肖治華， 咼于平， 江 偉， 梁亞蘭

(1.中國一冶集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430080；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)

空心板橋拓寬對荷載橫向分布的影響研究

肖治華1， 咼于平1， 江 偉1， 梁亞蘭2

(1.中國一冶集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430080；2.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063)

為了研究橋梁拓寬對舊橋的受力性能的影響,以工程實(shí)例為背景，借助有限元軟件對橋梁拓寬結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，主要對為空心板橋鉸接拓寬前后老橋主梁橫向分布系數(shù)的變化展開詳盡的研究，以及更深入地探討了拓寬新橋主梁數(shù)量對老橋橫向分布影響的差異，并歸納總結(jié)其中規(guī)律。研究表明：橋梁通過鉸接形式拓寬后，在設(shè)計(jì)荷載與原來的情況下，老橋的受力變得更加合理，其每片主梁的受力減小而且更趨向于均勻，其設(shè)計(jì)荷載可以滿足拓寬后的荷載要求。另一方面，新舊橋的橫向分布系數(shù)隨加寬新橋主梁的片數(shù)的變化而變化；新橋主梁數(shù)量越多，新橋和舊橋的橫向分布系數(shù)越小。由此表明，通過鉸接縫的荷載傳遞作用，新橋和舊橋所承擔(dān)的荷載均減小。

空心板梁；舊橋拓寬；橫向分布；主梁數(shù)量；影響

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，交通運(yùn)輸行業(yè)呈現(xiàn)出發(fā)展的勢頭，因此對道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要提出更高的要求。另一方面，不少地方公路橋梁由于建設(shè)時(shí)間較早，橋面設(shè)計(jì)寬度過小，無法滿足當(dāng)前交通運(yùn)輸發(fā)展的需要，應(yīng)運(yùn)而生的舊橋拓寬改造成為解決當(dāng)前道路運(yùn)輸瓶頸的的重要途徑，所以舊橋的拓寬改造的理論技術(shù)顯得日趨重要。但是舊橋拓寬涉及到舊橋邊梁受力結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)化的問題，拓寬前后舊橋主梁受力情況也會隨之改變。正因?yàn)槿绱耍疚闹攸c(diǎn)探究了拓寬前后舊橋主梁橫向分布系數(shù)的變化規(guī)律，以及新橋主梁片數(shù)對舊橋橫向分布系數(shù)的影響差異研究。

目前，國內(nèi)外對新舊橋梁拓寬銜接的研究也愈來愈多，其中以拓寬方式和連接剛度對橫向分布系數(shù)的影響研究居多。文獻(xiàn)[1]表明，新舊橋梁連接處剛度越大，荷載橫向傳遞越充分，因而橫向分布系數(shù)越小[2]。在三種拓寬連接方式(剛性連接、半剛性連接、柔性連接)中，當(dāng)屬剛性連接荷載橫向傳遞更充分，橫向分布系數(shù)更小，半剛性次之，柔性連接對荷載橫向分布無影響[3]。文獻(xiàn)[4]通過理論計(jì)算分析了橋梁拓寬對老橋的邊梁及中梁的影響。文獻(xiàn)[5]指出，在新梁剛度相同時(shí)，對稱拓寬形式下老梁的橫向分布系數(shù)比單側(cè)拓寬的小[6]，且兩者的差值隨新梁剛度的增加而逐漸增大，因此對稱雙側(cè)拓寬方式在活載受力上更好地保護(hù)原有橋梁[7]。文獻(xiàn)[8]進(jìn)行了鉸接形式下橫向分布系數(shù)的實(shí)測值和理論值的對比研究。盡管業(yè)內(nèi)對拓寬橋梁橫向分布的研究如此之多，但是對新橋主梁片數(shù)之于荷載橫向分布系數(shù)的影響研究好像鮮有涉獵。本文以某拓寬空心板橋?yàn)楸尘?，重點(diǎn)探究了拓寬前后舊橋主梁橫向分布系數(shù)的變化規(guī)律，以及新橋主梁片數(shù)對舊橋橫向分布系數(shù)的影響差異，對老橋拓寬加固提供技術(shù)支持，并對類似橋梁拓寬改造設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

1 工程概況

某橋段為高速出口接入三環(huán)線的環(huán)形匝道的一部分，因而需對三環(huán)線高架橋(老橋)接口處進(jìn)行拓寬處理，稱為新舊橋綁寬段。既有橋梁均為簡支結(jié)構(gòu)，共11跨，單跨跨徑為25 m,孔跨布置為11×25 m。上部結(jié)構(gòu)為帶牛腿的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，橋墩采用雙柱式橋墩，帽梁為帶牛腿的隱帽梁，基礎(chǔ)為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。需拓寬的是前11孔，結(jié)構(gòu)形式依舊為簡支梁，孔跨布置與老橋一致，也為11×25 m。

