拓寬T形梁橋橫向分布系數計算方法研究

黨利民

（山西省忻保高速公路建設管理處，山西 忻州034000）

1 引言

由于中國經濟的快速發展，車流量也快速增長，當前道路基礎設施已無法滿足日益增長的交通需求。僅僅只依靠新建公路和橋梁來適應日益增長的交通量需求，不僅僅是浪費現有公路和土地資源，并且實現的可能性也很小。所以合理地利用正在使用的公路橋梁，通過對正在使用的公路橋梁進行擴建，以提高橋梁的通行能力和荷載等級，是一條可行的途徑，也是現階段大力推行的一種方法[1]。

對于帶有橫隔板的鋼筋混凝土T形梁橋，舊橋的邊梁與新增構件在梁肋處連接是前蘇聯提出的拓寬原則。在拓寬一座有多片梁的鋼混簡支梁橋工程中，由于拓寬后翼緣板受力改變且邊梁的承載力下降較大，所以為了增大邊梁的剛度，前蘇聯道路科學研究院提出了如圖1所示的加寬方法[2]。

圖1 上部結構拓寬拼接（單位：cm）

近幾年，俄羅斯在進行小跨徑橋梁拓寬時，由于大部分新老橋梁結構之間沒有連接，只有行車道板的墊層相連接。在實際應用后發現，由于沒有進行可靠的橫向連接，結構出現了如防水層裂縫、板底裂縫、路面裂縫等問題。

鑿除邊梁的翼緣板一定長度的方法是國內T形梁橋常常采用的拓寬方案，通過現澆混凝土和橫隔梁（板）連接新舊T梁，如圖2所示[3]。

圖2 國內T梁橋的拓寬連接方法（單位：cm）

國內在進行T形梁橋拓寬時，為了解決橋梁拓寬后由于新舊橋梁結構的不均勻沉降所引起的撓度和內力的變化，常用的做法是利用與原結構相同的T梁進行拓寬，使新舊部分變形協調一致，構成一個整體。有時為了提高設計等級或者施工方便，才會使用與舊橋不同的形式進行梁橋拓寬。

目前，針對不同的施工工藝及拼接構造，國內很多學者對新、老T形橋梁結構性能、結構設計方法、新舊橋結構的收縮徐變差異及不均勻沉降等在拓寬后對結構性能的影響等問題進行了研究。

到目前為止，在T梁橋拓寬方面的研究，大部分還是停留在就具體事例進行具體分析和經驗總結的層面上，對T 形梁橋拓寬方案的研究還不全面。同時很多舊橋已難以滿足不斷更新的規范要求，隨著車流量的增加和公路等級的提高，以及受經濟、凈空等條件的限制，在拓寬的同時，還需要提高舊橋的承載力。這時候，T形梁橋的拓寬就需要剛度很大的主梁，而目前為止國內外對此研究得很少。本文針對T形梁橋拓寬時可能存在的問題，提出在選擇拓寬方法時，主要依據公路橋涵通用圖，具有通用性，可為今后類似情況下的橋梁拓寬提供參考。本文主要研究內容如下：（1）拓寬T形梁橋的主梁不同連接方式的荷載橫向分布系數的計算模式；（2）通過對梁格法和剛接梁法兩種方法的對比，確定了無橫隔梁和有橫隔梁拓寬拼接T梁橋的有效荷載橫向分布系數的計算方式，同時對比了在兩種連接方式下，橋面板拓寬前后新、老橋的各梁橫向荷載分布系數的變化規律。

2 T梁橋在拓寬時的荷載橫向分布計算

近年來，隨著工程師對橋梁拓寬的研究增加，較常采用的是橋面板、橫隔梁和翼緣板均相連接的連接方式。小跨徑鋼筋混凝土橋梁主梁可采用前蘇聯提出的拼接法。

然而對于拓寬梁橋來說，最重要的改變是拓寬后橫向分布系數的變化。不同的拼接拓寬方式可采用不同的計算模式，確定合理正確荷載橫向分布系數的計算方式對拼接拓寬設計及以后的荷載試驗都有重要的影響。

2.1 有橫隔梁連接的T形梁橋荷載橫向分布計算模式

目前關于有橫隔梁連接的T形梁橋橫向分布系數的計算，已有許多人做過研究，一般情況下采用現有的荷載橫向分布系數的計算方法就能實現。對比各個橫向分布系數的計算方法的適用范圍，認為適用的是剛接梁法和比擬正交異性板法[4]。

