橋梁拓寬加固結構合理剛度設計研究

劉小燕，陳　威，曹宇辭

(長沙理工大學土木與建筑學院，湖南 長沙 410114)

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橋梁拓寬加固結構合理剛度設計研究

劉小燕，陳威，曹宇辭

(長沙理工大學土木與建筑學院，湖南 長沙 410114)

摘要：采用縱橫梁拓寬加固技術對橋梁進行拓寬加固時，縱橫梁剛度的大小決定著拓寬加固后新舊結構的受力分配問題，拓寬加固結構剛度的設計是舊橋拓寬加固中的一個重要部分.以某空心板橋為例，綜合比較了縱梁和橫梁剛度變化對舊橋的影響，研究了縱橫梁剛度與舊橋受力之間的關系，確定了具體的縱橫梁剛度.

關鍵詞：拓寬加固；縱橫梁；合理剛度；加固設計

縱橫梁拓寬加固技術是在原有舊橋兩側各增設一片縱梁，在縱梁之間用橫梁連接，一方面加強了整體剛度，另一方面橫梁直接將舊橋“托起”，以此來實現(xiàn)舊橋的加寬和提級加固[1].而拓寬加固結構剛度的設計是縱橫梁拓寬加固技術中的一個關鍵問題，拓寬加固結構剛度的大小，將直接關系到新舊結構受力的分配問題.目前國內外針對縱橫梁剛度加固設計的研究還少見報道.本文以某空心板橋的拓寬加固結構為例，通過理論分析與有限元計算，對拓寬加固結構的合理剛度進行研究，為同類工程提供參考.

1拓寬加固結構設計基本原則

基于橋梁拓寬加固工程實際，采用縱橫梁拓寬加固技術對橋梁進行拓寬加固時主要遵循以下基本原則[2-4]：

(1)安全性原則

一方面結構在拓寬加固后新舊結構滿足荷載提級的要求，有足夠的承載力；另一方面在荷載提級后盡量不增加原有結構的效應，或者能適當降低原有結構的效應.

(2)結構的受力和變形協(xié)調原則

結構在拓寬加固后，新增結構和舊橋在荷載作用下受力和變形應保持協(xié)調.

(3)方便施工的原則

新增結構應便于制造和架設，在施工時盡可能不影響交通，并且要便于下部結構基礎的施工.

(4)經(jīng)濟性原則

橋梁拓寬加固應使結構受力合理，施工簡便，占地少，盡可能減少加固費用.

(5)美觀性原則

合理的結構布局和輪廓造型是橋梁美觀的重要表現(xiàn)，新增結構應與原結構在外觀上有好的協(xié)調性，且能融入周圍環(huán)境.

在橋梁拓寬、提級加固改造中，首先必須滿足安全性原則，加固結構的受力要合理，變形應協(xié)調，為此需對加固結構的剛度進行設計.

2拓寬加固結構合理剛度設計

拓寬加固結構的剛度是指用來拓寬橋梁的縱橫梁剛度.縱橫梁合理剛度的定義是：采用縱橫梁拓寬加固后，在荷載提級的條件下，保證舊橋主梁在提高的荷載作用下，不會增加負荷或者能適當降低負荷，則此時的縱橫梁剛度就是合理的剛度.在進行拓寬加固設計時，縱橫梁剛度應該按照合理剛度設計.

為研究縱橫梁的合理剛度，需對拓寬加固混凝土橋梁的受力特點進行計算分析.以某13m預應力混凝土空心板橋為例，用縱橫梁拓寬加固法對其進行提級加寬加固設計.首先分析拓寬加固后結構的受力特性和受力規(guī)律，結構拓寬加固后的受力體系如圖1所示，新增縱橫梁體系受力簡圖如圖2所示.經(jīng)縱橫梁拓寬加固后橋梁的受力不能再簡單地視為簡支體系，新加縱橫梁如同一個四角點有支承的“H”形構件，將舊橋“托起”，舊橋原本為簡支的主梁在跨中受到橫梁的支承，舊橋中部分荷載通過橫梁傳遞給新增縱梁.要確定縱橫梁的合理剛度，必須求出每片主梁傳遞給橫梁的力，但每片主梁傳遞給橫梁的力值又和采用的縱橫梁剛度有關.由于荷載是變化的，加固體系的受力不能按照簡支梁橋結構計算，需借助有限元方法進行計算.本文建立了拓寬加固橋梁的有限元模型，擬定幾組縱橫梁截面進行計算，研究縱橫梁剛度與舊橋受力之間的關系，根據(jù)計算結果最終確定其剛度.

