既有預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋校核分析

孫 瀟 劉振廷 閆磊源

(1.駐馬店市公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，河南駐馬店 463000;2.華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450011)

裝配式預(yù)應(yīng)力空心板橋是我國(guó)早期公路橋梁的主要形式，在公路改擴(kuò)建中常采用同類型的裝配式預(yù)應(yīng)力空心板梁予以加寬，本著可持續(xù)發(fā)展的原則，需對(duì)舊橋加固改造后繼續(xù)使用，以合理利用資源，節(jié)約投資。既有預(yù)應(yīng)力空心板依據(jù)JTG 023-89公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［1］(以下簡(jiǎn)稱:舊通規(guī))和JTJ 023-85公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［2］(以下簡(jiǎn)稱:舊橋規(guī))設(shè)計(jì)，而現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范是JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［3］(以下簡(jiǎn)稱:新通規(guī))和JTG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［4］(以下簡(jiǎn)稱:新橋規(guī))。從國(guó)內(nèi)已完工的改擴(kuò)建工程來(lái)看，加寬后運(yùn)營(yíng)不久后新舊交接處橋面鋪裝即出現(xiàn)了縱向裂縫，鉸縫出現(xiàn)了滲水和混凝土脫落等病害，舊橋易遭受單板受力等病害時(shí)有發(fā)生，因而亟待系統(tǒng)地進(jìn)行既有舊橋加寬設(shè)計(jì)校核分析，以指導(dǎo)加寬加固設(shè)計(jì)，為工程實(shí)踐服務(wù)。本文將結(jié)合荷載橫向分布理論，對(duì)既有空心板按照新規(guī)范進(jìn)行校核計(jì)算。

1 基本資料

為使問(wèn)題更具有針對(duì)性，選取G4高速公路安陽(yáng)—新鄉(xiāng)段某橋進(jìn)行分析。該橋交叉角度90°，1×16 m，計(jì)算跨度15.5 m，原橋?qū)挾?×12.0 m，配置有普通鋼筋 φ16，9根/板，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用型號(hào)為φj15的鋼絞線，每根鋼絞線張拉力為160.88 kN，18根/板。加寬寬度2×8 m，預(yù)應(yīng)力鋼筋均采用270級(jí)φs15.2 mm高強(qiáng)度低松弛鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為1 860 MPa，每根張拉力為195.3 kN，22根/板，加寬橋面寬度2×8 m。整橋空心板橫斷面圖見圖1，混凝土鋪裝層厚度為80 mm，下部橋臺(tái)樁柱式臺(tái)，橋墩是柱式墩。按照新橋規(guī)，橋梁上部材料屬性列于表1，其中混凝土參數(shù)均為線性內(nèi)插所得。為簡(jiǎn)化計(jì)算，特做如下約定:1)先張法部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件，偏安全的，橋面板及鋪裝層混凝土不參與截面組合作用;2)不考慮空心板運(yùn)營(yíng)中強(qiáng)度等劣化;3)預(yù)應(yīng)力張拉控制力為23.52 kN。

圖1 整橋空心板橫斷面圖

2 校核分析

2.1 橫斷面特性

橫斷面圖見圖1，中板和邊板相差非常小，因而計(jì)算時(shí)所有截面特性均按照中板進(jìn)行，而邊板近似按照中板處理。經(jīng)計(jì)算，毛截面面積是3 853.27 cm2，換算截面面積是3 960.58 cm2，毛截面重心距離板底距離為35.43 cm，換算截面重心距離底邊的距離為34.65 cm。換算截面慣性矩 I0=2.79×106cm4，截面抗彎模量

表1 新橋規(guī)下既有空心板材料屬性 MPa

2.2 汽車荷載效應(yīng)