荷載橫向分布系數計算模型：舊橋為鋼筋混凝土簡支剛接T 形梁橋，跨度L=19.5m，橋面凈寬為7m，有5根預制T形主梁，每根等截面T梁有2根端橫梁，每根常截面T梁有3根內橫梁，橫隔梁間距為4.88m，采用單側形式拓寬，采用與原截面T 梁相同截面的拓寬主梁，拓寬部分橫斷面及T梁截面如圖3 所示。T 梁編號為：舊橋主梁變化梁從左到右分別為1、2、3、4、5，拓寬新梁編號從左到右分別為6、7、8、9。求拓寬后荷載的橫向分布系數。

圖3 橫斷面布置圖（單位：cm）

2.1.1 有橫隔梁連接的T形梁橋荷載橫向分布系數的變化規律

對于橫隔梁連接的T形梁橋，使用剛接梁法計算時，可近似地把橫隔梁與實有橋面板一起轉化成等剛度的虛擬橋面板來計算，具體方法見《公路橋梁荷載橫向分布計算》[5]。

計算荷載橫向分布系數時，通過MIDAS/CIVIL軟件用梁格法建立有限元模型，如圖4所示。在有橫隔梁的地方用橫隔梁連接，無橫隔梁的地方用虛擬橫梁連接，虛擬梁的厚度與翼板的厚度相同，寬度取虛擬梁中距。對跨中施加移動荷載，提取各梁的撓度值，用各片梁的撓度值確定橫向影響線[6]，通過橫向影響線，求得橫向荷載分布系數[7]。

圖4 梁格法有限元模型圖

由圖5可見，不同的兩種荷載橫向分布系數的計算結果數值相差不大，變化趨勢基本一致。整體來說，梁格法計算數值比剛接梁法計算結果稍小，但誤差都不大，在2%以內。由計算結果可知，剛接梁法可以用來計算有橫隔梁的T梁拓寬梁橋荷載橫向分布系數。

圖5 兩種方法荷載橫向分布系數對比

2.1.2 有橫隔梁連接的T形梁橋拓寬前后橫向分布系數

同時，將新、舊橋的各片梁的荷載橫向分布系數進行對比，如圖6所示。

圖6 拓寬前后舊橋荷載橫向分布系數對比圖

由圖6可看出，采用有翼緣板、橫隔梁和橋面的，主梁拓寬橋梁后，舊橋主梁只有1#梁的橫向荷載分布系數略有增加，而2#～5#主梁都略有降低，并且以舊橋的加寬側邊梁減小最為明顯。新橋中梁為加寬側的舊橋邊梁，該邊梁對于提高荷載的效果明顯，但對未拓寬側邊梁的受力有不利的影響。

2.2 無橫隔梁連接的T 形梁橋荷載橫向分布計算模式

中小跨徑的T形梁橋常采用無橫隔梁連拓寬拼接方式。對于這種連接方式，《公路橋梁荷載橫向分布計算》一書中也給出了計算方法。其橫向荷載分布系數的計算模型與2.1節中實例舊橋完全相同，新橋拓寬連接形式也完全相同，只是在新橋和舊橋的連接處不設橫隔梁，新舊橋梁橫隔梁不相連，其拓寬后橫斷面如圖7所示。

圖7 橫斷面布置圖（單位：cm）

2.2.1 無橫隔梁連接的荷載橫向分布系數

用剛接梁法計算荷載橫向分布系數的方法是通過橋面板和T梁翼緣相連接，采用無橫梁的剛接梁法進行橫向分布系數的計算。由《公路橋梁荷載橫向分布計算》[8]求出各梁在汽車荷載作用下橫向分布影響線坐標值。通過各片梁的橫向分布影響線坐標值計算出荷載橫向分布系數。

同2.1.1 節計算方法相同，建立MIDAS 模型，無橫隔梁連接的部分采用虛擬橫梁剛接連接，虛擬梁取法與2.1.1 節相同，進而求出荷載橫向分布系數。剛接梁法和梁格法計算結果的對比如圖8所示。

圖8 兩種方法荷載橫向分布系數對比

由圖8可知，用兩種方法計算得到的邊梁的荷載橫向分布系數基本相同，誤差在1%以內，但無橫隔梁連接的拼接拓寬部分的4#、5#、6#梁的計算結果相差較大。各片梁的橫向荷載分布系數變化規律趨勢基本一致，梁格法的計算結果比剛接梁法計算結果稍小。由計算結果可知，認為無橫隔梁的剛接梁法僅翼緣板剛接起連接作用屬過低估計。但是作為拼接拓寬的關鍵位置，可能會出現各種問題，偏安全地考慮荷載橫向分布系數是合理的。所以剛接梁法可以用來計算無橫隔梁連接的T梁拓寬梁橋橫向荷載分布系數。

