次梁格模型的建立是基于上述工程實例，在原橋基礎(chǔ)上采用濕接縫連接的方式分別進行加寬兩片梁、三片梁收縮對新舊橋接縫處剪應力以及接縫處主梁應力的影響，分析在時間發(fā)展上的規(guī)律性，主要分為存梁60 d、90 d、120 d、180 d四種情況。

在本次設計中梁寬2.4 m，按新標準計算。該模型采用MADIS 2012進行計算，原橋四根主梁，主梁劃分主要依據(jù)為各縱梁的中性軸同原橋梁整體截面的中性軸盡量重合。主梁抗扭剛度采用漢勃利《上部構(gòu)造性能》一書理論進行修正。在一般梁段以虛擬橫梁相連，虛擬橫梁間隔為1 m左右，虛擬橫梁截面高度取翼緣板的厚度，截面寬度同虛擬橫梁的數(shù)量和間距有關(guān)，并將虛擬橫梁的自重系數(shù)調(diào)整為0.20 m小箱梁加寬兩片梁，共1 294個節(jié)點，1 692個單元(包括梁單元和板單元)。模型的建立情況見圖1所示。

圖1 20 m小箱梁加寬兩片梁模型

4 受力分析

4.1 荷載橫向傳遞規(guī)律分析

對于拓寬結(jié)構(gòu)，其可以采用多種連接形式，不同的連接形式也會導致荷載的傳遞規(guī)律也大相徑庭，由此可知對拓寬橋梁的內(nèi)力傳遞的計算總結(jié)具有實際的指導意義，不同位置荷載橫向傳遞的計算采用指標也不相同。本次計算以20 m小箱梁加寬兩片梁為例。

小箱梁通過采用不同橫梁個數(shù)來模擬不同連接剛度進行加寬，根據(jù)設計中實際可行方案確定橫向聯(lián)系的橫梁個數(shù)分別為1個和3個，然后提取汽車荷載作用下各個梁的撓度。根據(jù)公式(1)可得各個主梁橫向分布系數(shù)。

(1)

式中：mi為橫向分布系數(shù)；fi為主梁撓度；EI為主梁抗彎剛度；n為車道數(shù)與橫向折減系數(shù)的乘積。計算結(jié)果見表1及圖2所示。

通過計算結(jié)果可以看出，加寬后的原結(jié)構(gòu)各個主梁橫向分布系數(shù)有明顯減小，這可以理解為加寬后車道數(shù)增加引起上部活載增加，新增主梁承擔了較多荷載。

表1 20 m小箱梁加寬兩片梁

圖2 20 m小箱梁加寬橫向分布系數(shù)變化規(guī)律圖

4.2 有限元分析

20 m小箱梁加寬兩片梁、三片梁收縮對新舊橋接縫處剪應力以及接縫處主梁應力的影響，分析在時間發(fā)展上的規(guī)律性，主要分為存梁60 d、90 d、120 d、180 d四種情況。

(1)拼接處的縱向應力分析

圖3 20 m小箱梁加寬兩片梁4#梁頂應力

圖4 20 m小箱梁加寬兩片梁5#梁頂應力

圖5 20 m小箱梁加寬三片梁4#梁頂應力

圖6 20 m小箱梁加寬三片梁5#梁頂應力

從上圖不同加寬梁片數(shù)的變化趨勢可以得出：時間間隔越短進行接縫連接，各種不利因素的影響越大，在新舊橋邊梁產(chǎn)生的應力越大；時間間隔越久進行接縫連接，會大大降低不利結(jié)果。

(2)拼接處的剪力分析

圖7 20 m小箱梁加寬兩片梁

圖8 20 m小箱梁加寬三片梁

從圖8不同加寬梁片數(shù)的變化趨勢可以得出：拼接處的剪力均隨著時間的增大而變小，剪力減小會降低新舊橋拼接后在接縫處產(chǎn)生裂縫的風險。

5 結(jié) 論

(1)收縮以及徐變產(chǎn)生的影響是隨時間變化而漸漸產(chǎn)生，從我國現(xiàn)行的公路橋規(guī)可以看出收縮、徐變變化遵從混凝土齡期越小發(fā)展越快的規(guī)律，整體曲線類似指數(shù)函數(shù)。收縮徐變在初始階段發(fā)展迅速，以后隨時間發(fā)展收縮徐變的速率開始減小，因此新舊橋?qū)B接的時間點較為敏感。舊橋拼寬

后的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)對連接時間點的相關(guān)性很高。同時時間因素從施工便利性、經(jīng)濟性及技術(shù)難易程度等方面均有較大優(yōu)勢。基于以上原因考慮，對新舊結(jié)構(gòu)的連接時間與工期進度進行分析，尋找最合理的平衡點，將收縮、徐變對結(jié)構(gòu)的不利影響降到最低。

(2)不同的時間連接點對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力有較大的影響，但其變化規(guī)律相一致。從不同加寬梁片數(shù)的計算數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可以得出，在三個月至半年的時間間隔內(nèi)進行接縫連接較為合適，如果通車時間允許，應盡量延長接縫的連接時間，拼接處的拉應力和剪應力隨之減小，收縮徐變對舊橋的內(nèi)力的不利影響也相應降低。

(3)從橫向分布數(shù)據(jù)可以看出，中橫梁個數(shù)的增加并沒有對橫向傳力體系作出明顯貢獻，這點可以避免在中小跨徑箱梁(20～35 m)結(jié)構(gòu)形式的橋梁進行加寬時盲目增加橫梁個數(shù)，造成設計及施工的不便。通過計算可以看出加寬后的原結(jié)構(gòu)各個主梁橫向分布系數(shù)有明顯減小，舊橋加寬大部分情況需要提高荷載等級，新增梁片分擔舊橋荷載符合舊橋加寬要求。