拼寬梁橋橫向受力及偏載系數(shù)分析

杜苗鴻，童漢元，曾子浩

（1.贛州城市投資控股集團有限責(zé)任公司，江西 贛州 341000；2.南昌市城市規(guī)劃設(shè)計研究總院，江西 南昌 330038；3.贛州發(fā)展城鎮(zhèn)投資開發(fā)有限責(zé)任公司，江西 贛州 341000）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，人民生活水平的提高，城市交通量不斷增加[1]，對現(xiàn)有的橋梁通行能力提出了更高的要求。早期建造的橋梁由于當(dāng)時條件的限制，往往其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)低以及通行能力不高，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在社會發(fā)展的需求。但是對原有老橋進行拆除重建會造成資金的浪費和環(huán)境的污染，因此對橋梁加寬改造深入研究具有十分重要的意義[2]。通過對老橋的拼寬改造處理，可以消除橋梁的安全隱患，提高了橋梁的通行能力和服務(wù)水平[3]。橋梁拼寬改造受到混凝土收縮徐變、基礎(chǔ)的不均勻沉降等因素影響[4]，同時不同的橋梁連接形式對結(jié)構(gòu)的受力影響較大，改造過程中需要對上述問題進行分析研究。

本工程的改造方案是將鋼箱梁和原有混凝土橋梁進行拼寬，為了研究不同連接形式下結(jié)構(gòu)受力特性，通過有限元模型，對比分析橋梁橫向受力性能，根據(jù)計算結(jié)果分析了鉸接和剛接連接形式下的內(nèi)力分布規(guī)律，同時對拼寬橋的偏載系數(shù)進行了研究，并提出了合理的建議值。

1 工程概況

本工程老橋主梁為單箱雙室的連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，跨徑為25 m+3×30 m+25 m=140 m，橋?qū)?7 m，雙向4 車道，下部結(jié)構(gòu)為花瓶墩、承臺及樁基礎(chǔ)。主梁橫斷面見圖1。

圖1 主梁橫斷面示意（單位：m）

為滿足快速路的通行，橋梁橋面需要改造為雙向6 車道?？紤]到經(jīng)濟性和施工周期，本項目采用新建鋼箱梁和現(xiàn)有混凝土箱梁拼寬的改造方案，橋梁改造方案見圖2。

圖2 橋梁拼寬改造方案示意圖（單位：mm）

新建拼寬鋼橋為單箱單室箱梁，橋?qū)? m。和現(xiàn)有混凝土箱梁拼寬組成的橋梁寬度為25 m，中間設(shè)置0.5 m 防撞護欄，改造后橋梁滿足雙向6 車道的交通需求。

2 拼寬橋橫向受力分析

2.1 概述

拼寬橋梁中結(jié)構(gòu)的連接形式對受力影響較大，本節(jié)主要分析剛接以及鉸接兩種不同連接形式下的拼寬橋受力特性。通過有限元梁格模型，對結(jié)構(gòu)的橫向受力特性進行分析，為橋梁拼寬改造工程提供相應(yīng)數(shù)據(jù)支撐。

2.2 有限元模型

采用Midas Civil 建模，新舊橋梁分別以梁單元模擬，其中間采用虛擬橫梁模擬橫向剛度，分別建立模型詳見圖3。分別建立剛性連接模型和鉸接模型。其中，剛接模型的連接邊界模擬方式為共節(jié)點，鉸接模型的模擬方式為釋放梁端約束、取消對彎矩的約束。支座布置采用雙支座模擬，考慮扭轉(zhuǎn)效應(yīng)。

圖3 計算模型

2.3 結(jié)果對比分析

為了研究結(jié)構(gòu)的橫向受力特性，在Midas 中采用橫向移動荷載進行分析，考慮到本橋梁的對稱性，因此本次加載截面主要為三個跨中位置，具體見圖4、圖5。提取加載截面的內(nèi)力結(jié)果，對拼寬橋梁的橫向受力性能進行分析研究。

圖4 橫向荷載加載位置示意圖（單位：m）

圖5 截面主梁橫向位置編號圖（單位：mm）

（1）彎矩計算結(jié)果

橫向加載下，各加載截面的彎矩計算結(jié)果見圖6。

圖6 各截面彎矩示意圖（單位：kN/m）

由圖6 可知，在橫向移動荷載作用下，剛接模型以及鉸接模型的彎矩圖呈現(xiàn)出兩端縱梁數(shù)據(jù)接近，中間縱梁彎矩鉸接模型大于剛接模型的規(guī)律。其中第一跨加載時3、4 截面位置鉸接模型分別比剛接模型彎矩增大6.73%和12%；第二跨加載時3、4 截面位置鉸接模型分別比剛接模型彎矩增大10.56%和11.59%；第三跨加載時3、4 截面位置鉸接模型分別比剛接模型彎矩增大10.47%和11.47%。分析可知，橋梁鉸接時接縫處不能傳遞彎矩，從而導(dǎo)致拼寬橋中間連接處縱梁的彎矩增大，增大的荷載值相比于剛接模型約11%左右。