2.2.2 無橫隔梁連接梁橋拓寬前后荷載橫向分布系數

由圖9可知，采用有翼緣和橋面板的拓寬方式拓寬橋梁后，舊橋主梁只有1#梁的橫向荷載分布系數有所增加，2#梁系數基本不變，其他主梁均相應減小，5#梁（拓寬拼接側）位置荷載橫向分布系數減小量變小，加寬側邊梁荷載的承載力提高效果明顯。

圖9 拓寬前后舊橋荷載橫向分布系數對比圖

2.3 不同的拓寬連接方式橫向荷載分布系數比較

對剛接梁法求得的兩種拓寬方式的橫向分布系數對比見圖10。由圖10 可知，無橫隔梁連接時各梁荷載橫向分布系數明顯大于有橫隔梁連接的各梁荷載橫向分布系數。荷載橫向分布系數差值更加明顯的是無橫隔梁連接的新舊主梁加寬位置處的主梁及其相鄰主梁。無橫隔梁的連接方式新橋邊梁部分荷載橫向分布系數的反而較小。而舊橋部分荷載橫向分布系數都較大。

圖10 兩種拓寬方式荷載橫向分布系數對比

將用剛接梁法求得的兩種不同的拓寬方式的新舊橋部分拓寬前后的荷載橫向分布系數進行對比，見圖11。可以看出，有橫隔梁連接方式對于減輕舊梁的荷載作用比無橫梁連接方式明顯，同時未拓寬一側邊梁荷載橫向分布系數提高較小。

故對于有橫隔梁的舊橋，在拓寬時，若施工條件允許，建議選用選擇有橫隔梁的拓寬連接方式，將新、舊橫梁連接組合起來成為一個整體。若不方便設置橫隔梁，則應加強橋面板與翼緣的連接。

圖11 拓寬前后舊橋荷載橫向分布系數對比圖

3 結語

本文對兩種拓寬方式下的橫向荷載分布系數計算模式進行了研究。根據幾種常用的荷載橫向分布系數計算方法的適用范圍，挑選出合適的計算方法進行計算，并與梁格法計算結果作對比，得出剛接梁法能夠作為拓寬T形梁橋荷載橫向分布系數的有效計算方法。

無橫隔梁連接梁格法與剛接梁法在新舊橋主梁拼寬處計算結果相差較大，剛接連接的作用被過低地估計，從而使得橫向分布系數較大。然而有橫隔梁連接梁格法與剛接梁法的計算結果基本一致。

對比拓寬前后兩種方法計算的荷載橫向分布系數變化規律，能夠看出橋梁的拓寬對舊橋部分有明顯的提高荷載的作用，但是未拓寬一側邊梁提載作用并不明顯，甚至橫向荷載分布系數可能會提高。

對比兩種拓寬方式下各片梁橫向荷載分布系數可以發現，無橫隔梁的連接方式對舊橋提載作用不如有橫隔梁的連接方式明顯，未拓寬一側的邊梁橫向荷載分布系數提高幅度很小，整體的橫向分布系數也較小；沒有橫隔梁的連接方式只有新橋邊梁處的橫向分布系數較小，拼接部分的T梁荷載橫向分布系數都較大，對拓展連接的舊橋邊梁較為不利，由此可知有橫隔梁的連接方式更為合理。

[1] 張勁泉，李萬恒.我國公路舊橋存在的問題及技術評價狀況[J].交通建設與管理，2006（12）：59-63.

[2] 溫慶杰.預應力混凝土箱梁拓寬結構計算理論研究[D].南京：東南大學，2008.

[3] 徐志強.公路T 梁橋拓寬拼接技術研究[D].南京：東南大學，2005.

[4] 范立礎.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2012．

[5] 宋建永，張浩陽，張樹仁.公路橋梁荷載橫向分布系數簡化計算[J].東北公路，2006（4）：77-79．

[6] 李松輝，李沖，閆明.在役橋梁實測荷載橫向分布系數研究與應用[J].山東科技大學學報，2009（5）：27-29．

[7] 張國春.基于梁格法的獨柱式曲線梁橋的設計分析研究[J].山西交通科技，2012（2）：58-60.

[8] 郭齊棣.混凝土橋梁拓寬理論與應用研究[D].武漢：華中科技大學，2006．