橋梁拓寬技術在高速公路中的運用研究

汪 龍

(浙江交工宏途交通建設有限公司 杭州市 310051)

0 引言

上個世紀由于經濟發展水平和公路橋梁施工技術的限制,我國在中、東部和沿海地區修建的高速公路車道都比較少,等級也較低。進入21世紀,隨著我國經濟快速發展,汽車保有量不斷增加,物流運輸和人員流動的需求也逐漸增加,對公路公共交通的要求越來越高。為了提高高速公路沿途地區經濟的發展水平,高速公路的修建或者改造迫在眉睫,很多高速公路建成后服務期限不長,整體服務性能就下降,現在公路上還存在很多舊橋,這些舊橋梁由于當初設計的荷載較低、養護不當和嚴重超載等原因,逐漸成為地區經濟發展和公路升級改造的棘手問題。如果全部拆除重新建造性能更好的橋梁,將會浪費巨大的資源和資金,同時會對自然環境造成二次傷害,不符合科學發展觀。相關專家學者及政府有關部門的實踐研究表明,對原有橋梁進行拓寬和加固,形成的新橋梁不但可以提高通行能力、承載力、使用壽命,還可以充分利用原有的高速公路資源,降低成本,減輕對環境的污染,是一種合理科學的公路施工技術,因此對其進行深入研究就顯得尤為重要。

為研究橋梁拓寬技術在高速公路中的運用,在現有研究的基礎上[1-4],運用有限元軟件ANSYS和Midas Civil結合實際工程案例對拓建的新橋梁整體性能進行荷載試驗研究,希望能夠為高速公路橋梁的拓寬工程提供參考。

1 新建梁體抗震墩柱尺寸有限元模擬

僅從拓寬橋墩尺寸提高其承載能力方面,運用有限元軟件對高速公路常見的簡支空心板梁橋和簡支裝配式T梁橋進行有限元模型分析,探討地震波作用下拓寬后橋梁的穩定性。

1.1 工程概況

選取華東地區某一高速公路中的T梁橋和空心板進行模擬試驗分析,此空心板橋梁既有的跨徑為13.5m,經過現場勘測和此路段車流量的評估,決定整座梁橋拓寬6.5m,采用C50混凝土作為梁體的主要材料,每一側增加3.25m,拓寬后的半幅橋梁橫截面示意圖見圖1。

圖1 拓寬后空心板新橋橫斷面示意圖(單位:cm)

原來的簡支T梁橋跨徑為26.5m,1#～5#為舊梁,然后再橋梁梁端都延長3.25m,采用橫隔梁的結構把5#梁和6#梁連接起來,新橋梁的半幅橫斷面如圖2所示。

圖2 拓寬后T梁橋新橋橫斷面示意圖(單位:cm)

1.2 簡支空心板梁橋性能模擬分析

運用有限元軟件Midas Civil建立對應的橋梁模型,在蓋梁和橋墩頂部之間用剛性連接,蓋梁和空心板之間用彈簧連接,橋墩底部進行固結,更科學有效地模擬真實橋梁性能。

利用有限元軟件,選擇Ritz向量法對舊橋梁和新橋梁的頻率和模態進行模擬分析,具體如表1所示。

表1 加寬前后的頻率及模態對比

由表1可知,拓寬后的橋梁在第四和第五階段模態出現了橫向彎曲,說明拓寬后的新橋梁比較容易出現橫向振動。

選取1940年EI Centro Site 順橋向地面加速度時程,峰值為341.7cm/s2,原有橋梁橋墩的直徑為1.3m,試驗時間約為54s,同時使用振型疊加法對相關抗震數據進行研究分析。得到新舊蓋梁頂部的位移和新舊墩底彎矩大小比較結果,如表2所示。

表2 空心板梁橋的墩頂位移和墩底彎矩

從表2可以看出,在地震波的作用下,當橋墩直徑逐漸變大,新舊橋蓋梁頂位移反而減少,同時新舊橋墩底拉應力值也逐漸變小,且變化值不大,說明橋梁上部結構的附加內力可以忽略不計,可認為加寬后橋梁整體的性能提升了,因此建議新增橋墩應選擇和舊橋墩一樣的尺寸。

1.3 簡支裝配式T梁橋性能模擬分析

運用有限元軟件Midas Civil建立對應的橋梁模型,在蓋梁和橋墩頂部之間用剛性連接,蓋梁和空心板之間用彈簧連接,橋墩底部進行固結。

利用有限元軟件,選擇Ritz向量法對舊橋梁和新橋梁的頻率和模態進行模擬分析,具體如表3所示。

表3 加寬前后的頻率及模態對比

由表3數據可知,由于橋墩較高,前面幾階振型主要為橋墩的振動;橋梁拓寬后,出現了橫向振動,主要是因為寬跨比增加了。

選取1940年EI Centro Site 順橋向地面加速度時程,峰值為341.7cm/s2,原有橋梁橋墩的直徑為1.3m,試驗時間約為54s,同時使用振型疊加法對相關抗震數據進行研究分析。得到新舊蓋梁頂部的位移和新舊墩底彎矩大小比較結果,如表4所示。