圖1　拓寬加固后受力體系

圖2　拓寬加固后受力簡圖

2.1有限元建模

取用預制長度為12.60m，高0.7m，寬0.99m的空心板，全橋共由8片空心板組成.采用midas/civil建立舊橋的空間梁單元模型如圖3，分別計算舊橋在公路Ⅱ級和公路Ⅰ級荷載作用下的效應值，計算結果見表1(僅列出跨中最大彎矩與支點剪力).經(jīng)計算，提級后舊橋抗彎不能滿足要求，需進行加固，同時因為舊橋太窄，所以采用縱橫梁拓寬加固技術對舊橋進行拓寬加固，依據(jù)規(guī)范及已有設計經(jīng)驗[5-7]，先初步擬定新加縱橫梁截面尺寸構造如圖4所示.用空間梁單元建立拓寬加固后的有限元模型如圖5所示[8]，全橋共分為403個單元，317個節(jié)點，支座按實際位置模擬，橋面橫向聯(lián)系采用鉸接模擬，縱梁與橫梁的連接采用固結模擬，空心板與橫梁間的接觸受力只考慮受壓作用，加固后結構的受力計算通過定義不同階段的方法實現(xiàn)，對單元進行“激活”與“鈍化”，“激活”舊橋作為第一階段，在第二階段“激活”縱橫梁.將圖5中最左側縱梁編號為縱1#，最右側縱梁編號為縱2#，空心板自左向右編號為1～8#.

圖3　舊橋有限元模型

荷載等級γoMd/kN.mMu/kN.mγoVd/kNVu/kNf/mm公路II級779.3871.4299.4669.816.5公路Ⅰ級958.9871.4389.5669.818.6

圖4新增縱梁(1)橫梁(2)截面(單位：mm)

圖5　拓寬加固后全橋有限元模型

2.2有限元計算

為了確定縱橫梁剛度變化對結構受力的影響，計算了不同的縱橫梁截面形式下全橋受力，綜合比較計算結果來確定縱橫梁剛度.設計計算時以初始擬定的截面尺寸為基礎，通過改變縱梁高度和橫梁尺寸擬定5組縱梁和5組橫梁截面，分別對全橋的效應進行計算.采用的縱梁和橫梁尺寸見表2和表3.

表2　縱梁截面高度及剛度

表3　橫梁截面尺寸及剛度

對各種荷載工況下舊橋效應進行比較分析，可知舊橋最不利工況(中載)下，4#和5#梁跨中彎矩、支點剪力、跨中撓度最大，限于篇幅，此處僅列出不同縱橫梁組合下最大效應的情況.

由表4-表6可知，在各種縱橫梁剛度組合下，舊橋最大剪力均滿足合理剛度設計要求，故拓寬時主要考慮彎矩效應和撓度.由表4和表6得出縱橫梁剛度變化對主梁最大彎矩的影響如圖6-圖8所示：

表4　不同縱橫梁組合下4#/5#彎矩

表5　不同縱橫梁組合下4#/5#主梁最大剪力

表6　不同縱橫梁組合下4#/5#主梁最大撓度

圖6縱梁變化時4#/5#主梁最大彎矩值

圖7　橫梁變化時4#/5#主梁最大彎矩值

圖8　縱橫梁變化時4#/5#主梁最大彎矩值

由表4-表6和圖6-圖8反應出：當橫梁剛度不變時，隨著縱梁剛度的增大，舊橋的效應值逐漸減小；當縱梁剛度不變時，隨著橫梁剛度的增大舊橋效應也逐漸減小.當縱橫梁剛度增加到一定值時，舊橋效應將小于舊橋在公路II級荷載作用下的效應值，此時，就是縱橫梁的合理剛度狀態(tài).

2.3拓寬加固結構剛度的確定

基于拓寬加固設計中合理剛度的定義及以上計算結果，在所有計算截面中，當縱梁高度增加到1.2m，橫梁尺寸采用H×B=60cm×30cm時，舊橋效應將小于加固前公路II級荷載作用下的效應值，此時如果再增加縱橫梁剛度，舊橋效應雖然會減少，但減少得并不多，所以拓寬加固結構最終選用1.2m高的T梁，60cm×30cm的橫梁.

3拓寬加固結構設計計算與驗算

在確定了縱橫梁的截面尺寸后，需對拓寬加固后的全橋結構進行效應計算，并驗算拓寬加固后橋梁的承載力和變形協(xié)調情況，以完成對整個拓寬加固方案的設計.

