空心板橋拓寬改造對(duì)舊橋受力性能的影響分析

作者簡(jiǎn)介：

何桂天（1986—），工程師，主要從事道路工程施工和管理工作。

為研究空心板橋拓寬改造對(duì)原結(jié)構(gòu)（舊橋）受力性能的影響，文章以某改擴(kuò)建高速公路空心板橋拓寬改造設(shè)計(jì)為背景，從拓寬改造的接縫方式、接縫寬度、拓寬主梁片數(shù)三個(gè)方面分別分析其對(duì)舊橋受力性能的影響大小。研究結(jié)果表明：拓寬后的舊橋受力性能得到了很好的改善;拓寬接縫方式對(duì)舊橋受力性能影響不大;接縫寬度對(duì)舊橋受力性能的影響接近線性，影響程度較輕;拓寬主梁片數(shù)越多對(duì)舊橋受力性能的改善作用越大，當(dāng)拓寬片數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，影響也隨即趨于穩(wěn)定。

改擴(kuò)建工程;空心板;拓寬改造;拼接;荷載橫向分布系數(shù)

U445.6A291004

0 引言

近些年，隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，尤其是新時(shí)代“一帶一路”全球戰(zhàn)略的提出，國(guó)內(nèi)交通運(yùn)輸事業(yè)也得到了快速健康發(fā)展。然而，隨著交通量的與日俱增，日益繁忙的既有高速公路已無(wú)法負(fù)荷現(xiàn)有的交通出行，迫切需要對(duì)早期建設(shè)的高速公路進(jìn)行改擴(kuò)建設(shè)計(jì)，將原有高速公路拓寬至六車道或八車道。因此，對(duì)原有橋梁的拓寬改造設(shè)計(jì)也隨著公路拓寬設(shè)計(jì)而進(jìn)行，空心板橋的拓寬改造設(shè)計(jì)即是其中一類，且占比較大。

由于受力合理、施工方便、造價(jià)經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋在我國(guó)早期高速公路橋梁建設(shè)中得到了非常廣泛的應(yīng)用，若在高速公路改擴(kuò)建工程中對(duì)其進(jìn)行拆除重建，不僅工期長(zhǎng)、費(fèi)用高，且需要中斷交通，拆除的廢料也會(huì)造成一定的環(huán)境影響，勢(shì)必造成較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋進(jìn)行拓寬改造設(shè)計(jì)，使其在新的改擴(kuò)建高速公路中繼續(xù)發(fā)揮作用，符合新時(shí)代對(duì)改擴(kuò)建高速公路建設(shè)的要求，也是所有建設(shè)者的共同呼聲。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此作了不少研究工作[1-4]。

本文以某改擴(kuò)建高速公路為背景工程，以其中一座空心板橋拓寬改造設(shè)計(jì)為例，從拓寬改造的接縫方式、接縫寬度、拼接主梁片數(shù)三個(gè)主要方面分析其對(duì)舊空心板橋受力性能的影響大小，為以后此類橋梁的拓寬改造設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。

1 背景工程簡(jiǎn)介

背景工程為某在建的改擴(kuò)建高速公路，于20世紀(jì)90年代建成通車，為雙向四車道。隨著交通量的與日俱增，原有高速公路早已超負(fù)荷運(yùn)營(yíng)，影響了人們的出行與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展，經(jīng)研究決定，將高速公路拓寬至八車道。

某現(xiàn)役空心板橋?yàn)槠渲幸蛔f橋（匝道橋），橋梁全長(zhǎng)布置為5×20 m;上部結(jié)構(gòu)采用預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）空心板，先簡(jiǎn)支后連續(xù);下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式墩、樁柱式橋臺(tái)，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。舊橋中板寬1.5 m，邊板寬2.125 m，高均為0.8 m，其標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1所示。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，拓寬改造方案斷面如圖2所示，拓寬新橋中板寬1.25 m，邊板寬1.625 m，高均為0.9 m。為便于下文分析，對(duì)圖中空心板由左至右依次編號(hào)為1～14號(hào)。8號(hào)（最后一片舊板）、9號(hào)（第一片新板）為接縫連接板，接縫寬0.7 m，采用剛性連接。

2 拓寬對(duì)舊橋受力性能的影響分析方法

對(duì)于空心板橋的設(shè)計(jì)計(jì)算，常用計(jì)算方法為荷載橫向分布系數(shù)法[5-6]（通?？缰薪孛娌捎脛偅ㄣq）接板梁法計(jì)算，支點(diǎn)截面采用杠桿法計(jì)算）。它是將一個(gè)多主梁?jiǎn)栴}轉(zhuǎn)換為單主梁?jiǎn)栴}，也是將一個(gè)空間問(wèn)題轉(zhuǎn)化為平面問(wèn)題的有效方法，其意義在于通過(guò)荷載橫向分布系數(shù)大小反映出單梁受荷大小，橫向分布系數(shù)變化規(guī)律，反映了整橋橫向受力分布規(guī)律。工程實(shí)踐證明這一計(jì)算方法科學(xué)合理，所得計(jì)算結(jié)果符合規(guī)范設(shè)計(jì)要求。因此，本文研究空心板橋拓寬改造對(duì)拓寬后舊橋受力性能的影響大小，可通過(guò)分析其拓寬后舊橋荷載橫向分布系數(shù)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)分析舊橋荷載橫向分布系數(shù)變化幅度可知拓寬改造對(duì)舊橋受力性能的影響程度，分析舊橋荷載橫向分布系數(shù)變化規(guī)律可知拓寬改造對(duì)舊橋受力性能的影響規(guī)律。