老橋全橋由12塊預(yù)應(yīng)力混凝土空心板組成，全橋橋面凈寬為13.75 m,兩邊欄桿分別為0.5 m寬，空心板上現(xiàn)澆10 cm混凝土，設(shè)置防水層，最后鋪上9 cm厚的瀝青混凝土鋪裝層,如圖1所示。新橋橋面凈寬為3.5 m,外側(cè)欄桿0.5 m，其橋面鋪裝與老橋的相同，但是新橋在不同的孔跨位置處預(yù)應(yīng)力混凝土空心板塊數(shù)有所變化，為了研究拓寬橋梁片數(shù)對橫向分布的影響，故取第1跨和第11跨為例對本文的課題進(jìn)行研究，第1跨拼寬4片空心板梁，第11跨拼寬6片空心板梁，如圖2和圖3所示。新橋與老橋的連接方法為：在舊橋的基礎(chǔ)上，敲掉其與新橋鄰近一端邊主梁的欄桿和部分懸臂(本項(xiàng)目中敲去一半的懸臂長度，即原懸臂長度為0.62 m,拓寬連接時(shí)敲掉0.31 m)，新橋建成后先不與老橋進(jìn)行連接處理，對其做超載預(yù)壓施工，使之加快沉降的速度，待新橋基本沉降穩(wěn)定之后分別在新舊橋連接處植筋，并現(xiàn)澆混凝土進(jìn)行接縫處理。接縫處理完之后，對全橋澆筑橋面鋪裝層，使新橋與老橋成為一個(gè)整體，提高橋面的美觀性以及行車的平順性和舒適性。

圖1 老橋橫向布置圖

圖2 老橋+4片主梁新橋橫向布置圖

圖3 老橋+6片主梁新橋橫向布置圖

2 計(jì)算方法

橋梁荷載橫向分布的規(guī)律與結(jié)構(gòu)的橫向連接剛度有著十分密切關(guān)系，橫向連接剛度越大，荷載橫向分布作用越明顯，各主梁的負(fù)擔(dān)也越趨均勻。

在實(shí)踐中，由于施工特點(diǎn)、構(gòu)造設(shè)計(jì)等的不同，鋼筋混凝土或者預(yù)應(yīng)力混凝土梁式橋上可能采用不同類型的橫向結(jié)構(gòu)。因此，為使荷載橫向分布的計(jì)算能更好地適應(yīng)各種類型的結(jié)構(gòu)特性，就需要按不同的橫向結(jié)構(gòu)簡化計(jì)算模型擬定出相應(yīng)的計(jì)算方法。

對于用現(xiàn)澆混凝土縱向企口縫連接的裝配式板橋，以及僅在翼緣板間用焊接鋼板或者伸出交叉鋼筋連接的無中間橫隔梁的裝配式橋，由于塊件間橫向具有一定的連接構(gòu)造，但其橫向連接又很薄弱，因此對于跨中荷載橫向分布的計(jì)算，偏心壓力法不再適用。鑒于這類結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)實(shí)際接近于數(shù)根并列而相互間橫向鉸接的狹長的(梁)，故對此需采用橫向鉸接(梁)理論來計(jì)算荷載的橫向分布。

對于本次拼接項(xiàng)目，由于兩橋間的接縫采用植筋并現(xiàn)澆濕接縫的方法連接，故該接縫也可近似為鉸接處理。由于本次項(xiàng)目只研究舊橋及拼寬橋跨中橫向分布系數(shù)，故只需采用鉸接板法計(jì)算即可。雖然此橋是最簡單的單跨25 m簡支空心梁板，通過手工計(jì)算其橫向分布系數(shù)和內(nèi)力等十分簡單，但是老橋橋面由12片空心板組成，橋梁規(guī)范只提供了十片鉸接梁查表的數(shù)據(jù)，因此需要借助電算程序(如橋梁博士)來計(jì)算各片主梁的橫向分布系數(shù)。

為了研究新橋拓寬主梁片數(shù)對荷載橫向分布系數(shù)的影響，顯然僅僅根據(jù)實(shí)際實(shí)況中的拓寬4片主梁或者6片主梁的計(jì)算數(shù)據(jù)是不充分的，因此本文在工程實(shí)際的基礎(chǔ)上，新增拓寬8片、10片和12片主梁的施工工況作為補(bǔ)充，來更加充分地探討新橋主梁片數(shù)所帶來的影響，通過對6種工況下計(jì)算所得的6組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析歸納，總結(jié)其中的規(guī)律，對老橋拓寬加固提供技術(shù)支持，并對類似橋梁拓寬改造設(shè)計(jì)具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