表4 T梁橋的墩頂位移和墩底彎矩

表4對比了地震作用下新舊橋墩墩底彎矩的變化,可以得知,新建橋墩和舊橋墩尺寸相差很小的時候,此時新舊橋變形幾乎一致,可以認為按照舊橋墩尺寸來新增橋墩的方案可行,可以滿足承載要求。

2 新建梁體剛度值分析

2.1 荷載橫向分布的均勻性系數

橫向分布影響線的均值和對應最大值的比值成為荷載橫向分布均勻性系數,一般用K來表示,擴寬前后K值的變化用表示,K表示結構整體性,對應的K值越大說明結構整體性越好,ΔK越大,表示擴寬后結構整體性能越好[5-8]。

(1)

ΔK=K1-K2

(2)

其中,μ表示橫向分布影響線的均值;ηmax表示橫向分布影響線的最大值;K1表示未擴寬時的橫向分布影響線均勻性系數;K2表示擴寬后橫向分布影響線均勻性系數。

2.2 T梁橋橫向分布系數計算

抗彎慣性矩用I表示,通過采用偏心壓力法來計算每片梁的荷載,對新建的五種梁體彎矩采用偏心壓力法來分析橫向荷載的變化,從而研究新舊梁體抗彎慣性矩和梁體所受荷載之間的相互關系,具體計算結果見表5。

表5 單位荷載作用于5#梁時各梁的荷載分配情況

從表5可以得到,在橋梁拓寬以后, 各主梁的橫向分布系數和舊梁相比都比較低,說明拓寬以后新橋墩吸收了一部分荷載,和實際情況相符合。當新舊梁剛度比為0.7時,對應的K值和ΔK值最大,說明新橋的結構性能變好。

2.3 空心板橋橫向分布系數計算

抗彎慣性矩用I表示,通過采用偏心壓力法來計算每片梁的荷載,對新建的五種梁體彎矩采用偏心壓力法來分析橫向荷載的變化,從而研究新舊梁體抗彎慣性矩和梁體所受荷載之間的相互關系,具體計算結果見表6。

表6 單位荷載作用于 12#梁時各梁的荷載分配情況

從表6分析可知,橋梁拓寬以后的新橋各主梁的承受的荷載都比舊梁的數值小,主要原因是新增后的橋墩起到承擔荷載的作用,和實際情況相符合。當新舊梁剛度比為1.2時,對應的K值和ΔK值最大,整體橋梁的穩定性增強。

3 工程案例分析

以滬杭高速公路拓寬T梁橋加寬工程為試驗案例,選取某一橋梁進行實橋荷載試驗,同時運用有限元軟件來驗證拓寬后橋梁整體性能,采用研究的成果進行橋梁拓寬,新橋墩采用和舊橋墩一樣的尺寸,同時新梁體剛度比控制在0.7～1.2之間。

按照彎矩等效原則通過有限元軟件的模擬提出最終加載車輛的荷載為350kN,車輛數量為四輛,加載車的軸距和軸重見圖3。

圖3 加載汽車軸重、軸距圖(單位:cm)

采用脈動試驗來收集橋梁結構的自振頻率,通過傳感器收集到的時程曲線圖見圖4,平均譜見圖5。

圖4 脈動試驗時程曲線圖

圖5 平均譜分析圖

橋梁結構的振動時程曲線和動撓度可以通過跑車動載試驗收集得到,進而得到沖擊系數。由于實驗條件限制,分別以車速20km/h和40km/h的速度來進行動載試驗,最終收集到試驗橋梁的振動響應。具體的時程曲線見圖6和圖7。

圖6 20km/h 跑車速度時程曲線圖

圖7 40km/h 跑車速度時程曲線圖

由圖4～圖7可知,通過有限元模型模擬得到該試驗橋的理論頻率為2.7Hz,而實際測到的頻率為3.5Hz,實測頻率值大于模型理論值,說明拓寬橋梁后的整體動力性能和梁橋動剛度能夠滿足要求。

4 結論

為研究橋梁拓寬技術在高速公路中的運用,運用有限元軟件ANSYS和Midas Civil結合實際工程案例對拓建的新橋梁整體性能進行荷載試驗研究。研究結果表明:各主梁的橫向分布系數不論是在裝配式T梁橋還是空心板梁橋中都比舊橋梁低,在外界荷載和其他環境因素不變的情況下,梁體的剛度和其承受荷載的能力成正比,橋梁的整體性能更好;橋梁拓寬后,寬跨比增加,為避免出現橫橋向的振動,應當在結構承受力允許的情況下,將新舊梁剛度比控制在0.7～1.2,新橋梁橋墩尺寸應該盡量和舊橋梁橋墩尺寸接近甚至一致。