以前文所述空心板橋為例，建立實際拓寬加固模型如圖9.車道荷載布置位置按最不利效應加載.

圖9　拓寬加固后有限元離散效果圖

3.1荷載效應的計算

最不利荷載組合采用承載力極限狀態(tài)組合，汽車荷載等級按公路Ⅰ級取用.進行全橋的設計荷載效應計算，有限元計算得到全橋最不利工況下各主梁最大效應見表7和表8.

表7　梁(板)截面最大效應值

表8　橫梁效應值

3.2舊橋主梁彎矩及剪力驗算

表9　舊橋各關鍵截面最大效應與抗力

注：表中加固前結果為公路II級荷載作用下的結果，加固后結果為提級為公路Ⅰ級荷載后的結果.

為了確定拓寬提級加固結構是否滿足設計要求，需要驗算舊橋主梁在荷載提級情況下的受力情況.按照拓寬加固結構合理剛度的定義，經(jīng)拓寬加固后不應增加舊橋部分的效應.但同時應盡量大地發(fā)揮舊橋本身的抗力作用，避免過度加固，造成資源的浪費.拓寬加固前后，有限元計算舊橋部分各關鍵截面處最大效應值，計算結果見表9.

驗算結果表明：拓寬加固后，舊橋彎矩、剪力和撓度均小于其在拓寬加固前公路II級荷載作用下的效應值，并且變化不大，保證結構的受力協(xié)調，能滿足拓寬加固設計的要求.

3.3拓寬加固后全橋撓曲變形分析

在拓寬提級加固后，需要保證全橋在荷載作用下變形的協(xié)調性，避免出現(xiàn)不協(xié)調變形而導致結構的破壞.拓寬提級加固后全橋在最不利荷載組合作用下的橫橋向1/4截面.1/2截面所有縱向主梁豎向撓度見表10和圖10.

表10　全橋主要截面縱向主梁撓度　(單位：mm)

圖10拓寬加固前后全橋主要截面撓度

由表10中數(shù)據(jù)可知：最不利荷載組合作用下全橋縱梁撓度最大的為4#和5#梁，撓度值為16.3mm，小于《公路橋規(guī)》的L/600=21mm.由繪制出的主要截面變形圖(圖10)可以看出，拓寬加固后全橋橫向變形較為協(xié)調良好，說明縱橫梁加固剛度適宜.

4結論

本文對空心板橋拓寬加固結構的合理剛度設計進行研究.通過結構受力分析及有限元計算，綜合比較了縱梁和橫梁剛度變化對舊橋荷載效應的影響，研究了縱橫梁剛度與舊橋受力之間的關系.通過比較各種情況下加固結構的彎矩、剪力、撓度結果，從而確定一個合理的縱橫梁剛度.計算思路可供同類工程參考.

參考文獻：

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[7] 張建仁,劉小燕.結構設計原理[M].北京:人民交通出版社,2015.

[8] 王富萬.基于ANSYS的梁格計算方法研究與應用[D].武漢:華中科技大學碩士學位論文,2006

(責任編校：晴川)

On Reasonable Rigidity Design of Structures for Bridge Broadening and Reinforcement

LIU Xiaoyan, CHEN Wei, CAO Yuci

(School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science and Technology,Changsha Hunan 410114, China)

Abstract：When bridges are broadened and reinforced with horizontal and vertical beams broadening and reinforcement technology, the rigidity level of horizontal and vertical beams decides the force distribution of new and old structures after the broadening and enforcement. Also the rigidity design of structures for bridge widening and reinforcement is an important part in the process of broadening and reinforcing an old bridge. Taking a voided slab bridge as an example, the study comprehensively compared the influence of the change of horizontal and vertical beams’ rigidities on the old bridge, researched the relationship between the rigidities of horizontal and vertical beams and the load condition of the old bridge, and confirmed the specific rigidities of horizontal and vertical beams.

Key Words：broaden and reinforce; horizontal and vertical beams; reasonable rigidity; reinforcement design

中圖分類號:U445.7+2

文獻標識碼：A

文章編號：1008-4681(2016)02-0031-05

作者簡介：劉小燕(1963— )，女，湖南桃江人，長沙理工大學土木與建筑學院教授，碩士.研究方向：橋梁結構分析與工程控制.

基金項目：長沙市科技計劃項目“舊路改造工程中既有橋涵拓寬加固利用研究”(批準號：K1309003-11).

收稿日期：2016-02-21