小箱梁橋舊橋加寬受力特性研究

魏 偉

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032)

1 研究背景及現(xiàn)狀

近年來，國省干線公路作為重要的運(yùn)輸通道，通行大量重型車輛且日益增多，同時由于各種因素的存在，橋梁自身也會有較多的病害，且難以恢復(fù)，降低了其承載能力，減少服役年限，也會有相當(dāng)大比例的橋梁無法滿足現(xiàn)階段的使用要求，一些老舊橋梁已經(jīng)成為運(yùn)輸通道上的瓶頸，這就需要我們將較窄的舊橋進(jìn)行拓寬，科學(xué)合理的對橋梁加寬改建，以滿足通行要求。許多道路都面臨著改擴(kuò)建、提升技術(shù)等級、增加通行能力的問題，山西省太原環(huán)城高速拓寬改造等項(xiàng)目已經(jīng)開始實(shí)施，黎城縣(冀晉界)至長治公路改擴(kuò)建工程等項(xiàng)目已經(jīng)建成通車，還有多條高速公路在未來幾年即將實(shí)施。

目前，國內(nèi)外橋梁學(xué)者對于混凝土梁橋的拓寬有了較多的研究和探索，根據(jù)各個實(shí)際工程進(jìn)行監(jiān)控量測而后提出了不同的理論，同時也在工程實(shí)踐中進(jìn)行了驗(yàn)證。然而不同學(xué)者針對同一個因素得出的結(jié)果不盡一致，甚至相反的結(jié)論，這也導(dǎo)致廣大橋梁設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行加寬設(shè)計(jì)時面對類似問題沒有確切的理論依據(jù)。且絕大多數(shù)學(xué)者所做研究均是針對某座特定形式的橋梁，所得結(jié)果也僅能適用于該橋梁。然而舊橋加寬情況各異、條件復(fù)雜，行業(yè)內(nèi)沒有一套完整的針對不同橋型、不同跨徑、不同上部結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)理論和參考依據(jù)。此外在公路橋梁加寬設(shè)計(jì)中須考慮的因素較多，目前的研究成果尚不能較好的指導(dǎo)設(shè)計(jì)。

2 工程概況

該橋型結(jié)構(gòu)為3×20 m鋼筋混凝土小箱梁，全長65 m，梁高1.2 m，下部結(jié)構(gòu)橋臺采用柱式臺，橋墩采用柱式墩，樁基采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，平面位于直線上，縱斷面縱坡0.31%，橋面鋪裝為10 cm瀝青混凝土+10 cmC50混凝土鋪裝。

(1)設(shè)計(jì)荷載：公路-Ⅰ級；

(2)橋面結(jié)構(gòu)：0.5 m(防撞護(hù)欄)+11.5 m(原橋橋面凈寬)+4.7(加寬橋橋面凈寬)+0.5 m(防撞護(hù)欄)=17.2 m；

(3)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)：1.1。

3 模型建立分析

小箱梁新舊橋上部結(jié)構(gòu)拼接的方式有：濕接縫連接；新舊橋之間預(yù)留約2 cm的工作縫，通過預(yù)埋鋼板連接；橫隔板鏈接等。本次梁格模型的建立是基于上述工程實(shí)例，在原橋基礎(chǔ)上采用濕接縫連接的方式分別進(jìn)行加寬兩片梁、三片梁收縮對新舊橋接縫處剪應(yīng)力以及接縫處主梁應(yīng)力的影響，分析在時間發(fā)展上的規(guī)律性，主要分為存梁60 d、90 d、120 d、180 d四種情況。

在本次設(shè)計(jì)中梁寬2.4 m，按新標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。該模型采用MADIS 2012進(jìn)行計(jì)算，原橋四根主梁，主梁劃分主要依據(jù)為各縱梁的中性軸同原橋梁整體截面的中性軸盡量重合。主梁抗扭剛度采用漢勃利《上部構(gòu)造性能》一書理論進(jìn)行修正。在一般梁段以虛擬橫梁相連，虛擬橫梁間隔為1 m左右，虛擬橫梁截面高度取翼緣板的厚度，截面寬度同虛擬橫梁的數(shù)量和間距有關(guān)，并將虛擬橫梁的自重系數(shù)調(diào)整為0.20 m小箱梁加寬兩片梁，共1 294個節(jié)點(diǎn)，1 692個單元(包括梁單元和板單元)。模型的建立情況見圖1所示。

圖1 20 m小箱梁加寬兩片梁模型

4 受力分析

4.1 荷載橫向傳遞規(guī)律分析

對于拓寬結(jié)構(gòu)，其可以采用多種連接形式，不同的連接形式也會導(dǎo)致荷載的傳遞規(guī)律也大相徑庭，由此可知對拓寬橋梁的內(nèi)力傳遞的計(jì)算總結(jié)具有實(shí)際的指導(dǎo)意義，不同位置荷載橫向傳遞的計(jì)算采用指標(biāo)也不相同。本次計(jì)算以20 m小箱梁加寬兩片梁為例。

