高速公路擴寬橋梁設(shè)計研究

阿布來提·卡德爾 吾買爾江·阿不都熱西提

摘 要 本文以某高速公路的空心板梁橋以及T梁橋為研究對象，通過計算橫向分布系數(shù)，分析橋梁不同的擴寬截面形式對橋梁整體性能的影響，以及對新舊橋梁連接鉸縫處的剪應(yīng)力和相對位移進行計算，得出新舊橋梁剛度比對橋梁性能的影響，最后以靜載試驗驗證所得結(jié)論。

關(guān)鍵詞 截面形式;擴寬;空心板橋;T梁橋

引言

隨著汽車持有量的不斷上升，目前服役的高速公路已不滿足運營需求，交通堵塞，汽車運行困難等情況常有發(fā)生，已難以適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的要求。而通過建設(shè)新線的方法在當前國內(nèi)土地供應(yīng)較為緊張的情況下已不太現(xiàn)實，因此，只能充分利用現(xiàn)有高速公路，采取加寬線路等方法滿足現(xiàn)今的交通需求。

1工程概況

根據(jù)項目特點和工程地質(zhì)條件，為避免新舊橋梁產(chǎn)生較大沉降差，目前，橋梁加寬新舊橋梁之間常采用“上連下不連”的拼寬方式，新建部分橋梁下部宜采用樁基礎(chǔ)，因此該橋梁選取了連接上部結(jié)構(gòu)，分離下部構(gòu)造的拼接方案，橋梁墩臺擴寬尺寸與舊橋墩臺尺寸一致，項目新舊橋梁加寬方案如圖1所示。

2新建橋梁截面形式的影響

本文選取的研究對象為某高速公路中的空心板橋以及T梁橋。空心板梁橋為簡支梁橋，在原有基礎(chǔ)上擴寬13#-15#主梁，并通過鉸縫進行連接，具體如圖2所示。

T梁為一簡支T梁橋，在原有基礎(chǔ)上擴寬6#-7#主梁，并通過橫隔梁進行連接，具體如下圖3所示。

3加寬前后的橫向分布系數(shù)

3.1.1 空心板梁橋

該種梁橋的混凝土等級為C50，原橋梁的抗彎慣性矩以I表示，擴寬梁的抗彎慣性矩以0.8I-2I表示，間隔0.2I，其中I為0.046m ?。荷載的橫向傳遞規(guī)律通過鉸接板法進行分析，可得出各梁的荷載分配方式，直觀反映出梁體所受荷載跟不同抗彎慣性矩的關(guān)系。在12#梁軸線位置施加單位荷載，分析不同擴寬剛度的主梁荷載分布情況。

在擴寬橋梁后，各主梁的橫向分布系數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢，既橋梁擴寬部分替舊橋分擔了部分荷載而使舊橋所承受荷載降低，這滿足實際情況。對比橫向分布系數(shù)可知在不同的剛度比下，橋梁處變化較為平緩，表明橋梁在擴寬后的結(jié)構(gòu)具有較好的整體性。

3.1.2 T梁橋

T梁橋的抗彎慣性矩為0.0782m?。擴寬橋梁采用的抗彎慣性矩為0.5-1.5I，對其荷載橫向傳遞規(guī)律采取偏心壓力法進行分析，在5#梁軸線處施加單位荷載，結(jié)果如圖4所示。

從圖4可看出，與擴寬前相比，擴寬后的橋梁橫向分布系數(shù)出現(xiàn)下降的趨勢，既橋梁擴寬部分替舊橋分擔了部分荷載而使舊橋所承受荷載降低，與實際狀況相符。對比上圖的橫向分布系數(shù)在不同剛度比之下的情況可知，在0.7剛度比的情況下，曲線的平緩處在5#-6#的位置，表明擴寬后橋梁結(jié)構(gòu)具有較好的整體性。和空心板相比具有較大差異，因此可知，剛度比對橋梁荷載分布情況的影響與橋梁截面形式有關(guān)。

3.2 新舊鉸縫的剪力和剪應(yīng)力

3.2.1 空心板梁橋

新舊梁體的鉸縫剪應(yīng)力與其長度分布呈現(xiàn)連續(xù)變化，選取最不利截面，既跨中位置進行分析。采用ANSYS有限元軟件建模分析，所得結(jié)果如下表1所示。