（2）軸力計算結(jié)果

橫向加載下，各加載截面的軸力計算結(jié)果見圖7。

由圖7 可知，在橫向移動荷載作用下，剛接模型以及鉸接模型的軸力圖在橫向截面上兩端差距較大，橫截面中間位置數(shù)據(jù)較為接近，對鋼箱梁邊梁的影響大于混凝土邊梁。鉸接模型的軸力總體上大于剛接模型，且在混凝土邊梁增大約11%左右，鋼箱梁邊梁增大約50%左右，中間縱梁增大約2%～7%。

圖7 各截面軸力示意圖（單位：kN）

（3）剪力計算結(jié)果

橫向加載下，各加載截面的剪力計算結(jié)果見圖8。

由圖8 可知，在橫向移動荷載作用下，混凝土梁處兩種模型的剪力基本一致，而鋼箱梁處鉸接模型剪力值明顯大于剛接模型，剪力增大約44%～51%。

圖8 各截面剪力示意圖（單位：kN）

3 拼寬橋偏載系數(shù)分析

3.1 概述

箱梁在偏載作用下，其應(yīng)力的組成共有三部分，分別是彎曲正應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)正應(yīng)力以及箱梁翹曲畸變產(chǎn)生的正應(yīng)力，偏載系數(shù)計算見式（1）。由于扭轉(zhuǎn)和翹曲畸變產(chǎn)生的正應(yīng)力計算較為復(fù)雜[5，6]，因此在工程設(shè)計應(yīng)用中常采用經(jīng)驗系數(shù)。目前來說經(jīng)驗系數(shù)對常規(guī)橋梁該方法是適用的，拼寬橋由于寬度較大，因此其偏載系數(shù)需要進一步研究。

3.2 有限元模型

有限元模型采用上文中的計算模型一致，橋梁分析截面位置見圖9，分析截面選擇了邊跨跨中截面、墩頂截面以及中跨跨中截面。在加載截面按照規(guī)范要求進行影響線加載，通過撓度增大系數(shù)和應(yīng)力增大系數(shù)計算不同連接形式下的拼寬橋偏載系數(shù)。

圖9 偏載系數(shù)分析截面示意圖（單位：m）

3.3 分析結(jié)果

通過計算得到拼接前和兩種不同拼接方案的撓度偏載系數(shù)和應(yīng)力偏載系數(shù)結(jié)果見表1 和表2。

由表1 和表2 可知，橋梁拼寬后，不管是鉸接還是剛接其偏載系數(shù)都相對于老橋的偏載系數(shù)有所降低，這說明拼寬增加橋梁的橫向剛度有利于荷載的橫向分配。可以得出拼寬后撓度偏載系數(shù)的范圍在1.05～1.15 之間，應(yīng)力偏載系數(shù)在1.04～1.17 之間。本工程為了安全考慮建議設(shè)計時對不利截面取1.18的偏載系數(shù)。

表1 不同方案橋梁撓度偏載系數(shù)計算表格

表2 不同方案橋梁應(yīng)力偏載系數(shù)計算表格

4 結(jié) 論

（1）連接形式對彎矩的影響主要在橫向截面中間連接位置處，鉸接比剛接約增大10%彎矩效應(yīng)；連接形式對軸力的影響主要在橫向截面兩端處，且混凝土側(cè)影響較鋼箱梁側(cè)小，鉸接比剛接分別增大11%和50%剪力效應(yīng)；連接形式對剪力的影響主要在橫向截面兩端處，且混凝土側(cè)基本一致，鋼箱梁側(cè)影響較大；鉸接比剛接增大約44%～51%剪力效應(yīng)。

（2）拼寬橋橋梁不同位置的處的偏載系數(shù)不同，同時橋梁的偏載系數(shù)是沿橋梁縱向變化的。

（3）橋梁拼寬后其偏載系數(shù)較拼寬前均有所降低，橋梁橫向剛度的增加有利于荷載的橫向分配，建議最不利截面偏載系數(shù)選取1.18，可供同類工程參考。