橋梁拓寬技術(shù)在高速公路中的運(yùn)用研究

汪 龍

(浙江交工宏途交通建設(shè)有限公司 杭州市 310051)

0 引言

上個(gè)世紀(jì)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和公路橋梁施工技術(shù)的限制,我國(guó)在中、東部和沿海地區(qū)修建的高速公路車道都比較少,等級(jí)也較低。進(jìn)入21世紀(jì),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展,汽車保有量不斷增加,物流運(yùn)輸和人員流動(dòng)的需求也逐漸增加,對(duì)公路公共交通的要求越來(lái)越高。為了提高高速公路沿途地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展水平,高速公路的修建或者改造迫在眉睫,很多高速公路建成后服務(wù)期限不長(zhǎng),整體服務(wù)性能就下降,現(xiàn)在公路上還存在很多舊橋,這些舊橋梁由于當(dāng)初設(shè)計(jì)的荷載較低、養(yǎng)護(hù)不當(dāng)和嚴(yán)重超載等原因,逐漸成為地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和公路升級(jí)改造的棘手問(wèn)題。如果全部拆除重新建造性能更好的橋梁,將會(huì)浪費(fèi)巨大的資源和資金,同時(shí)會(huì)對(duì)自然環(huán)境造成二次傷害,不符合科學(xué)發(fā)展觀。相關(guān)專家學(xué)者及政府有關(guān)部門的實(shí)踐研究表明,對(duì)原有橋梁進(jìn)行拓寬和加固,形成的新橋梁不但可以提高通行能力、承載力、使用壽命,還可以充分利用原有的高速公路資源,降低成本,減輕對(duì)環(huán)境的污染,是一種合理科學(xué)的公路施工技術(shù),因此對(duì)其進(jìn)行深入研究就顯得尤為重要。

為研究橋梁拓寬技術(shù)在高速公路中的運(yùn)用,在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上[1-4],運(yùn)用有限元軟件ANSYS和Midas Civil結(jié)合實(shí)際工程案例對(duì)拓建的新橋梁整體性能進(jìn)行荷載試驗(yàn)研究,希望能夠?yàn)楦咚俟窐蛄旱耐貙捁こ烫峁﹨⒖肌?/p>

1 新建梁體抗震墩柱尺寸有限元模擬

僅從拓寬橋墩尺寸提高其承載能力方面,運(yùn)用有限元軟件對(duì)高速公路常見(jiàn)的簡(jiǎn)支空心板梁橋和簡(jiǎn)支裝配式T梁橋進(jìn)行有限元模型分析,探討地震波作用下拓寬后橋梁的穩(wěn)定性。

1.1 工程概況

選取華東地區(qū)某一高速公路中的T梁橋和空心板進(jìn)行模擬試驗(yàn)分析,此空心板橋梁既有的跨徑為13.5m,經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)和此路段車流量的評(píng)估,決定整座梁橋拓寬6.5m,采用C50混凝土作為梁體的主要材料,每一側(cè)增加3.25m,拓寬后的半幅橋梁橫截面示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 拓寬后空心板新橋橫斷面示意圖(單位:cm)

原來(lái)的簡(jiǎn)支T梁橋跨徑為26.5m,1#～5#為舊梁,然后再橋梁梁端都延長(zhǎng)3.25m,采用橫隔梁的結(jié)構(gòu)把5#梁和6#梁連接起來(lái),新橋梁的半幅橫斷面如圖2所示。

圖2 拓寬后T梁橋新橋橫斷面示意圖(單位:cm)

1.2 簡(jiǎn)支空心板梁橋性能模擬分析

運(yùn)用有限元軟件Midas Civil建立對(duì)應(yīng)的橋梁模型,在蓋梁和橋墩頂部之間用剛性連接,蓋梁和空心板之間用彈簧連接,橋墩底部進(jìn)行固結(jié),更科學(xué)有效地模擬真實(shí)橋梁性能。