從表1中可知，隨著剛度比的變化，鉸縫處的剪應(yīng)力也相應(yīng)的發(fā)生變化，在1.0的剛度比時，鉸縫存在最小的剪應(yīng)力，而當剛度比在1.0以下或以上時，剪應(yīng)力均表現(xiàn)出上升的趨勢。因此，可得結(jié)果：在相同的剛度之下，擴寬后的空心板梁具有較好的整體性，新舊橋梁具有較一致的變形，且具有最小的剪應(yīng)力和變形差值，此時的鉸縫具有較為合理的受力。當剛度比較大或者較小時均會在鉸縫處產(chǎn)生較大的剪力，使鉸縫處的安全性降低。

3.2.2 T梁橋

同空心板，T梁橋選取最不利截面，既跨中截面作為研究對象，并通過ANSYS有限元軟件進行建模分析，所得的鉸縫的應(yīng)變和撓度如表2所示。

從表2可知，T梁橋和空心板梁具有一致的結(jié)論，綜合分析可知，對于高速公路橋梁的擴寬，當上部結(jié)構(gòu)采取相對應(yīng)的截面形式時，新舊梁在受到荷載時的變形具有較好的協(xié)調(diào)性以及整體性，有助于延長擴寬橋梁的使用壽命以及舒適度。

4擴寬后橋梁靜載試驗

4.1 試驗方案

（1）控制截面：選取跨中正彎矩位置處作為控制截面。

（2）加載車：加載車的數(shù)量按照等效彎矩原則進行確定，最終方案為350kn的大型車輛共四輛。

（3）試驗加載布置：

工況一采取四輛車對稱加載的方式，給以控制截面最大正彎矩，試驗分為2級加載以及1級卸載。加載分級為I-0對應(yīng)的加載車為0;I-1對應(yīng)的加載車為C3+C4;I-2對應(yīng)的加載車為C1+C2+C3+C4;I-3對應(yīng)的加載車輛為0。

工況二采取四輛車偏心加載的方式，給以控制截面最大正彎矩。工況二加載分級同工況一。

4.2 試驗結(jié)果

按照分級加載的方式將工況一進行分類，以獲取測試截面在不同分級情況下的實測與理論應(yīng)變值，結(jié)果如圖5、圖6所示。由于篇幅限制，本文僅列出部分數(shù)據(jù)。

從試驗數(shù)據(jù)可知，工況一和工況二各個測點的應(yīng)變均為實際小于理論值，因此滿足要求。

由圖6可知，工況一和工況二測點的撓度值均符合實測小于理論值的要求，表明橋梁剛度符合要求。

5結(jié)論

本文通過對橋梁橫向分布系數(shù)的計算發(fā)現(xiàn)，不管是空心板梁橋還是T梁橋，各個主梁相較于擴寬前的橫向分布系數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢，表明橋梁的擴寬部門代替原有橋梁承受了部分荷載，降低了原有橋梁承受的荷載。當保持一致的荷載加載情況時，梁若具有較大的剛度，其所能承受的荷載也較大。

通過對比空心板和T梁板的橫向分布系數(shù)，建議控制新舊橋梁的新舊比處于0.7-1.2區(qū)間內(nèi)，此時橋梁在擴寬后具有較好的整體性。

通過分析新舊橋梁鉸縫處的剪應(yīng)力得出結(jié)論：當新舊梁體的抗彎剛度較為接近時，鉸縫處的剪應(yīng)力和變形差值較小，此時的橋梁具有較好的整體性。

通過試驗，對橋梁擴寬后的力學性能進行分析，結(jié)果表明擴寬后的橋梁性能符合要求。

參考文獻

[1] 王利民.公路改擴建工程橋梁加寬方案技術(shù)研究[J].價值工程，2019，38（29）：91-93.

[2] 陳振.高速公路改擴建空心板橋梁拼寬設(shè)計[J].交通世界，2019（22）：74-76.

[3] 盧建，金生斌.高速公路改擴建中既有中小跨徑橋梁處置方案[J].公路，2019，64（2）：142-146.

[4] 吳雅玲.改擴建工程新舊橋梁基礎(chǔ)差異沉降分析及控制[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2018（10）：68-69.