因此，基于這一分析方法，下文將從舊橋拓寬改造的接縫方式、接縫寬度、拓寬片數(shù)三個(gè)方面分別分析拓寬后舊橋荷載橫向分布系數(shù)的變化情況，通過(guò)這一變化分析其拓寬改造對(duì)舊橋受力性能的影響。

3 拓寬接縫形式對(duì)舊橋受力性能的影響分析

接縫設(shè)計(jì)是現(xiàn)役空心板橋拓寬設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，連接方式一般有鉸接與剛接兩種形式[7-9]，下文采用橋梁專業(yè)有限元計(jì)算軟件橋梁博士4.2分別對(duì)拓寬前舊橋、鉸接拓寬后舊橋、剛接拓寬后舊橋荷載橫向分布系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。其計(jì)算結(jié)果如表1所示。

由表1分析可知，支點(diǎn)截面荷載橫向分布系數(shù)拓寬前后幾乎無(wú)變化，符合杠桿法計(jì)算荷載橫向分布系數(shù)的理論，且手算結(jié)果與程序計(jì)算結(jié)果一致，側(cè)向證明采用橋博4.2計(jì)算空心板荷載橫向分布系數(shù)是正確的。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，跨中截面荷載橫向分布系數(shù)拓寬后明顯降低，且越靠近接縫處，其荷載橫向分布系數(shù)降低得越明顯。由此可見(jiàn)，空心板橋拓寬改造后，拓寬后的舊橋梁板受力性能得到了很好的改善，理論上證明了通過(guò)對(duì)舊空心板橋?qū)嵤┩貙捀脑靵?lái)改善舊橋梁板受力性能的思路是正確可行的。

此外，對(duì)比接縫連接的鉸接與剛接兩種形式可以發(fā)現(xiàn)，其荷載橫向分布系數(shù)幾乎一致，可見(jiàn)兩種連接方式對(duì)舊橋受力性能的改善作用相當(dāng)。但鉸接連接一般存在連接不夠牢靠，后期易發(fā)生病害等問(wèn)題，實(shí)際工程中建議盡量采用剛接連接方式。

4 拓寬接縫寬度對(duì)舊橋受力性能的影響分析

空心板橋拓寬接縫寬度一般在30～80 cm之間，

為進(jìn)一步研究拓寬接縫寬度對(duì)舊橋受力性能影響，下文在背景工程的基礎(chǔ)上，分別選取縫寬0.3 m、0.5 m、0.7 m、0.9 m四種接縫寬度，對(duì)其支點(diǎn)及跨中截面荷載橫向分布系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如下頁(yè)表2所示。

由表2分析可知，接縫處8號(hào)梁支點(diǎn)截面荷載橫向分布系數(shù)隨接縫寬度增大而增大;遠(yuǎn)離接縫的1號(hào)及2號(hào)梁跨中荷載橫向分布系數(shù)隨接縫寬度增大而增大;3號(hào)梁跨中荷載橫向分布系數(shù)幾乎不變化;4～8號(hào)梁跨中荷載橫向分布系數(shù)隨接縫寬度增大而減小。整體來(lái)看，荷載橫向分布系數(shù)接近線性變化，但變化幅度相對(duì)較小。由此可見(jiàn)，拓寬接縫寬度對(duì)舊橋受力性能影響接近線性，但影響幅度相對(duì)較小。

5 拓寬主梁片數(shù)對(duì)舊橋受力性能的影響分析

為進(jìn)一步探討拓寬主梁片數(shù)對(duì)舊橋受力性能的影響大小，下文在背景工程的基礎(chǔ)上，分別選取拓寬0片（原舊橋）、拓寬3片（拓寬1個(gè)車道）、拓寬6片（拓寬2個(gè)車道）、拓寬9片（拓寬3個(gè)車道）、拓寬12片空心板（拓寬4個(gè)車道）5個(gè)工況，分析其荷載橫向分布系數(shù)變化情況。荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由表3分析可知，支點(diǎn)截面荷載橫向分布系數(shù)不隨拓寬空心板片數(shù)增加而增加，跨中截面荷載橫向分布系數(shù)隨寬空心板片數(shù)增加而減少，減少速率越來(lái)越慢，當(dāng)拓寬梁片數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，荷載橫向分布系數(shù)保持穩(wěn)定不再變化。如當(dāng)拓寬至6片梁時(shí)，1～3號(hào)梁跨中荷載橫向系數(shù)基本保持穩(wěn)定，當(dāng)拓寬至9片梁時(shí)，1～7號(hào)梁跨中荷載橫向系數(shù)基本保持穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，拓寬空心板片數(shù)越多對(duì)舊橋受力性能改善作用越大，但影響程度越來(lái)越弱，當(dāng)拓寬片數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，影響也隨即趨于穩(wěn)定。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以某改擴(kuò)建高速公路空心板橋拓寬改造設(shè)計(jì)為背景工程，從舊橋拓寬改造的接縫方式、接縫寬度、拓寬主梁片數(shù)三個(gè)主要方面分別分析其荷載橫向分布系數(shù)變化情況，并通過(guò)這一變化進(jìn)而研究舊橋受力性能受以上三個(gè)方面的影響大小。研究結(jié)果表明，舊橋受力性能可通過(guò)拓寬新空心板得到很好的改善;接縫方式對(duì)舊橋受力性能影響不大，但剛接連接后期病害相對(duì)較少;舊橋受力性能受接縫寬度影響接近線性，但整體影響幅度相對(duì)不大;拓寬主梁片數(shù)越多，對(duì)舊橋受力性能改善作用越大，但影響程度越來(lái)越小，當(dāng)主梁拓寬片數(shù)達(dá)到一定數(shù)量后，舊橋受力性能影響也隨即趨于穩(wěn)定。

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