郭 森, 孟凡鎮(zhèn), 孟園英

(1. 長安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064; 2. 深圳高速工程顧問有限公司, 廣東 深圳 518049)

近年來,隨著我國交通量的劇增、交通組成的不斷改變,相繼出現(xiàn)了大量的舊橋改擴(kuò)建工程.工程實(shí)踐中,在滬寧高速、廣佛高速等公路橋梁的改擴(kuò)建工程中積累了大量寶貴的設(shè)計(jì)、施工經(jīng)驗(yàn)[1-2].在新舊橋梁拼接方式、混凝土收縮徐變的長期效應(yīng)、新舊橋梁基礎(chǔ)不均勻沉降等方面進(jìn)行了積極的研究與探索.

潘秀艷[3]計(jì)算分析了新舊橋梁板寬不同時(shí)載荷橫向分布的計(jì)算方法,優(yōu)化了新舊橋梁拓寬的拼接方式;徐志強(qiáng)[4]采用梁格法計(jì)算分析了拓寬后T梁橋在車輛載荷作用下的內(nèi)力變化規(guī)律.研究結(jié)果表明,為減少對舊橋的加固,減小舊梁的內(nèi)力,應(yīng)增加新梁的剛度,這樣可以提高拼接的效率.周寶標(biāo)等[5]通過對比分析鉸接、剛接等拼接方式的優(yōu)缺點(diǎn),得出采用鉸接方式拼接對連續(xù)箱梁橋結(jié)構(gòu)受力最有利.

綜上可知,改擴(kuò)建工程項(xiàng)目中橋梁的拼接方式、拼接時(shí)間、橫向拼接構(gòu)造、施工工藝等因素對新舊橋梁的拼接質(zhì)量及后期運(yùn)營效果影響較大.本文分別以簡支空心板橋、簡支T梁橋?yàn)檠芯繉ο?利用載荷橫向傳遞規(guī)律,對不同拼接方式下的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算分析,對其載荷橫向分布規(guī)律進(jìn)行研究,進(jìn)而對拓寬后新舊橋梁的力學(xué)性能進(jìn)行研究分析.

1 工程概況

本文分別以依托工程的10 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支空心板橋和20 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橋?yàn)槔?對拼寬后載荷橫向分布系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,分析載荷橫向分布規(guī)律.依托工程中典型橋梁舊橋和新橋中梁、邊梁截面尺寸、原橋橫截面布置圖,以及拓寬后橋梁橫截面布置如圖1、圖2所示.

圖1 空心板橋截面及拓寬前后橋梁橫截面布置圖(單位:cm)Fig.1 Layout of cross section of hollow slab bridge and bridge before and after widening (Unit: cm)(a)—舊橋截面尺寸圖; (b)—新橋截面尺寸圖; (c)—拓寬前舊橋橫截面布置圖; (d)—拓寬后橋梁橫截面布置圖.

圖2 簡支T梁橋截面及拓寬前后橋梁橫截面布置圖(單位:cm)Fig.2 Arrangement of cross-section of simple T-beam bridge and bridge before and after widening (Unit: cm)(a)—舊橋截面尺寸圖; (b)—新橋截面尺寸圖;(c)—拓寬前舊橋橫截面布置圖; (d)—拓寬后橋梁橫截面布置圖.

2 有限元模型的建立

采用MIDAS/Civil有限元分析軟件,根據(jù)實(shí)際依托工程分別建立不同跨徑空心板橋、T梁橋空間梁格模型,新舊橋梁之間按照鉸接、半剛接、剛接、剛接+橫隔梁幾種拓寬方式建立模型,其中不考慮舊橋混凝土的收縮徐變效應(yīng).原橋載荷等級為汽車-超20、掛車-120,拓寬后橋梁載荷等級為公路-Ⅰ級[6-7].在空間梁格模型中,主梁為縱向單元,在橫橋向采用虛擬橫梁將各主梁拼接成整體.其中,虛擬橫梁只計(jì)入剛度,忽略重量.依托工程計(jì)算模型如圖3所示.