1)汽車荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算。

a.跨中截面橫向分布系數(shù)。該分部是整個(gè)校核工作的基礎(chǔ)也是核心內(nèi)容，目前常用的普通鉸接板法和查表法均未考慮加寬后新舊橋間的荷載橫向分布改變，且無(wú)法精確求得加寬后荷載橫向。建立有限元模型可解決該問(wèn)題，但建立有限模型成本較高，且存在一定的主觀性。文獻(xiàn)［5］給出了基于力法和鉸接板法的考慮加寬效應(yīng)的荷載橫向分布效應(yīng)計(jì)算方法，故本文的橫向分布系數(shù)采用文獻(xiàn)［5］中的方法計(jì)算，且按照《新通規(guī)》中相應(yīng)的折減系數(shù)進(jìn)行折算。計(jì)算得到，非加寬側(cè)邊板橫向分布系數(shù)為0.257，是所有舊板中最大的板，故可僅驗(yàn)算邊板。b.支點(diǎn)橫向分布系數(shù)。支點(diǎn)截面汽車荷載橫向分布系數(shù)按照杠桿法計(jì)算，因一列車輛的輪距為1.8 m，兩塊板中心間距為1 m，僅能布一排汽車輪載，所以支點(diǎn)橫向分布系數(shù)為0.5。

2)汽車荷載沖擊系數(shù)。加寬橋自振頻率f無(wú)法用《新通規(guī)》條文說(shuō)明4.3.2計(jì)算，應(yīng)采用有限單元法或者空間梁格法建立整橋模型計(jì)算。本文建立有限元模型，計(jì)算得到f=6.72 Hz，則由《新通規(guī)》4.3.2 式得 μ=0.321。

2.3 作用效應(yīng)組合

限于篇幅，此處略去按照規(guī)范較為簡(jiǎn)單的計(jì)算過(guò)程，僅將作用效應(yīng)組合計(jì)算結(jié)果列于表2。值得注意的是，汽車荷載效應(yīng)新舊規(guī)范變化較大，應(yīng)由《新通規(guī)》4.3條計(jì)算，公路Ⅰ級(jí)荷載下，均布荷載qk=10.5 kN·m，集中荷載Pk=222 kN，計(jì)算剪力時(shí):Pk=1.2 ×222 kN=266.4 kN。

表2 空心板作用效應(yīng)組合計(jì)算匯總表

2.4 驗(yàn)算結(jié)果

不考慮舊橋損傷，按照新橋規(guī)中對(duì)承載能力和正常使用的要求，分步進(jìn)行計(jì)算，該過(guò)程較為繁瑣但原理為廣大設(shè)計(jì)人員所熟悉，限于篇幅，僅給出計(jì)算結(jié)果，見表3。由表3可知，舊板的最大彎矩未超過(guò)其截面抗力，正截面和斜截面抗裂也滿足規(guī)范要求，且有一定的安全儲(chǔ)備。撓度也遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值。因而，該橋安全儲(chǔ)備較大，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后可直接用于加寬工程。

表3 既有空心板截面復(fù)核結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

雖然《新橋規(guī)》及《新通規(guī)》有了較大變化，但是新舊橋連接后，舊橋荷載橫向分布系數(shù)有所降低，經(jīng)驗(yàn)算其各項(xiàng)性能指標(biāo)仍能滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，理論上可以直接用于加寬工程。但是該驗(yàn)算的前提是空心板未遭受損傷，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)空心板技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)定，確定其損失程度，進(jìn)而確定空心板是否需要加固或更換。

［1］JTG 021-89，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.

［2］JTJ 023-85，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］JTG D60-2004，公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范［S］.

［4］JTJ D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］陳記豪，趙順波，姚繼濤.既有預(yù)應(yīng)力空心板橋加寬設(shè)計(jì)的荷載橫向分布計(jì)算方法［J］.工程力學(xué)，2012，29(9):265-271.

［6］劉振廷，孫 瀟.預(yù)應(yīng)力空心板加寬橋體外局部橫向預(yù)應(yīng)力加固探析［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2013(2):71-73.