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        高速公路改擴建工程中的拼寬橋梁設(shè)計分析

        2023-10-20 00:12:50胡海洋
        運輸經(jīng)理世界 2023年16期
        關(guān)鍵詞:橋梁區(qū)域結(jié)構(gòu)

        胡海洋

        (江西省交通投資集團有限責任公司宜春管理中心,江西宜春 330700)

        0 引言

        目前,我國的貨物和人員運輸量呈迅猛增長態(tài)勢,這對我國的公路交通運輸體系提出了更大的挑戰(zhàn)。與此同時,現(xiàn)有的許多公路橋梁因為受到使用時間、建設(shè)工藝、材料性質(zhì)等多方面因素的影響,行車舒適性較差、安全性較低,通行能力也有所降低。這種情況不僅不符合現(xiàn)代社會對我國交通運輸體系的要求,也不利于我國的快速、穩(wěn)定發(fā)展。

        在公路改擴建工程建設(shè)中,橋梁拼寬是核心問題。通常情況下,有兩種方式可以實現(xiàn)拼寬,一種是加寬橋面,另一種是新建橋梁。然而后者的投入成本較高,而且在橋梁正式使用時可能會出現(xiàn)嚴重的不均勻沉降問題,從而影響新建橋梁的使用效果。相比之下,前者不僅投入較少,而且工期更短,也不會對原有橋梁的使用造成干擾。因此,當前大多數(shù)高速公路改擴建采用加寬橋面的方式。

        1 工程概述

        該次研究選擇某高速公路改擴建工程為研究對象。原有車道為雙向四車道,路面寬度為25m,車輛行駛速度標準為100km/h。近年來,隨著當?shù)亟?jīng)濟的迅猛發(fā)展和交通運輸量的不斷增加,現(xiàn)有道路的運輸量略有不足,影響了高速公路的正常使用。為了解決這一問題,相關(guān)部門開始對該高速公路進行拼寬改造,將其改造為雙向八車道,以提升公路的通行能力。經(jīng)過對該工程現(xiàn)場地質(zhì)特點、氣候條件等因素的勘察,最終確定了兩側(cè)拼寬的施工方案。

        2 拼寬橋梁橫向拼接設(shè)計

        2.1 橫向拼接方式的選擇

        現(xiàn)代公路改擴建拼寬施工時,通常會采用三種不同的橫向拼接方式,每種方式有不同的特點。因此,在選擇橫向拼接方式時需要根據(jù)實際需求選擇最佳的方式。

        第一種方式是上下部結(jié)構(gòu)均不連接。采用該拼接方式時,由于原橋梁與新橋梁間互不影響,地基出現(xiàn)不均勻沉降時,對上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響較小,且施工難度不是很大[1]。

        第二種方式是上下部結(jié)構(gòu)均連接。采用該拼接方式時,由于上下部結(jié)構(gòu)完全連接到一起,若是基礎(chǔ)出現(xiàn)較大沉降,會對橋梁產(chǎn)生較大的破壞,因此需要科學(xué)、合理地設(shè)計地基參數(shù)。同時,在下部結(jié)構(gòu)拼接過程中,應(yīng)配合植筋施工技術(shù),整體操作流程較為復(fù)雜,難度較大[2]。

        第三種方式是上部結(jié)構(gòu)連接,下部結(jié)構(gòu)不連接。采用該拼接方式時,即便基礎(chǔ)出現(xiàn)較大的沉降,對整個橋梁結(jié)構(gòu)的影響也比較小。與此同時,由于下部不連接,因而施工較為簡單,能夠通過控制拼接區(qū)域的形變量,降低基礎(chǔ)沉降對橋梁的影響[3]。

        2.2 上部結(jié)構(gòu)拼寬

        2.2.1 空心板橋梁

        根據(jù)橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同,空心板橋梁可分為兩種類型,一種是預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土橋梁,另一種是鋼筋混凝土橋梁。在這兩種類型的橋梁中,均有三種規(guī)格的跨徑,分別為10m、16m 和20m。同時,為了確保拼寬部分能夠與原橋梁有效拼接,應(yīng)按照原橋梁的形式設(shè)計截面。

        在拼寬過程中,根據(jù)橋梁的形狀,對邊梁翼板進行適當切割,并通過相應(yīng)的植筋工藝將原有橋梁與新橋梁拼接到一起。此外,進行結(jié)構(gòu)計算時,應(yīng)將橋梁視為鉸接的形式進行計算。如果橋梁兩端含有橫隔梁,在計算時則要將橋梁視為剛接形式。