圖3 有限元計(jì)算模型示意圖Fig.3 Schematic diagram of finite element calculation model(a)—新舊空心板梁; (b)—新舊T梁.

3 不同拼接方式下橋梁的載荷橫向分布系數(shù)計(jì)算與比較

橋梁結(jié)構(gòu)受力性能受結(jié)構(gòu)形式、材料、截面尺寸影響,新舊橋梁拓寬形式確定后,單片梁的載荷橫向分布系數(shù)越小,該結(jié)構(gòu)的通行能力越高[8].拓寬后橋梁結(jié)構(gòu)中,新橋分擔(dān)了部分舊橋所承擔(dān)的載荷.因此,舊橋各梁的載荷橫向分布系數(shù)將減小.

3.1 不同拼接方式的載荷橫向分布系數(shù)的計(jì)算

通過Dr.Bridge結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件,分別對拓寬前舊橋采用鉸接拓寬、剛接拓寬方式,在汽車載荷作用下的橋梁模型進(jìn)行計(jì)算分析,可以得出舊橋拓寬前后各主梁的影響線,進(jìn)而計(jì)算求得各片主梁的載荷橫向分布系數(shù)[9],見表1、表2.

表1 汽車載荷作用下不同拼接方式10 m空心板

表2 汽車載荷作用下不同拼接方式20 m簡支

3.2 不同拼接方式的載荷橫向分布系數(shù)的比較

根據(jù)舊橋拓寬所采用的不同拼接方式,基于有限元分析得到拼寬前后橋梁載荷橫向分布系數(shù),將計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析后繪制圖4.

圖4 載荷橫向分布系數(shù)對比圖

由表1、表2及圖4可知,采用不同拼接方式拓寬后,與拓寬前舊橋各主梁載荷橫向分布系數(shù)相比,10 m簡支空心板橋舊橋各主梁的載荷橫向分布系數(shù)均明顯減小,簡支T梁橋1#梁、2#梁載荷橫向分布系數(shù)與舊橋相差很小,拼接縫側(cè)4#梁、5#梁的載荷橫向分布系數(shù)明顯小于舊橋主梁載荷橫向分布系數(shù).拓寬后橋梁結(jié)構(gòu)的載荷由新、舊橋兩部分共同承擔(dān).這樣,舊橋主梁所承擔(dān)的載荷減小了.因此,無論采取何種拼接方式對舊橋進(jìn)行拓寬都可以改善橋梁的整體受力性能,明顯提高結(jié)構(gòu)的承載能力.

由圖4a、圖4c可知,拓寬后的簡支空心板橋、簡支T梁橋各主梁的載荷橫向分布系數(shù)從外邊梁1#梁向接縫處邊梁11#梁、5#梁逐漸減小.表明不同的拼接方式對拼接縫側(cè)舊橋邊梁影響最大,對遠(yuǎn)離拼接縫的舊橋主梁影響很小.

從圖4b可以得出,不同的拼接方式對簡支空心板橋各主梁的載荷橫向分布系數(shù)影響不大.由表1可知,剛接方式下簡支空心板橋拼接縫側(cè)舊橋邊梁載荷橫向分布系數(shù)略小于鉸接方式下的載荷橫向分布系數(shù).不論采取何種拼接方式,簡支空心板橋新橋主梁的載荷橫向分布系數(shù)要遠(yuǎn)大于舊橋各主梁的載荷橫向分布系數(shù),這主要是由于新橋主梁截面形式與舊橋不同,主梁截面的整體剛度更大.由圖4d可以看出,剛接方式下,T梁橋遠(yuǎn)離拼接縫處的外邊梁載荷橫向分布系數(shù)相差不大,靠近拼接縫側(cè)新舊主梁的載荷橫向分布系數(shù)明顯小于鉸接方式下的載荷橫向分布系數(shù).這說明對于簡支T梁橋而言,不同的拼接方式對遠(yuǎn)離拼接縫的邊梁影響較小,而對拼接縫側(cè)邊梁影響較大.