利用有限元軟件,選擇Ritz向量法對(duì)舊橋梁和新橋梁的頻率和模態(tài)進(jìn)行模擬分析,具體如表1所示。

表1 加寬前后的頻率及模態(tài)對(duì)比

由表1可知,拓寬后的橋梁在第四和第五階段模態(tài)出現(xiàn)了橫向彎曲,說(shuō)明拓寬后的新橋梁比較容易出現(xiàn)橫向振動(dòng)。

選取1940年EI Centro Site 順橋向地面加速度時(shí)程,峰值為341.7cm/s2,原有橋梁橋墩的直徑為1.3m,試驗(yàn)時(shí)間約為54s,同時(shí)使用振型疊加法對(duì)相關(guān)抗震數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析。得到新舊蓋梁頂部的位移和新舊墩底彎矩大小比較結(jié)果,如表2所示。

表2 空心板梁橋的墩頂位移和墩底彎矩

從表2可以看出,在地震波的作用下,當(dāng)橋墩直徑逐漸變大,新舊橋蓋梁頂位移反而減少,同時(shí)新舊橋墩底拉應(yīng)力值也逐漸變小,且變化值不大,說(shuō)明橋梁上部結(jié)構(gòu)的附加內(nèi)力可以忽略不計(jì),可認(rèn)為加寬后橋梁整體的性能提升了,因此建議新增橋墩應(yīng)選擇和舊橋墩一樣的尺寸。

1.3 簡(jiǎn)支裝配式T梁橋性能模擬分析

運(yùn)用有限元軟件Midas Civil建立對(duì)應(yīng)的橋梁模型,在蓋梁和橋墩頂部之間用剛性連接,蓋梁和空心板之間用彈簧連接,橋墩底部進(jìn)行固結(jié)。

利用有限元軟件,選擇Ritz向量法對(duì)舊橋梁和新橋梁的頻率和模態(tài)進(jìn)行模擬分析,具體如表3所示。

表3 加寬前后的頻率及模態(tài)對(duì)比

由表3數(shù)據(jù)可知,由于橋墩較高,前面幾階振型主要為橋墩的振動(dòng);橋梁拓寬后,出現(xiàn)了橫向振動(dòng),主要是因?yàn)閷捒绫仍黾恿恕?/p>

選取1940年EI Centro Site 順橋向地面加速度時(shí)程,峰值為341.7cm/s2,原有橋梁橋墩的直徑為1.3m,試驗(yàn)時(shí)間約為54s,同時(shí)使用振型疊加法對(duì)相關(guān)抗震數(shù)據(jù)進(jìn)行研究分析。得到新舊蓋梁頂部的位移和新舊墩底彎矩大小比較結(jié)果,如表4所示。

表4 T梁橋的墩頂位移和墩底彎矩

表4對(duì)比了地震作用下新舊橋墩墩底彎矩的變化,可以得知,新建橋墩和舊橋墩尺寸相差很小的時(shí)候,此時(shí)新舊橋變形幾乎一致,可以認(rèn)為按照舊橋墩尺寸來(lái)新增橋墩的方案可行,可以滿足承載要求。

2 新建梁體剛度值分析

2.1 荷載橫向分布的均勻性系數(shù)

橫向分布影響線的均值和對(duì)應(yīng)最大值的比值成為荷載橫向分布均勻性系數(shù),一般用K來(lái)表示,擴(kuò)寬前后K值的變化用表示,K表示結(jié)構(gòu)整體性,對(duì)應(yīng)的K值越大說(shuō)明結(jié)構(gòu)整體性越好,ΔK越大,表示擴(kuò)寬后結(jié)構(gòu)整體性能越好[5-8]。

(1)

ΔK=K1-K2

(2)

其中,μ表示橫向分布影響線的均值;ηmax表示橫向分布影響線的最大值;K1表示未擴(kuò)寬時(shí)的橫向分布影響線均勻性系數(shù);K2表示擴(kuò)寬后橫向分布影響線均勻性系數(shù)。

2.2 T梁橋橫向分布系數(shù)計(jì)算

抗彎慣性矩用I表示,通過(guò)采用偏心壓力法來(lái)計(jì)算每片梁的荷載,對(duì)新建的五種梁體彎矩采用偏心壓力法來(lái)分析橫向荷載的變化,從而研究新舊梁體抗彎慣性矩和梁體所受荷載之間的相互關(guān)系,具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 單位荷載作用于5#梁時(shí)各梁的荷載分配情況