由于只需計(jì)算橋梁跨中部位的彎矩，故可運(yùn)用橋梁博士橫向分布設(shè)計(jì)模塊中的鉸接板法來計(jì)算各跨梁拓寬前后的橫向分布系數(shù)變化。

如圖4，為老橋左右邊板尺寸，圖5為老橋中梁及新橋主梁空心板尺寸，由以上空心板截面尺寸可算得橫向分布系數(shù)計(jì)算參數(shù)表，如表1所列。

圖4 老橋左右邊板尺寸

圖5 老橋中梁及新橋主梁空心板尺寸

表1 橫向分布系數(shù)計(jì)算參數(shù)表

表2列舉出了6種施工工況下的所需計(jì)算的內(nèi)容，根據(jù)這6種不同施工工況分別借助橋梁博士軟件運(yùn)用鉸接板法來計(jì)算，表3則給出了程序計(jì)算結(jié)果，為新舊橋拓寬前后橫向分布系數(shù)變化對比表。為使表3中的計(jì)算數(shù)據(jù)更加直觀，易于總結(jié)和分析拓寬前后橫向分布的變化規(guī)律，故將表3中的數(shù)據(jù)以兩個(gè)圖表的形式呈現(xiàn)出來，分別是圖6(老橋拓寬前后橫向分布變化對比圖)和圖7(新橋拓寬后新橋橫向分布變化對比圖)。

表2 計(jì)算工況匯總表

表3 新舊橋拓寬前后橫向分布系數(shù)變化表

圖6 老橋拓寬前后橫向分布變化對比圖

圖7 新橋拓寬后橫向分布變化對比圖

分析表3中的計(jì)算數(shù)據(jù)以及圖6和圖7中圖標(biāo)曲線，可以得出下列結(jié)論：

(1) 由圖6可知：通過鉸接形式拓寬后，老橋每片主梁的荷載橫向分布系數(shù)均有所下降，由此說明以鉸接方式拓寬的空心板橋加寬后老橋的受力更小，這樣老橋主梁便有更多的安全儲備，因此橋梁拓寬工程中以鉸接方式拓寬時(shí)，在設(shè)計(jì)荷載不增加的情況下，老橋的設(shè)計(jì)荷載可以滿足拓寬后的荷載要求。不需要對其進(jìn)行加固處理，或者只需要對其拓寬端邊梁增設(shè)構(gòu)造鋼筋即可。

(2) 由圖6和圖7均可以看出，新橋加寬主梁片數(shù)對橫向分布系數(shù)變化的影響不容忽視。加寬新橋主梁的片數(shù)越多，老橋各片主梁的荷載橫向分布系數(shù)愈小，新橋的橫向分布系數(shù)也隨著主梁片數(shù)的增多而減小。說明加寬的新橋主梁片數(shù)越多，鉸接縫的傳遞作用更加明顯，新橋和老橋承擔(dān)的荷載均減小。

(3) 從圖6中的橫向分布曲線不難看出，相比于拓寬前舊橋的橫向分布系數(shù)曲線，拓寬后老橋的橫向分布曲線整體向下平移，而且線形變得更加平緩，表示舊橋拓寬使得荷載橫向分布更加均勻，即每片主梁的受力相對比較平均，有利于空心板主梁的裝配式生產(chǎn)，而且使得橋梁結(jié)構(gòu)整體工作性能有所改善。

4 結(jié)束語

舊橋拓寬改造工程中，新舊橋梁的連接對各梁的受力存在一定的影響。為了詳盡的研究其中的聯(lián)系和影響，本文以武漢竹葉海立交橋的拓寬改造工程為背景，借助橋梁博士有限元軟件和通過荷載傳遞規(guī)律進(jìn)行分析。研究發(fā)現(xiàn)，空心板橋梁的鉸接拓寬改造，使原橋各舊梁的荷載橫向分布系數(shù)均得到減小，有利于舊梁承載能力的提高，提高了橋梁整體的安全荷載等級；同時(shí)舊橋各梁的橫向分布分配得更加均勻，每片主梁的受力相對比較平均，有利于空心板主梁的裝配式生產(chǎn)，使得橋梁結(jié)構(gòu)整體工作性能有所改善；而且研究表明，新舊橋的橫向分布系數(shù)隨加寬新橋主梁的片數(shù)的變化而變化；新橋主梁數(shù)量越多，新橋和舊橋的橫向分布系數(shù)越小。因此，在橋梁鉸接拓寬改造工程中，如果外界條件允許的條件下，可以適當(dāng)?shù)卦黾有聵蛑髁旱钠瑪?shù)，有利于橋梁承載能力的提高，優(yōu)化舊橋的受力體系。

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2016-10-22；修改日期：2016-10-26

肖治華(1977-)，男，湖北咸寧人，中國一冶集團(tuán)有限公司工程師．

U445.6；U448.212

A

1673-5781(2016)05-0592-04