4 結(jié) 論

本文分別以簡支空心板橋、簡支T梁橋?yàn)槔?討論了不同拼接方式對拓寬橋梁結(jié)構(gòu)受力性能的影響.利用載荷橫向傳遞方法,對拓寬前后橋梁的載荷橫向分布系數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析.得出如下結(jié)論:

(1) 對于10 m簡支空心板橋舊橋而言,拓寬后各主梁的載荷橫向分布系數(shù)明顯減小.

(2) 對20 m簡支T梁橋,拓寬后1#梁、2#梁橫向分布系數(shù)變化不大,拼接縫側(cè)4#梁、5#梁載荷橫向分布系數(shù)均明顯減小.表明拓寬后橋梁結(jié)構(gòu)的載荷由新舊橋共同承擔(dān).

(3) 針對鉸接、剛接2種拼接方式,空心板橋剛接方式載荷橫向分布系數(shù)略小于鉸接載荷橫向分布系數(shù).對簡支T梁橋,拼接縫側(cè)主梁剛接方式載荷橫向分布系數(shù)小于鉸接方式下的載荷橫向分布系數(shù).因此,在簡支空心板橋、簡支T梁橋拓寬工程中,采用剛接方式更有利于橋梁結(jié)構(gòu)整體的受力.

參考文獻(xiàn):

[1] 孫文智,金愛國,肖質(zhì)江,等. 高速公路拓寬施工中有關(guān)技術(shù)問題的探討[J]. 遼寧交通科技, 2005(8):17-20.

SUN W Z,JIN A G,XIAO Z J,et al. Discussion on technical problems in highway widening construction[J].Liaoning Communications Science and Technology, 2005(8):17-20.

[2] 梁志廣,王萍,王甲辰,等. 廣佛高速公路橋梁新舊結(jié)構(gòu)連接方式[J]. 中國市政工程, 2006(1):30-31.

LIANG Z G,WANG P,WANG J C,et al. Guangfo Expressway Bridge old and new structure splicing[J]. China Municipal Engineering, 2006(1):30-31.

[3] 潘秀艷. 裝配式板橋加寬的研究[D]. 沈陽:東北大學(xué), 2002.

PAN X Y. Research on the widening of prefabricated slab bridge[D]. Shenyang: Northeastern University, 2002.

[4] 徐志強(qiáng). 公路T梁橋拓寬拼接技術(shù)研究[D]. 南京:東南大學(xué), 2005.

XU Z Q. Widening of T girder bridge splicing technology[D]. Nanjing: Southeast University, 2005.

[5] 周寶標(biāo),彭可清. 謝邊立交主線擴(kuò)建新舊橋縱向拼接施工[J]. 廣東公路交通, 2003(2):54-55.

ZHOU B B,PENG K Q. Exploration of longitudinal splicing of old and new bridge in Xiebian Interchange[J]. Guangdong Highway Communications, 2003(2):54-55.

[6] 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范:JTJ 021—89[S]. 北京:人民交通出版社, 1989.

Common specifications for highway bridges and culverts design: JTJ 021-89[S]. Beijing: China Communications Press, 1989.

[7] 交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院. 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范:JTG D60—2015[S]. 北京:人民交通出版社, 2015.

Highway Planning and Design Instituteof Ministry of Communications. Common specifications for highway bridges and culverts design: JTG D60-2015[S]. Beijing: China Communications Press, 2015.

[8] 高小妮. 拓寬后橋梁結(jié)構(gòu)相互作用分析[D]. 西安:長安大學(xué), 2009.

GAO X N. Bridge structure after broadening interaction analysis[D]. Xi’an: Chang’an University, 2009.

[9] 范立礎(chǔ). 橋梁工程(上冊)[M]. 北京:人民交通出版社, 2012:225-252,440-456.

FAN L C. Bridge engineering (Volume 1)[M]. Beijing: China Communications Press, 2012:225-252,440-456.