郭 森, 孟凡镇, 孟园英

(1. 长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064; 2. 深圳高速工程顾问有限公司, 广东 深圳 518049)

近年来,随着我国交通量的剧增、交通组成的不断改变,相继出现了大量的旧桥改扩建工程.工程实践中,在沪宁高速、广佛高速等公路桥梁的改扩建工程中积累了大量宝贵的设计、施工经验[1-2].在新旧桥梁拼接方式、混凝土收缩徐变的长期效应、新旧桥梁基础不均匀沉降等方面进行了积极的研究与探索.

潘秀艳[3]计算分析了新旧桥梁板宽不同时载荷横向分布的计算方法,优化了新旧桥梁拓宽的拼接方式;徐志强[4]采用梁格法计算分析了拓宽后T梁桥在车辆载荷作用下的内力变化规律.研究结果表明,为减少对旧桥的加固,减小旧梁的内力,应增加新梁的刚度,这样可以提高拼接的效率.周宝标等[5]通过对比分析铰接、刚接等拼接方式的优缺点,得出采用铰接方式拼接对连续箱梁桥结构受力最有利.

综上可知,改扩建工程项目中桥梁的拼接方式、拼接时间、横向拼接构造、施工工艺等因素对新旧桥梁的拼接质量及后期运营效果影响较大.本文分别以简支空心板桥、简支T梁桥为研究对象,利用载荷横向传递规律,对不同拼接方式下的桥梁结构进行仿真计算分析,对其载荷横向分布规律进行研究,进而对拓宽后新旧桥梁的力学性能进行研究分析.

1 工程概况

本文分别以依托工程的10 m预应力混凝土简支空心板桥和20 m预应力混凝土简支T梁桥为例,对拼宽后载荷横向分布系数进行计算,分析载荷横向分布规律.依托工程中典型桥梁旧桥和新桥中梁、边梁截面尺寸、原桥横截面布置图,以及拓宽后桥梁横截面布置如图1、图2所示.

图1 空心板桥截面及拓宽前后桥梁横截面布置图(单位:cm)Fig.1 Layout of cross section of hollow slab bridge and bridge before and after widening (Unit: cm)(a)—旧桥截面尺寸图; (b)—新桥截面尺寸图; (c)—拓宽前旧桥横截面布置图; (d)—拓宽后桥梁横截面布置图.

图2 简支T梁桥截面及拓宽前后桥梁横截面布置图(单位:cm)Fig.2 Arrangement of cross-section of simple T-beam bridge and bridge before and after widening (Unit: cm)(a)—旧桥截面尺寸图; (b)—新桥截面尺寸图;(c)—拓宽前旧桥横截面布置图; (d)—拓宽后桥梁横截面布置图.

2 有限元模型的建立

采用MIDAS/Civil有限元分析软件,根据实际依托工程分别建立不同跨径空心板桥、T梁桥空间梁格模型,新旧桥梁之间按照铰接、半刚接、刚接、刚接+横隔梁几种拓宽方式建立模型,其中不考虑旧桥混凝土的收缩徐变效应.原桥载荷等级为汽车-超20、挂车-120,拓宽后桥梁载荷等级为公路-Ⅰ级[6-7].在空间梁格模型中,主梁为纵向单元,在横桥向采用虚拟横梁将各主梁拼接成整体.其中,虚拟横梁只计入刚度,忽略重量.依托工程计算模型如图3所示.

图3 有限元计算模型示意图Fig.3 Schematic diagram of finite element calculation model(a)—新旧空心板梁; (b)—新旧T梁.

3 不同拼接方式下桥梁的载荷横向分布系数计算与比较

桥梁结构受力性能受结构形式、材料、截面尺寸影响,新旧桥梁拓宽形式确定后,单片梁的载荷横向分布系数越小,该结构的通行能力越高[8].拓宽后桥梁结构中,新桥分担了部分旧桥所承担的载荷.因此,旧桥各梁的载荷横向分布系数将减小.

3.1 不同拼接方式的载荷横向分布系数的计算

通过Dr.Bridge结构计算软件,分别对拓宽前旧桥采用铰接拓宽、刚接拓宽方式,在汽车载荷作用下的桥梁模型进行计算分析,可以得出旧桥拓宽前后各主梁的影响线,进而计算求得各片主梁的载荷横向分布系数[9],见表1、表2.

表1 汽车载荷作用下不同拼接方式10 m空心板

表2 汽车载荷作用下不同拼接方式20 m简支

3.2 不同拼接方式的载荷横向分布系数的比较

根据旧桥拓宽所采用的不同拼接方式,基于有限元分析得到拼宽前后桥梁载荷横向分布系数,将计算结果统计分析后绘制图4.

图4 载荷横向分布系数对比图

由表1、表2及图4可知,采用不同拼接方式拓宽后,与拓宽前旧桥各主梁载荷横向分布系数相比,10 m简支空心板桥旧桥各主梁的载荷横向分布系数均明显减小,简支T梁桥1#梁、2#梁载荷横向分布系数与旧桥相差很小,拼接缝侧4#梁、5#梁的载荷横向分布系数明显小于旧桥主梁载荷横向分布系数.拓宽后桥梁结构的载荷由新、旧桥两部分共同承担.这样,旧桥主梁所承担的载荷减小了.因此,无论采取何种拼接方式对旧桥进行拓宽都可以改善桥梁的整体受力性能,明显提高结构的承载能力.

由图4a、图4c可知,拓宽后的简支空心板桥、简支T梁桥各主梁的载荷横向分布系数从外边梁1#梁向接缝处边梁11#梁、5#梁逐渐减小.表明不同的拼接方式对拼接缝侧旧桥边梁影响最大,对远离拼接缝的旧桥主梁影响很小.

从图4b可以得出,不同的拼接方式对简支空心板桥各主梁的载荷横向分布系数影响不大.由表1可知,刚接方式下简支空心板桥拼接缝侧旧桥边梁载荷横向分布系数略小于铰接方式下的载荷横向分布系数.不论采取何种拼接方式,简支空心板桥新桥主梁的载荷横向分布系数要远大于旧桥各主梁的载荷横向分布系数,这主要是由于新桥主梁截面形式与旧桥不同,主梁截面的整体刚度更大.由图4d可以看出,刚接方式下,T梁桥远离拼接缝处的外边梁载荷横向分布系数相差不大,靠近拼接缝侧新旧主梁的载荷横向分布系数明显小于铰接方式下的载荷横向分布系数.这说明对于简支T梁桥而言,不同的拼接方式对远离拼接缝的边梁影响较小,而对拼接缝侧边梁影响较大.

4 结 论

本文分别以简支空心板桥、简支T梁桥为例,讨论了不同拼接方式对拓宽桥梁结构受力性能的影响.利用载荷横向传递方法,对拓宽前后桥梁的载荷横向分布系数进行计算分析.得出如下结论:

(1) 对于10 m简支空心板桥旧桥而言,拓宽后各主梁的载荷横向分布系数明显减小.

(2) 对20 m简支T梁桥,拓宽后1#梁、2#梁横向分布系数变化不大,拼接缝侧4#梁、5#梁载荷横向分布系数均明显减小.表明拓宽后桥梁结构的载荷由新旧桥共同承担.

(3) 针对铰接、刚接2种拼接方式,空心板桥刚接方式载荷横向分布系数略小于铰接载荷横向分布系数.对简支T梁桥,拼接缝侧主梁刚接方式载荷横向分布系数小于铰接方式下的载荷横向分布系数.因此,在简支空心板桥、简支T梁桥拓宽工程中,采用刚接方式更有利于桥梁结构整体的受力.

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