拼寬梁橋橫向受力及偏載系數分析

杜苗鴻，童漢元，曾子浩

（1.贛州城市投資控股集團有限責任公司，江西 贛州 341000；2.南昌市城市規劃設計研究總院，江西 南昌 330038；3.贛州發展城鎮投資開發有限責任公司，江西 贛州 341000）

0 引 言

隨著我國經濟的不斷發展，人民生活水平的提高，城市交通量不斷增加[1]，對現有的橋梁通行能力提出了更高的要求。早期建造的橋梁由于當時條件的限制，往往其技術標準低以及通行能力不高，已經不能滿足現在社會發展的需求。但是對原有老橋進行拆除重建會造成資金的浪費和環境的污染，因此對橋梁加寬改造深入研究具有十分重要的意義[2]。通過對老橋的拼寬改造處理，可以消除橋梁的安全隱患，提高了橋梁的通行能力和服務水平[3]。橋梁拼寬改造受到混凝土收縮徐變、基礎的不均勻沉降等因素影響[4]，同時不同的橋梁連接形式對結構的受力影響較大，改造過程中需要對上述問題進行分析研究。

本工程的改造方案是將鋼箱梁和原有混凝土橋梁進行拼寬，為了研究不同連接形式下結構受力特性，通過有限元模型，對比分析橋梁橫向受力性能，根據計算結果分析了鉸接和剛接連接形式下的內力分布規律，同時對拼寬橋的偏載系數進行了研究，并提出了合理的建議值。

1 工程概況

本工程老橋主梁為單箱雙室的連續預應力混凝土箱梁，跨徑為25 m+3×30 m+25 m=140 m，橋寬17 m，雙向4 車道，下部結構為花瓶墩、承臺及樁基礎。主梁橫斷面見圖1。

圖1 主梁橫斷面示意（單位：m）

為滿足快速路的通行，橋梁橋面需要改造為雙向6 車道。考慮到經濟性和施工周期，本項目采用新建鋼箱梁和現有混凝土箱梁拼寬的改造方案，橋梁改造方案見圖2。

圖2 橋梁拼寬改造方案示意圖（單位：mm）

新建拼寬鋼橋為單箱單室箱梁，橋寬8 m。和現有混凝土箱梁拼寬組成的橋梁寬度為25 m，中間設置0.5 m 防撞護欄，改造后橋梁滿足雙向6 車道的交通需求。

2 拼寬橋橫向受力分析

2.1 概述

拼寬橋梁中結構的連接形式對受力影響較大，本節主要分析剛接以及鉸接兩種不同連接形式下的拼寬橋受力特性。通過有限元梁格模型，對結構的橫向受力特性進行分析，為橋梁拼寬改造工程提供相應數據支撐。

2.2 有限元模型

采用Midas Civil 建模，新舊橋梁分別以梁單元模擬，其中間采用虛擬橫梁模擬橫向剛度，分別建立模型詳見圖3。分別建立剛性連接模型和鉸接模型。其中，剛接模型的連接邊界模擬方式為共節點，鉸接模型的模擬方式為釋放梁端約束、取消對彎矩的約束。支座布置采用雙支座模擬，考慮扭轉效應。

圖3 計算模型

2.3 結果對比分析

為了研究結構的橫向受力特性，在Midas 中采用橫向移動荷載進行分析，考慮到本橋梁的對稱性，因此本次加載截面主要為三個跨中位置，具體見圖4、圖5。提取加載截面的內力結果，對拼寬橋梁的橫向受力性能進行分析研究。

