高速公路橋梁拼寬設(shè)計研究

林友楊 吳 瓊

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司 武漢 430051)

隨著我國交通經(jīng)濟的爆發(fā)式發(fā)展，以往修建的高速公路橋梁已經(jīng)不能滿足交通量的需求[1]，因此高速公路橋梁的拼寬改擴建在我國已成為常見工程。20世紀(jì)90年代以前，公路改造主要局限于普通道路，而且一般是簡單提高路面等級，進入20世紀(jì)90年代后期以來，隨著國家經(jīng)濟的迅速發(fā)展，國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)一些早期修建的高速公路橋梁已經(jīng)不能滿足交通量的需求，部分高速公路已經(jīng)開始進行拓寬改造。高速公路擴建的一個重要的方面是對既有橋梁進行擴建、改造。其中涉及對既有橋梁現(xiàn)狀的認(rèn)識，以及擴建后新、老橋梁共同工作的性能等。因此，在橋梁擴建前對既有橋梁的使用狀況、承載能力進行評定是十分有必要的。

本文以京港澳高速湖北北段改擴建項目中的橋梁作為工程依托，對既有橋梁及改擴建后的新橋進行有限元模型計算分析，進而為橋梁設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

1 工程實例分析

1.1 橋梁概況

既有橋梁為橋?qū)?2.5 m、跨徑20 m的空心板簡支梁橋，共10片主梁，其邊、中板橫斷面及結(jié)構(gòu)形式見圖1和圖2。改擴建后新橋為橋?qū)?0.5 m、跨徑20 m的空心板簡支梁橋，在既有橋梁的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上拼接了6片主梁，一共16片主梁，其結(jié)構(gòu)形式見圖3。

圖1 邊、中板橫斷面(單位：cm)

圖2 既有橋梁上部結(jié)構(gòu)(單位：cm)

圖3 改擴建新橋上部結(jié)構(gòu)(單位：cm)

1.2 有限元模型

本文通過有限元分析軟件midas Civil對既有橋梁及改擴建新橋建立有限元模型，見圖4、圖5。

圖4 既有橋梁有限元模型

圖5 改擴建新橋有限元模型

1.3 計算結(jié)果分析

1.3.1正截面抗彎強度驗算

在JTJ 023-85《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(下文簡稱《85規(guī)范》)體系下，既有橋梁的正截面抗彎強度計算結(jié)果見表1。

表1 既有橋梁跨中正截面抗彎強度驗算結(jié)果

由表1可見，既有橋梁在最不利荷載組合作用下，邊、中板設(shè)計彎矩均小于結(jié)構(gòu)抗力，正截面抗彎承載力能力均滿足《85規(guī)范》要求。

在JTG 3362-2018《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(下文簡稱《18規(guī)范》)體系下，改擴建后新橋的正截面抗彎強度計算結(jié)果見表2。

表2 改擴建新橋跨中正截面抗彎強度驗算結(jié)果

由表2可見，改擴建后新橋在最不利荷載組合作用下，邊、中板設(shè)計彎矩均小于結(jié)構(gòu)抗力，正截面抗彎承載力能力均滿足《18規(guī)范》要求。

1.3.2斜截面抗剪強度驗算

在《85規(guī)范》體系下，既有橋梁在支點附近斜截面抗剪強度計算結(jié)果見表3。

表3 既有橋梁支點附近斜截面抗剪強度驗算結(jié)果

通過計算結(jié)果可以得出，既有橋梁在最不利荷載組合作用下，邊、中板支點附近斜截面設(shè)計剪力均小于結(jié)構(gòu)抗力，抗剪截面均滿足《85規(guī)范》要求，斜截面抗剪承載力均滿足《85規(guī)范》要求。

在《18規(guī)范》體系下，改擴建后新橋在支點附近斜截面抗剪強度計算結(jié)果見表4。

表4 改擴建新橋支點附近斜截面抗剪強度驗算結(jié)果

由表4可見，改擴建后新橋在最不利荷載組合作用下，邊、中板支點附近斜截面設(shè)計剪力均小于結(jié)構(gòu)抗力，抗剪截面均滿足《18規(guī)范》要求，斜截面抗剪承載力均滿足《18規(guī)范》要求。

