張麗芳 王瑩 雷英鴿

(1.南京航空航天大學(xué) 210016; 2.西安公路研究院 710054)

引言

基于交通量、經(jīng)濟、可持續(xù)發(fā)展等因素的考慮,我國二十世紀修建的高速公路絕大部分都是雙向四車道高速公路,一些低等級的公路是雙向兩車道。近年來,我國經(jīng)濟的發(fā)展促使公路交通量持續(xù)增加,經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的許多高速公路已無法滿足當前的交通需求,需要對其進行拓寬改建以提高服務(wù)水平。

橋梁拓寬中在新舊橋連接的情況下,新增的梁(板)勢必會對舊橋受力產(chǎn)生影響,且舊橋是按舊規(guī)范建設(shè),設(shè)計標準與新標準不同,橋梁拓寬改建的同時往往面臨提載的問題,這就對舊橋的承載能力有了更高的要求,所以在橋梁拓寬設(shè)計中舊橋的受力狀態(tài)也是人們一直關(guān)注的重點,且就此問題進行了一系列的理論和實踐研究。如Junichiro Niwa 通過9 個試件試驗,研究橫向預(yù)應(yīng)力水平、鋼筋連接方式、配筋率、連接面粗糙度等參數(shù)對新、舊板連接界面剪切性能的影響[1]。Kenneth 分析了通過加斜向支撐的方式拓寬橋梁的橫向受力狀況[2]。Y.H.Chai 通過實橋測試了拓寬橋梁的變形,從而為決策開放交通的時間提供參考[3]。Qing-Jie Wen 研究了預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋拓寬中收縮徐變引起的長期效應(yīng)[4]。趙寶俊等研究了鉸接和剛接情況下空心板橋拓寬后橫向分布系數(shù)的變化[5],發(fā)現(xiàn)其均小于拓寬前舊橋主梁的橫向分布系數(shù); 并模擬了不同剛度接縫拓寬后橋梁內(nèi)力和撓度的變化,舊橋的恒活載內(nèi)力和撓度均降低,拼接剛度越大,降低越多。孟江等研究了10m、13m、16m、20m 簡支空心板橋不同連接方式拓寬及不同剛度接縫的影響[6,7]。崔亭亭研究了16m 板、20m 箱梁和30m T 梁拓寬前后的橫向分布系數(shù)[7]。這些研究表明,拓寬使得舊梁(板)橫向分布系數(shù)有不同程度降低,其受拓寬連接方式的影響。

在我國運營的中小跨徑橋梁中,空心板橋數(shù)量龐大,空心板橋拓寬連接的構(gòu)造主要是濕接縫連接,接縫的連接方式及強度對荷載的橫向分布及主梁內(nèi)力產(chǎn)生較大影響。空心板橋拓寬前后橫向分布系數(shù)的變化已有不少研究[5-7],但綜合考慮橫向分布系數(shù)變化及提載的分析甚少,卻更具有實用意義。本文以某高速公路拓寬工程為背景,選取一批有代表性的空心板橋開展拓寬分析,研究不同跨徑舊橋拓寬后橫向分布系數(shù)的變化,并綜合考慮荷載等級變化引起的空心板活載內(nèi)力。

1 工程概況

1.1 空心板橋拓寬概況

本文以某高速公路拓寬工程中空心板橋梁拓寬改建為背景。該高速公路原為雙幅分離式,原單幅面寬0.5m(邊護欄) +11m(行車道) +1m(中護欄),本次拓寬改造在現(xiàn)有26m 寬雙向四車道的基礎(chǔ)上左右兩側(cè)各拼寬7.75m,成為寬度為41.5m 的雙向八車道。該路段上涉及了跨徑6m、8m、10m、13m 及16m 的空心板橋梁,原橋邊板均無懸挑。拼寬時跨徑10m、13m、16m的橋拓寬部分新增7 片單孔空心板(邊板寬1.375m,中板寬1m),外側(cè)邊梁懸挑37.5cm,拼寬部位與老橋留37.5cm 的現(xiàn)澆接縫。10m/13m/16m 空心板橋的拓寬橫斷面如圖1 所示?？鐝?m 和8m 的橋拼接構(gòu)造與10m/13m/16m 的橋相似,拓寬部分新增6 片雙孔空心板(邊板寬1.375m,中板寬1.25m),外側(cè)邊梁懸挑為27.5cm,拼寬部位與老橋留27.5cm 的現(xiàn)澆接縫。