        2.2.2 T 橋梁

        T 橋梁是一種結(jié)構(gòu)形狀類似于“T”字的橋梁。由于其自身結(jié)構(gòu)特點,該類型橋梁在使用過程中容易出現(xiàn)腐蝕問題,尤其是邊梁處[4]。因此,在對T 橋梁進行拼寬設(shè)計和施工時,應(yīng)根據(jù)橋梁整體結(jié)構(gòu)的具體情況,適當切割邊梁翼板,并將其與新橋T 梁的肋板拼接在一起,如圖1 所示。需要注意的是,在拓寬拼接施工中,原有橋梁邊梁的受力狀態(tài)會發(fā)生明顯改變。因此,在拼接區(qū)域的兩側(cè)應(yīng)設(shè)計合理的橫隔梁,并在必要情況下,在其他適當位置放置橫隔梁。如果對拼接區(qū)域的橫向聯(lián)系有更高的要求,則應(yīng)在拓寬區(qū)域的中間及兩邊1/4 跨徑區(qū)域分別放置一個橫隔梁。

        圖1 T 橋梁拼接示意圖(單位:mm)

        2.2.3 不同梁截面連接

        在橋廊拓寬拼接過程中,想要賦予新橋更高的剛度,應(yīng)選擇剛度較高的拼寬橋截面,以提升整個橋梁的承載能力,降低原有橋梁所需承擔的荷載量,從而延長橋梁的使用年限。以原有橋梁為T 梁結(jié)構(gòu),拼寬橋梁為空心板梁截面為例,在兩個結(jié)構(gòu)拼接過程中,拼寬橋采用的是橫向剛度較高的板梁,并以鋼板為主要元件,將橫隔梁固定在一起,從而賦予新橋更高的橫向剛度,為整個橋梁的后續(xù)使用打下堅實的基礎(chǔ)。

        3 不均勻沉降下拼寬橋梁拼接結(jié)構(gòu)的力學(xué)影響

        3.1 影響基礎(chǔ)沉降對上部結(jié)構(gòu)作用的因素

        3.1.1 沉降模式

        淮安是一代偉人周恩來總理的故鄉(xiāng),淮安市歷屆市委、市政府始終堅持學(xué)習弘揚周恩來精神,努力把周恩來精神深深植根于廣大黨員干部群眾心中,以之來引領(lǐng)推動淮安科學(xué)跨越發(fā)展[1]?;搓帋煼秾W(xué)院地處淮安是一所以“用周恩來精神辦學(xué),用周恩來精神育人”為特色的高等院校,淮陰師范學(xué)院圖書館歷來注重周恩來文獻資源的收集整理工作,形成了較為完善的周恩來文獻資源館藏體系,并于2011年著手啟動“周恩來研究專題數(shù)據(jù)庫”建設(shè)。

        該工程原有橋梁已使用較長時間,在長期使用下,基礎(chǔ)已基本保持穩(wěn)定,不會再出現(xiàn)沉降問題。而拼寬橋梁的基礎(chǔ)則不是很穩(wěn)定,仍會出現(xiàn)明顯的沉降問題。因此,原有橋梁與新橋之間會出現(xiàn)一定的沉降差值,從而對新橋造成一定破壞,影響其正常使用。在拓寬拼接設(shè)計中,假設(shè)舊橋的基礎(chǔ)不會再出現(xiàn)任何沉降,即沉降值為0。將其與新橋拼接后,新橋基礎(chǔ)與舊橋的距離越短,產(chǎn)生的沉降量越低,反之則會產(chǎn)生更高的沉降量。為了方便研究,在沉降模式方面,將其假設(shè)成線性模式,并根據(jù)橋梁各位置的不同,線性分布沉降量。

        3.1.2 影響因素

        進行拼寬橋梁設(shè)計與建設(shè)時,若處于以上假設(shè)的沉降條件,新舊橋梁間的沉降量差異越高,拼接區(qū)域上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的拉應(yīng)力越大,對新橋結(jié)構(gòu)造成的破壞越嚴重,從而對新橋的使用帶來更大影響,容易使橋梁出現(xiàn)裂縫[5]。為避免這一情況,則要符合σ≤[σ]的條件,即:

        式(1)中:ε 為兩基礎(chǔ)沉降量存在較大差值時,新橋上部產(chǎn)生的拉應(yīng)力;E為在新舊橋拼接區(qū)域處,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的橫向楊氏模量;σ為兩基礎(chǔ)沉降量存在較大差值時,新橋上部產(chǎn)生的橫向拉力值;[σ]為在新舊橋拼接區(qū)域處,結(jié)構(gòu)整體所具備的抗拉強度規(guī)定值。

        由相關(guān)物理力學(xué)可知:

        對上述公式轉(zhuǎn)換后,可以得到:

        將上述公式整合到一起后,可以得到:

        由式(8)中,能夠得到:

        式(9)中:f為約束力。

        3.2 計算數(shù)值模型

        3.2.1 橋梁類型

        該工程采用的是跨徑相同的20m 簡支空心板橋與簡支T 梁橋。以FEA 軟件為主要工具,對橋梁結(jié)構(gòu)細部展開分析,在各結(jié)構(gòu)單元上共設(shè)置了8 個節(jié)點單元。在每個單元內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的剛度,以此模擬出鋼筋材料。所有材料均看作線彈性,忽略材料間的細微差異。

        3.2.2 計算荷載

        第一,恒載。分為兩部分,一個是主要受力構(gòu)件產(chǎn)生的恒載,另一個為防撞欄等結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的二期恒載。

        第二,位移荷載。為了防止拼接區(qū)域出現(xiàn)裂縫,要將梁體變形控制在規(guī)定區(qū)間內(nèi)[7]。試驗過程中,應(yīng)將沉降值設(shè)置在允許數(shù)值范圍內(nèi)(具體設(shè)置成5mm)。

        第三,溫度荷載。通過梯度溫度的設(shè)置,調(diào)節(jié)局部溫差。溫度出現(xiàn)變化后,簡支梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)的內(nèi)力很小,可忽略不計。

        第四,幾何尺寸。在簡支空心板拼接區(qū)域,舊橋的跨徑是20m,寬度是9m,包含8 片空心板梁,在橋的兩側(cè)分別固定一個50cm 的橫隔梁;在簡支T 梁拼接區(qū)域,舊橋的跨徑是20m,寬度是8.6m,由6 個T 梁構(gòu)成。兩個拼接區(qū)域的參數(shù)如表1 所示。

        表1 兩個區(qū)域拼接參數(shù)表

        3.3 拼寬橋梁拼接部分在沉降荷載下的受力分析

        3.3.1 截面配筋

        分析截面配筋可以發(fā)現(xiàn),不同橋型時均會對上部結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力產(chǎn)生一定影響,且影響情況基本相同。配筋率提高后,上部產(chǎn)生的拉應(yīng)力會逐漸減小。但需要注意的是,對于空心板橋,配筋率對結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力的影響與截面所處位置相關(guān)。在支座區(qū)域,應(yīng)力值應(yīng)為跨中區(qū)域的4倍,且越靠近跨中應(yīng)力越小。對于T 梁橋,配筋率對結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力的影響與位置的關(guān)聯(lián)性較低,將應(yīng)力值設(shè)置成跨中區(qū)域的1.3 倍即可。

        3.3.2 拼寬寬度

        經(jīng)分析,拼寬寬度提高時,上部產(chǎn)生的拉應(yīng)力逐漸降低。在沉降量一致的情況下,拼寬寬度越大,轉(zhuǎn)角位移越低,因此會產(chǎn)生更小的拉應(yīng)力。

        3.3.3 拼接區(qū)域?qū)挾?/p>

        分析拼接區(qū)域?qū)挾劝l(fā)現(xiàn),拼接寬度提升后,上部的拉應(yīng)力會逐漸降低。但對不同類型的橋梁來說,拼接區(qū)域?qū)挾扰c拉應(yīng)力間的關(guān)系存在一定差異。對于空心板橋,在支座區(qū)域處,其應(yīng)力值為跨中區(qū)域的4.7倍;對于T 梁橋,其應(yīng)力值為跨中區(qū)域的1.7 倍。

        4 結(jié)語

        綜上所述,在高速公路改擴建工程建設(shè)中,建設(shè)單位應(yīng)根據(jù)公路特點,結(jié)合施工現(xiàn)場的地質(zhì)條件、氣候特點等因素,設(shè)計出最佳的橋梁拼寬方案。在此基礎(chǔ)上,通過科學(xué)、合理的方式設(shè)置截面配筋率、拼寬寬度和拼接區(qū)域?qū)挾鹊葏?shù),以此為后續(xù)施工活動的開展提供支持。

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