小箱梁通過采用不同橫梁個數(shù)來模擬不同連接剛度進(jìn)行加寬，根據(jù)設(shè)計(jì)中實(shí)際可行方案確定橫向聯(lián)系的橫梁個數(shù)分別為1個和3個，然后提取汽車荷載作用下各個梁的撓度。根據(jù)公式(1)可得各個主梁橫向分布系數(shù)。

(1)

式中：mi為橫向分布系數(shù)；fi為主梁撓度；EI為主梁抗彎剛度；n為車道數(shù)與橫向折減系數(shù)的乘積。計(jì)算結(jié)果見表1及圖2所示。

通過計(jì)算結(jié)果可以看出，加寬后的原結(jié)構(gòu)各個主梁橫向分布系數(shù)有明顯減小，這可以理解為加寬后車道數(shù)增加引起上部活載增加，新增主梁承擔(dān)了較多荷載。

表1 20 m小箱梁加寬兩片梁

圖2 20 m小箱梁加寬橫向分布系數(shù)變化規(guī)律圖

4.2 有限元分析

20 m小箱梁加寬兩片梁、三片梁收縮對新舊橋接縫處剪應(yīng)力以及接縫處主梁應(yīng)力的影響，分析在時間發(fā)展上的規(guī)律性，主要分為存梁60 d、90 d、120 d、180 d四種情況。

(1)拼接處的縱向應(yīng)力分析

圖3 20 m小箱梁加寬兩片梁4#梁頂應(yīng)力

圖4 20 m小箱梁加寬兩片梁5#梁頂應(yīng)力

圖5 20 m小箱梁加寬三片梁4#梁頂應(yīng)力

圖6 20 m小箱梁加寬三片梁5#梁頂應(yīng)力

從上圖不同加寬梁片數(shù)的變化趨勢可以得出：時間間隔越短進(jìn)行接縫連接，各種不利因素的影響越大，在新舊橋邊梁產(chǎn)生的應(yīng)力越大；時間間隔越久進(jìn)行接縫連接，會大大降低不利結(jié)果。

(2)拼接處的剪力分析

圖7 20 m小箱梁加寬兩片梁

圖8 20 m小箱梁加寬三片梁

從圖8不同加寬梁片數(shù)的變化趨勢可以得出：拼接處的剪力均隨著時間的增大而變小，剪力減小會降低新舊橋拼接后在接縫處產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié) 論

(1)收縮以及徐變產(chǎn)生的影響是隨時間變化而漸漸產(chǎn)生，從我國現(xiàn)行的公路橋規(guī)可以看出收縮、徐變變化遵從混凝土齡期越小發(fā)展越快的規(guī)律，整體曲線類似指數(shù)函數(shù)。收縮徐變在初始階段發(fā)展迅速，以后隨時間發(fā)展收縮徐變的速率開始減小，因此新舊橋?qū)B接的時間點(diǎn)較為敏感。舊橋拼寬

后的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)對連接時間點(diǎn)的相關(guān)性很高。同時時間因素從施工便利性、經(jīng)濟(jì)性及技術(shù)難易程度等方面均有較大優(yōu)勢。基于以上原因考慮，對新舊結(jié)構(gòu)的連接時間與工期進(jìn)度進(jìn)行分析，尋找最合理的平衡點(diǎn)，將收縮、徐變對結(jié)構(gòu)的不利影響降到最低。

(2)不同的時間連接點(diǎn)對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力有較大的影響，但其變化規(guī)律相一致。從不同加寬梁片數(shù)的計(jì)算數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析可以得出，在三個月至半年的時間間隔內(nèi)進(jìn)行接縫連接較為合適，如果通車時間允許，應(yīng)盡量延長接縫的連接時間，拼接處的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力隨之減小，收縮徐變對舊橋的內(nèi)力的不利影響也相應(yīng)降低。

(3)從橫向分布數(shù)據(jù)可以看出，中橫梁個數(shù)的增加并沒有對橫向傳力體系作出明顯貢獻(xiàn)，這點(diǎn)可以避免在中小跨徑箱梁(20～35 m)結(jié)構(gòu)形式的橋梁進(jìn)行加寬時盲目增加橫梁個數(shù)，造成設(shè)計(jì)及施工的不便。通過計(jì)算可以看出加寬后的原結(jié)構(gòu)各個主梁橫向分布系數(shù)有明顯減小，舊橋加寬大部分情況需要提高荷載等級，新增梁片分擔(dān)舊橋荷載符合舊橋加寬要求。