1.3.3應(yīng)力、抗裂驗算

在《85規(guī)范》體系下，既有橋梁的截面正應(yīng)力計算結(jié)果見表5。

表5 既有橋梁截面正應(yīng)力計算結(jié)果 MPa

由表5可見，既有橋梁在最不利荷載組合作用下，邊、中板上、下緣最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力均小于規(guī)范限值，正應(yīng)力滿足《85規(guī)范》要求。

在《85規(guī)范》體系下，既有橋梁的主應(yīng)力計算結(jié)果見表6。

表6 既有橋梁主應(yīng)力計算結(jié)果 MPa

由表6可見，在最不利荷載組合作用下，邊、中板主應(yīng)力小于規(guī)范限值，滿足《85規(guī)范》要求。

在《18規(guī)范》體系下，改擴建后新橋的邊、中板抗裂計算結(jié)果見表7。

表7 改擴建新橋邊、中板抗裂計算結(jié)果 MPa

由表7可見，改擴建后新橋在最不利荷載組合作用下，邊、中板上、下緣拉應(yīng)力和主拉應(yīng)力均小于規(guī)范限值，抗裂性滿足《18規(guī)范》要求。

1.3.4撓度驗算

在《85規(guī)范》體系下，以汽車荷載(不計沖擊力)計算的上部構(gòu)造最大撓度不應(yīng)超過計算跨徑的1/600，既有橋梁的計算結(jié)果見表8。

表8 既有橋梁撓度計算結(jié)果 mm

由表8可知，以汽車、掛車荷載(不計沖擊力)計算的邊、中板最大撓度均小于規(guī)范限值，滿足《85規(guī)范》要求。

在《18規(guī)范》體系下，受彎構(gòu)件的長期撓度值，在消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長期撓度后主梁的最大撓度不應(yīng)超過計算跨徑的1/600，改擴建后新橋的撓度計算結(jié)果見表9。

表9 改擴建新橋撓度計算結(jié)果 mm

由表9可見，改擴建后新橋邊、中板的長期撓度值，在消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長期撓度后，主梁的最大撓度均小于限值，滿足《18規(guī)范》要求。

2 橋梁拼寬改造技術(shù)研究分析

既有橋梁的改擴建一般有3種方法，第一種方法是上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)均不相連，單獨新建拼寬部分，該種方法的優(yōu)點是對于車流量較大的橋梁是比較實用的，可以在不影響既有橋梁運行的情況下正常施工，既有橋梁和拼寬部分相互不影響，受力簡單，施工方便。其缺點是在既有橋梁與拼寬橋梁相接的瀝鋪裝層橋面易產(chǎn)生縱向裂縫，后期需經(jīng)常對其養(yǎng)護。

第二種方法是上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)均相連，其優(yōu)點是既有橋梁與拼寬部分形成一個整體，一定程度上減小了外部荷載對其產(chǎn)生的過大變形。其缺點是既有橋梁與拼寬部分由于混凝土等新舊材料存在著差異，在相接的位置易產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，并且在施工過程會對既有橋梁的交通運行產(chǎn)生較大影響。

第三種方法是上部結(jié)構(gòu)相連，下部結(jié)構(gòu)不相連，這種方法結(jié)合了前2種方法，橋面瀝青鋪裝不易產(chǎn)生裂縫，同時對整個結(jié)構(gòu)也不會產(chǎn)生過大的附加應(yīng)力，在拼寬施工過程中也可以保持車輛的正常運行。故在既有橋梁的改擴建拼寬項目中廣泛應(yīng)用。

3 結(jié)語

本文以京港澳高速湖北北段改擴建項目為依托，對該項目中的既有橋梁和改擴建后新橋進行有限元建模計算，較為系統(tǒng)地對橋梁承載能力進行了分析，并且研究分析了現(xiàn)有階段的3種拼寬改造技術(shù)，得出以下結(jié)論。

1) 既有橋梁及改擴建后的新橋在正截面抗彎強度、斜截面抗剪強度、抗裂，以及撓度驗算上均滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

2) 在既有橋梁的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對橋梁進行拼寬處理，其承載能力不僅能滿足現(xiàn)有規(guī)范要求，同時還增加了高速公路橋梁的車道數(shù)，提高了其交通通行的能力。

3) 建議采用上部結(jié)構(gòu)相連，下部結(jié)構(gòu)不相連的拼寬方式，這種方法對結(jié)構(gòu)的受力影響較小，同時施工過程也可以保證既有橋梁的正常運行。