基于位移影響線的城市立交橋拓寬改造研究

宋文鋒，唐春龍

(重慶中煤科工工程技術(shù)咨詢有限公司，重慶 400042)

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，原立交橋難以滿足日益增長的交通發(fā)展要求。為緩解交通壓力，對(duì)原橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓寬改造。城市立交橋拓寬改造常采用上下部結(jié)構(gòu)相互不連接、上下部結(jié)構(gòu)相互連接、上部結(jié)構(gòu)連接下部不連接等拓寬方法。第一種拓寬方法中，上下部結(jié)構(gòu)相互不連接，新舊橋結(jié)構(gòu)之間設(shè)置工作縫，各自受力明確、互不影響，施工難度小，因而在城市立交橋拓寬改造中得到廣泛應(yīng)用。由于原立交橋以簡(jiǎn)支橋梁結(jié)構(gòu)為主，為滿足橋下凈空要求，新舊橋梁不能采用同跨度布置，通常采用連續(xù)梁橋，以降低梁高，同時(shí)新舊橋梁上下部結(jié)構(gòu)相互不連接，故新舊橋梁結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致新舊橋剛度不匹配、變形不協(xié)調(diào)，在活荷載作用下將產(chǎn)生豎向變形差異。為此，該文基于位移影響線精確分析新舊橋梁的變形差，為城市立交橋拓寬改造設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 位移影響線

橋梁位移影響線是單位移動(dòng)荷載作用下某截面位移變化曲線，采用靜力法繪制。該文結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)形式，采用撓度公式[見式(1)]進(jìn)行跨中位移影響線繪制。

(1)

1.1 簡(jiǎn)支梁跨中位移影響線

采用圖乘法計(jì)算，得到簡(jiǎn)支梁跨中位移影響線方程[見式(2)]，據(jù)此繪制的簡(jiǎn)支梁跨中位移影響線見圖1。

圖1 簡(jiǎn)支梁跨中位移影響線

(2)

1.2 連續(xù)梁中跨跨中位移影響線

(3)

由式(3)得X1=X2=-3L/40。分別計(jì)算單位移動(dòng)荷載p=1作用下左邊跨、中跨和右邊跨彎矩。1)當(dāng)p=1作用于左邊跨時(shí)，根據(jù)圖2(b)和圖2(c)，采用圖乘法計(jì)算中跨跨中位移影響線，結(jié)果見式(4)。2)當(dāng)p=1作用于中跨左側(cè)時(shí)，根據(jù)圖2(b)和圖2(d)，采用圖乘法計(jì)算中跨跨中位移影響線，結(jié)果見式(5)。3)當(dāng)p=1作用于中跨右側(cè)時(shí)，根據(jù)圖2(b)和圖2(e)，采用圖乘法計(jì)算中跨跨中位移影響線，結(jié)果見式(6)。4)當(dāng)p=1作用于右邊跨時(shí)，根據(jù)圖2(b)和圖2(f)，采用圖乘法計(jì)算中跨跨中位移影響線，結(jié)果見式(7)。

圖2 連續(xù)梁結(jié)構(gòu)受力示意圖

(4)

72L2X-23L3),L≤X≤3L/2

(5)

198L2X-112L3),3L/2≤X≤2L

(6)

2L≤X≤3L

(7)

根據(jù)位移影響線方程(3)～(7)繪制的連續(xù)梁跨中位移影響線見圖3。

圖3 連續(xù)梁中跨跨中位移影響線

2 汽車荷載產(chǎn)生的位移

2.1 汽車荷載

汽車荷載分為城-A級(jí)、城-B級(jí)兩個(gè)等級(jí)。城-A級(jí)車道荷載的均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值qk為10.5 kN/m；集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值Pk如下：橋梁計(jì)算跨徑L≤5 m時(shí)Pk=270 kN，L≥50 m時(shí)Pk=360 kN，L為5～50 m時(shí)Pk=2(L+130)kN。城-B級(jí)荷載按城-A級(jí)荷載的75%選取。

2.2 位移計(jì)算

根據(jù)車道荷載及位移影響線方程(2)、(4)～(7)計(jì)算車道荷載、自重作用下橋梁結(jié)構(gòu)的位移。對(duì)于簡(jiǎn)支梁，車道荷載、自重作用下橋梁結(jié)構(gòu)位移為：

(8)

對(duì)于連續(xù)梁，車道荷載、自重作用下橋梁結(jié)構(gòu)位移為：

(9)

3 工程實(shí)例

3.1 工程概況

某立交現(xiàn)狀為六路立體交叉的單喇叭形式，為緩解立交區(qū)域交通壓力，對(duì)該立交進(jìn)行改造，采用主線橋梁兩側(cè)拓寬改造的方式。主線橋跨布置為(2×30)m+39.5 m(上跨橋)+(6×30)m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁，橋梁全長288 m，30 m T梁高2.0 m，39.5 m T梁高2.5 m，均采用預(yù)制吊裝，橋面寬31 m。受下穿道路的影響，拓寬橋梁橋跨布置為[45 m+45 m(上跨橋)+45 m]連續(xù)鋼箱梁橋+(5×30)m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋，梁高2.1 m，橋面寬10.5 m(見圖4)。

圖4 拓寬橋梁斷面示意圖(單位：cm)

3.2 新舊橋梁變形計(jì)算分析

舊橋計(jì)算跨徑為38.5 m，新橋邊跨計(jì)算跨徑為44.5 m、中跨計(jì)算跨徑為45.0 m。由于舊橋的材料及剛度已定，通過調(diào)整新橋的材料特性及剛度使新舊橋梁在汽車荷載作用下產(chǎn)生的位移基本相等，位移計(jì)算見表1。

根據(jù)表1，在新橋結(jié)構(gòu)材料特性及梁高一定的情況下,可通過調(diào)整新橋結(jié)構(gòu)剛度使新舊橋梁結(jié)構(gòu)的位移基本相等，從而確保行車舒適，減少后期維護(hù)維修工程量,同時(shí)提高設(shè)計(jì)效率。

表1 新舊橋梁位移計(jì)算

4 結(jié)語

基于城市立交橋拓寬改造的特點(diǎn)，利用圖乘法推導(dǎo)橋梁結(jié)構(gòu)位移影響線，并計(jì)算汽車荷載作用下最大位移。以某城市立交橋拓寬改造工程為依托，在舊橋位移、新橋材料特性及梁高為定值的情況下，通過調(diào)整新橋結(jié)構(gòu)剛度使新舊橋梁結(jié)構(gòu)位移基本相等，確保行車舒適，減少后期維護(hù)維修工程量，增強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，同時(shí)提高設(shè)計(jì)效率。