1.2 拓寬接縫構(gòu)造

拓寬改造時拆除原橋護欄,鑿除部分現(xiàn)有的橋面鋪裝,在舊橋邊板側(cè)面用M10螺栓錨固80mm×10mm 的鋼板并粘貼環(huán)氧樹脂粘膠,然后設(shè)置連接鋼筋,連接鋼筋在舊橋側(cè)與該鋼板焊接,在新橋側(cè)則預(yù)埋入預(yù)制的新空心板,形成如圖2 的接縫形式(6m、8m橋的接縫構(gòu)造為圖2 中的接縫寬37.5cm 變?yōu)?7.5cm,其他構(gòu)造不變),圖中斜線填充部分為鋼纖維混凝土,以增強連接剛度及韌性。環(huán)氧樹脂粘膠接觸的混凝土面必須鑿平整并清除浮混凝土和吹干,與鋼纖維混凝土接觸的混凝土面必須鑿毛清除浮混凝土浮塵及雜物,充分濕潤后澆筑鋼纖維混凝土。拼寬橋在外側(cè)填筑鋼纖維混凝土開始到其達到設(shè)計要求強度前,僅開放靠近中央分隔帶側(cè)一個車道通車,且拼接處兩側(cè)空心板需用型鋼進行臨時連接,以使拼接處混凝土澆筑前,新老空心板的豎向撓度協(xié)調(diào)。

圖1 10m/13m/16m 空心板橋拓寬橫斷面示意(單位： cm)Fig.1 The widened section of hollow core slab bridges with 10m/13m/16m span(unit: cm)

圖2 10m/13m/16m 橋新老空心板間縱向連接構(gòu)造(單位： cm)Fig.2 Longitudinal joint of the new and original hollow in slabs with 10m/13m/16m span(unit: cm)

2 拓寬改造分析

2.1 基本參數(shù)及空心板截面特性

舊橋依據(jù)1989 版公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[8],采用的設(shè)計荷載標準為汽車-超20 級,而拓寬后采用2004 版通用規(guī)范[9],設(shè)計汽車荷載為公路I 級,考慮到2015 版公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[10]對汽車荷載的規(guī)定有所變化,故本文也考慮了這一變化的影響。新舊橋空心板均采用C40混凝土。

對跨徑6m、8m、10m、13m、16m 的正交空心板橋拓寬前后各片板的橫向分布系數(shù)進行計算。各跨徑采用的空心板梁截面特征如表1 所示。

表1 板的截面特性Tab.1 The cross section attributes of slabs

2.2 空心板橫向分布系數(shù)計算

按公路橋涵設(shè)計手冊的橫向分布系數(shù)計算方法,根據(jù)空心板橋橫向連接特點,采用鉸接板法計算,其中拼寬處接縫按剛接考慮,其他板間接縫均按鉸接計算,拓寬前后結(jié)果示于圖3。圖中,舊橋板編號為1 ～12,新增板編號為1+～6+(6m/8m 跨、1+～7+(10m/13m/16m 跨),接縫為1 號板和1+號板相接處。舊板編號越小越靠近拼接縫。

圖3 拓寬前后橫向分布系數(shù)對比Fig.3 Transverse distribution factors of hollow core slab bridges with 6m/8m before and after widening

由圖3a 可見拓寬后新增部分板的橫向分布系數(shù)較原橋板的橫向分布系數(shù)大; 拓寬后靠拼接縫處半幅舊橋板的橫向分布系數(shù)普遍比原來減小,遠離拼接側(cè)的板無顯明變化,說明拓寬對拼接側(cè)板起到卸載作用。

由圖3b 可見拓寬后新增邊板的橫向分布系數(shù)較原橋邊板大,中板的橫向分布系數(shù)與原橋的相比變化不明顯; 拓寬后靠拼接側(cè)舊橋的一半空心板橫向分布系數(shù)均有明顯降低,另一半則變化甚小。

由拓寬前后舊板的橫向分布系數(shù)可得到橫向分布系數(shù)變化比:

式中:mo為拓寬前舊橋各板的橫向分布系數(shù);mw為拓寬后舊橋各板的橫向分布系數(shù)。

以上五種跨徑的橫向分布系數(shù)變化比Δ如表2 所示。由此可見,隨著跨徑的增大,拓寬引起橫向分布系數(shù)降低越明顯。

表2 橫向分布系數(shù)變化比ΔTab.2 The variation oftransverse distribution factor

2.3 考慮橫向分布系數(shù)和汽車荷載等級變化的板內(nèi)力分析

對以上五個跨徑的簡支空心板橋按照拓寬前后的荷載進行分析,拓寬前按汽-超20 算,拓寬后按公路I 級算。汽-超20 荷載作用下板內(nèi)力計算公式(不計沖擊力)為[11]:

式中:S為所求截面的彎矩或剪力;ξ為多車道汽車荷載折減系數(shù),按《橋規(guī)》規(guī)定取用;mi指沿橋跨縱向與荷載位置對應(yīng)的橫向分布系數(shù);Pi指車輛荷載的軸重;yi指沿橋跨縱向與荷載位置對應(yīng)的內(nèi)力影響線坐標值。

公路I 級荷載作用下,計算板跨中截面內(nèi)力時,可近似取跨中橫向分布系數(shù)mc,則式(2)變?yōu)?

式中:mc跨中橫向分布系數(shù);qk為車道荷載均布荷載標準值;Pk為車道荷載集中荷載標準值;Ω為均布荷載加載范圍的內(nèi)力影響線面積;yi為Pk作用位置處的內(nèi)力影響線坐標值。

采用不同規(guī)范汽車荷載[8-10]按單車道計算,可得到拓寬前后舊橋全橋跨中截面的彎矩如表3 所示。

表3 不同規(guī)范汽車荷載單車道作用下跨中彎矩Tab.3 The bending moment at midspan under different standard load grade

由表3 可見,15 規(guī)范的公路I 級荷載由于對集中荷載規(guī)定值有所變化,引起跨中彎矩明顯增大。而04 規(guī)范的公路I 級荷載較汽-超20 增大,且在6m ～16m 幾個跨徑中隨著跨徑增大,跨中彎矩增大幅度亦變大。

結(jié)合前面已計算出的荷載橫向分布系數(shù),可求出各片板拓寬及提載以后活載彎矩變化如表4所示,將汽-超20 與04 規(guī)范的公路I 級荷載對比記為①,汽-超20 與15 規(guī)范的公路I 級荷載對比記為②。

表4 拓寬及提載影響下各板活載彎矩變化Tab.4 The variations of bending moment under different load grade and widening

由表4 可見,對于本工程的拓寬方式及拓寬寬度,跨徑6m 和8m 的板橋若考慮荷載由汽-超20 調(diào)整到04 規(guī)范的公路I 級,則汽車荷載產(chǎn)生的跨中彎矩變化不明顯甚至靠近接縫側(cè)有一定程度的卸載效應(yīng)。對于10m 到16m 的板橋,靠近接縫的半幅橋各片板的汽車荷載產(chǎn)生的跨中彎矩較原來降低,而遠離接縫的半幅橋各片板的跨中彎矩增加。而若按照15 規(guī)范的公路I 級計算,則原板活載彎矩均有很大的增加,要滿足新規(guī)范的活載要求,需對舊板進行適當加固。

3 結(jié)論

通過以上分析,可以得出以下幾個結(jié)論:

1.拓寬后舊橋靠拼接側(cè)半幅板的橫向分布系數(shù)普遍比原來減小,遠離拼接側(cè)的板無顯明變化,說明拓寬對拼接側(cè)板受力起到卸載作用,且隨著跨徑的增大,拓寬引起橫向分布系數(shù)降低更明顯。

2.對比了三版規(guī)范汽車荷載效應(yīng),15 規(guī)范的公路I 級荷載由于對集中荷載規(guī)定值變化,引起板跨中彎矩明顯增大。而04 規(guī)范的公路I 級荷載產(chǎn)生的板跨中彎矩較汽-超20 的增大,且在6m ～16m 幾個跨徑中隨著跨徑增大,其變化值亦增大。

3.基于本工程的拓寬方式及拓寬寬度,當汽車荷載由汽-超20 調(diào)整到04 規(guī)范的公路I 級,對跨徑6m 和8m 的板橋,板的跨中彎矩變化不明顯; 對于10m 到16m 的板橋,靠近接縫的半幅橋汽車荷載產(chǎn)生的跨中彎矩較原來降低,而遠離接縫的半幅橋的彎矩增加,但增減幅度均不大。而若按照15 規(guī)范的公路I 級計算,則舊板活載彎矩均大幅增加。