從表5可以得到,在橋梁拓寬以后, 各主梁的橫向分布系數(shù)和舊梁相比都比較低,說(shuō)明拓寬以后新橋墩吸收了一部分荷載,和實(shí)際情況相符合。當(dāng)新舊梁剛度比為0.7時(shí),對(duì)應(yīng)的K值和ΔK值最大,說(shuō)明新橋的結(jié)構(gòu)性能變好。

2.3 空心板橋橫向分布系數(shù)計(jì)算

抗彎慣性矩用I表示,通過(guò)采用偏心壓力法來(lái)計(jì)算每片梁的荷載,對(duì)新建的五種梁體彎矩采用偏心壓力法來(lái)分析橫向荷載的變化,從而研究新舊梁體抗彎慣性矩和梁體所受荷載之間的相互關(guān)系,具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 單位荷載作用于 12#梁時(shí)各梁的荷載分配情況

從表6分析可知,橋梁拓寬以后的新橋各主梁的承受的荷載都比舊梁的數(shù)值小,主要原因是新增后的橋墩起到承擔(dān)荷載的作用,和實(shí)際情況相符合。當(dāng)新舊梁剛度比為1.2時(shí),對(duì)應(yīng)的K值和ΔK值最大,整體橋梁的穩(wěn)定性增強(qiáng)。

3 工程案例分析

以滬杭高速公路拓寬T梁橋加寬工程為試驗(yàn)案例,選取某一橋梁進(jìn)行實(shí)橋荷載試驗(yàn),同時(shí)運(yùn)用有限元軟件來(lái)驗(yàn)證拓寬后橋梁整體性能,采用研究的成果進(jìn)行橋梁拓寬,新橋墩采用和舊橋墩一樣的尺寸,同時(shí)新梁體剛度比控制在0.7～1.2之間。

按照彎矩等效原則通過(guò)有限元軟件的模擬提出最終加載車輛的荷載為350kN,車輛數(shù)量為四輛,加載車的軸距和軸重見(jiàn)圖3。

圖3 加載汽車軸重、軸距圖(單位:cm)

采用脈動(dòng)試驗(yàn)來(lái)收集橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率,通過(guò)傳感器收集到的時(shí)程曲線圖見(jiàn)圖4,平均譜見(jiàn)圖5。

圖4 脈動(dòng)試驗(yàn)時(shí)程曲線圖

圖5 平均譜分析圖

橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)時(shí)程曲線和動(dòng)撓度可以通過(guò)跑車動(dòng)載試驗(yàn)收集得到,進(jìn)而得到?jīng)_擊系數(shù)。由于實(shí)驗(yàn)條件限制,分別以車速20km/h和40km/h的速度來(lái)進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn),最終收集到試驗(yàn)橋梁的振動(dòng)響應(yīng)。具體的時(shí)程曲線見(jiàn)圖6和圖7。

圖6 20km/h 跑車速度時(shí)程曲線圖

圖7 40km/h 跑車速度時(shí)程曲線圖

由圖4～圖7可知,通過(guò)有限元模型模擬得到該試驗(yàn)橋的理論頻率為2.7Hz,而實(shí)際測(cè)到的頻率為3.5Hz,實(shí)測(cè)頻率值大于模型理論值,說(shuō)明拓寬橋梁后的整體動(dòng)力性能和梁橋動(dòng)剛度能夠滿足要求。

4 結(jié)論

為研究橋梁拓寬技術(shù)在高速公路中的運(yùn)用,運(yùn)用有限元軟件ANSYS和Midas Civil結(jié)合實(shí)際工程案例對(duì)拓建的新橋梁整體性能進(jìn)行荷載試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明:各主梁的橫向分布系數(shù)不論是在裝配式T梁橋還是空心板梁橋中都比舊橋梁低,在外界荷載和其他環(huán)境因素不變的情況下,梁體的剛度和其承受荷載的能力成正比,橋梁的整體性能更好;橋梁拓寬后,寬跨比增加,為避免出現(xiàn)橫橋向的振動(dòng),應(yīng)當(dāng)在結(jié)構(gòu)承受力允許的情況下,將新舊梁剛度比控制在0.7～1.2,新橋梁橋墩尺寸應(yīng)該盡量和舊橋梁橋墩尺寸接近甚至一致。