圖4 橫向荷載加載位置示意圖（單位：m）

圖5 截面主梁橫向位置編號圖（單位：mm）

（1）彎矩計算結果

橫向加載下，各加載截面的彎矩計算結果見圖6。

圖6 各截面彎矩示意圖（單位：kN/m）

由圖6 可知，在橫向移動荷載作用下，剛接模型以及鉸接模型的彎矩圖呈現出兩端縱梁數據接近，中間縱梁彎矩鉸接模型大于剛接模型的規律。其中第一跨加載時3、4 截面位置鉸接模型分別比剛接模型彎矩增大6.73%和12%；第二跨加載時3、4 截面位置鉸接模型分別比剛接模型彎矩增大10.56%和11.59%；第三跨加載時3、4 截面位置鉸接模型分別比剛接模型彎矩增大10.47%和11.47%。分析可知，橋梁鉸接時接縫處不能傳遞彎矩，從而導致拼寬橋中間連接處縱梁的彎矩增大，增大的荷載值相比于剛接模型約11%左右。

（2）軸力計算結果

橫向加載下，各加載截面的軸力計算結果見圖7。

由圖7 可知，在橫向移動荷載作用下，剛接模型以及鉸接模型的軸力圖在橫向截面上兩端差距較大，橫截面中間位置數據較為接近，對鋼箱梁邊梁的影響大于混凝土邊梁。鉸接模型的軸力總體上大于剛接模型，且在混凝土邊梁增大約11%左右，鋼箱梁邊梁增大約50%左右，中間縱梁增大約2%～7%。

圖7 各截面軸力示意圖（單位：kN）

（3）剪力計算結果

橫向加載下，各加載截面的剪力計算結果見圖8。

由圖8 可知，在橫向移動荷載作用下，混凝土梁處兩種模型的剪力基本一致，而鋼箱梁處鉸接模型剪力值明顯大于剛接模型，剪力增大約44%～51%。

圖8 各截面剪力示意圖（單位：kN）

3 拼寬橋偏載系數分析

3.1 概述

箱梁在偏載作用下，其應力的組成共有三部分，分別是彎曲正應力、扭轉正應力以及箱梁翹曲畸變產生的正應力，偏載系數計算見式（1）。由于扭轉和翹曲畸變產生的正應力計算較為復雜[5，6]，因此在工程設計應用中常采用經驗系數。目前來說經驗系數對常規橋梁該方法是適用的，拼寬橋由于寬度較大，因此其偏載系數需要進一步研究。

3.2 有限元模型

有限元模型采用上文中的計算模型一致，橋梁分析截面位置見圖9，分析截面選擇了邊跨跨中截面、墩頂截面以及中跨跨中截面。在加載截面按照規范要求進行影響線加載，通過撓度增大系數和應力增大系數計算不同連接形式下的拼寬橋偏載系數。

圖9 偏載系數分析截面示意圖（單位：m）

3.3 分析結果

通過計算得到拼接前和兩種不同拼接方案的撓度偏載系數和應力偏載系數結果見表1 和表2。

由表1 和表2 可知，橋梁拼寬后，不管是鉸接還是剛接其偏載系數都相對于老橋的偏載系數有所降低，這說明拼寬增加橋梁的橫向剛度有利于荷載的橫向分配。可以得出拼寬后撓度偏載系數的范圍在1.05～1.15 之間，應力偏載系數在1.04～1.17 之間。本工程為了安全考慮建議設計時對不利截面取1.18的偏載系數。

表1 不同方案橋梁撓度偏載系數計算表格

表2 不同方案橋梁應力偏載系數計算表格

4 結 論

（1）連接形式對彎矩的影響主要在橫向截面中間連接位置處，鉸接比剛接約增大10%彎矩效應；連接形式對軸力的影響主要在橫向截面兩端處，且混凝土側影響較鋼箱梁側小，鉸接比剛接分別增大11%和50%剪力效應；連接形式對剪力的影響主要在橫向截面兩端處，且混凝土側基本一致，鋼箱梁側影響較大；鉸接比剛接增大約44%～51%剪力效應。

（2）拼寬橋橋梁不同位置的處的偏載系數不同，同時橋梁的偏載系數是沿橋梁縱向變化的。

（3）橋梁拼寬后其偏載系數較拼寬前均有所降低，橋梁橫向剛度的增加有利于荷載的橫向分配，建議最不利截面偏載系數選取1.18，可供同類工程參考。