汪 龙

(浙江交工宏途交通建设有限公司 杭州市 310051)

0 引言

上个世纪由于经济发展水平和公路桥梁施工技术的限制,我国在中、东部和沿海地区修建的高速公路车道都比较少,等级也较低。进入21世纪,随着我国经济快速发展,汽车保有量不断增加,物流运输和人员流动的需求也逐渐增加,对公路公共交通的要求越来越高。为了提高高速公路沿途地区经济的发展水平,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务期限不长,整体服务性能就下降,现在公路上还存在很多旧桥,这些旧桥梁由于当初设计的荷载较低、养护不当和严重超载等原因,逐渐成为地区经济发展和公路升级改造的棘手问题。如果全部拆除重新建造性能更好的桥梁,将会浪费巨大的资源和资金,同时会对自然环境造成二次伤害,不符合科学发展观。相关专家学者及政府有关部门的实践研究表明,对原有桥梁进行拓宽和加固,形成的新桥梁不但可以提高通行能力、承载力、使用寿命,还可以充分利用原有的高速公路资源,降低成本,减轻对环境的污染,是一种合理科学的公路施工技术,因此对其进行深入研究就显得尤为重要。

为研究桥梁拓宽技术在高速公路中的运用,在现有研究的基础上[1-4],运用有限元软件ANSYS和Midas Civil结合实际工程案例对拓建的新桥梁整体性能进行荷载试验研究,希望能够为高速公路桥梁的拓宽工程提供参考。

1 新建梁体抗震墩柱尺寸有限元模拟

仅从拓宽桥墩尺寸提高其承载能力方面,运用有限元软件对高速公路常见的简支空心板梁桥和简支装配式T梁桥进行有限元模型分析,探讨地震波作用下拓宽后桥梁的稳定性。

1.1 工程概况

选取华东地区某一高速公路中的T梁桥和空心板进行模拟试验分析,此空心板桥梁既有的跨径为13.5m,经过现场勘测和此路段车流量的评估,决定整座梁桥拓宽6.5m,采用C50混凝土作为梁体的主要材料,每一侧增加3.25m,拓宽后的半幅桥梁横截面示意图见图1。

图1 拓宽后空心板新桥横断面示意图(单位:cm)

原来的简支T梁桥跨径为26.5m,1#～5#为旧梁,然后再桥梁梁端都延长3.25m,采用横隔梁的结构把5#梁和6#梁连接起来,新桥梁的半幅横断面如图2所示。

图2 拓宽后T梁桥新桥横断面示意图(单位:cm)

1.2 简支空心板梁桥性能模拟分析

运用有限元软件Midas Civil建立对应的桥梁模型,在盖梁和桥墩顶部之间用刚性连接,盖梁和空心板之间用弹簧连接,桥墩底部进行固结,更科学有效地模拟真实桥梁性能。

利用有限元软件,选择Ritz向量法对旧桥梁和新桥梁的频率和模态进行模拟分析,具体如表1所示。

表1 加宽前后的频率及模态对比

由表1可知,拓宽后的桥梁在第四和第五阶段模态出现了横向弯曲,说明拓宽后的新桥梁比较容易出现横向振动。

选取1940年EI Centro Site 顺桥向地面加速度时程,峰值为341.7cm/s2,原有桥梁桥墩的直径为1.3m,试验时间约为54s,同时使用振型叠加法对相关抗震数据进行研究分析。得到新旧盖梁顶部的位移和新旧墩底弯矩大小比较结果,如表2所示。

表2 空心板梁桥的墩顶位移和墩底弯矩

从表2可以看出,在地震波的作用下,当桥墩直径逐渐变大,新旧桥盖梁顶位移反而减少,同时新旧桥墩底拉应力值也逐渐变小,且变化值不大,说明桥梁上部结构的附加内力可以忽略不计,可认为加宽后桥梁整体的性能提升了,因此建议新增桥墩应选择和旧桥墩一样的尺寸。

1.3 简支装配式T梁桥性能模拟分析

运用有限元软件Midas Civil建立对应的桥梁模型,在盖梁和桥墩顶部之间用刚性连接,盖梁和空心板之间用弹簧连接,桥墩底部进行固结。

利用有限元软件,选择Ritz向量法对旧桥梁和新桥梁的频率和模态进行模拟分析,具体如表3所示。

表3 加宽前后的频率及模态对比

由表3数据可知,由于桥墩较高,前面几阶振型主要为桥墩的振动;桥梁拓宽后,出现了横向振动,主要是因为宽跨比增加了。

选取1940年EI Centro Site 顺桥向地面加速度时程,峰值为341.7cm/s2,原有桥梁桥墩的直径为1.3m,试验时间约为54s,同时使用振型叠加法对相关抗震数据进行研究分析。得到新旧盖梁顶部的位移和新旧墩底弯矩大小比较结果,如表4所示。

表4 T梁桥的墩顶位移和墩底弯矩

表4对比了地震作用下新旧桥墩墩底弯矩的变化,可以得知,新建桥墩和旧桥墩尺寸相差很小的时候,此时新旧桥变形几乎一致,可以认为按照旧桥墩尺寸来新增桥墩的方案可行,可以满足承载要求。

2 新建梁体刚度值分析

2.1 荷载横向分布的均匀性系数

横向分布影响线的均值和对应最大值的比值成为荷载横向分布均匀性系数,一般用K来表示,扩宽前后K值的变化用表示,K表示结构整体性,对应的K值越大说明结构整体性越好,ΔK越大,表示扩宽后结构整体性能越好[5-8]。

(1)

ΔK=K1-K2

(2)

其中,μ表示横向分布影响线的均值;ηmax表示横向分布影响线的最大值;K1表示未扩宽时的横向分布影响线均匀性系数;K2表示扩宽后横向分布影响线均匀性系数。

2.2 T梁桥横向分布系数计算

抗弯惯性矩用I表示,通过采用偏心压力法来计算每片梁的荷载,对新建的五种梁体弯矩采用偏心压力法来分析横向荷载的变化,从而研究新旧梁体抗弯惯性矩和梁体所受荷载之间的相互关系,具体计算结果见表5。

表5 单位荷载作用于5#梁时各梁的荷载分配情况

从表5可以得到,在桥梁拓宽以后, 各主梁的横向分布系数和旧梁相比都比较低,说明拓宽以后新桥墩吸收了一部分荷载,和实际情况相符合。当新旧梁刚度比为0.7时,对应的K值和ΔK值最大,说明新桥的结构性能变好。

2.3 空心板桥横向分布系数计算

抗弯惯性矩用I表示,通过采用偏心压力法来计算每片梁的荷载,对新建的五种梁体弯矩采用偏心压力法来分析横向荷载的变化,从而研究新旧梁体抗弯惯性矩和梁体所受荷载之间的相互关系,具体计算结果见表6。

表6 单位荷载作用于 12#梁时各梁的荷载分配情况

从表6分析可知,桥梁拓宽以后的新桥各主梁的承受的荷载都比旧梁的数值小,主要原因是新增后的桥墩起到承担荷载的作用,和实际情况相符合。当新旧梁刚度比为1.2时,对应的K值和ΔK值最大,整体桥梁的稳定性增强。

3 工程案例分析

以沪杭高速公路拓宽T梁桥加宽工程为试验案例,选取某一桥梁进行实桥荷载试验,同时运用有限元软件来验证拓宽后桥梁整体性能,采用研究的成果进行桥梁拓宽,新桥墩采用和旧桥墩一样的尺寸,同时新梁体刚度比控制在0.7～1.2之间。

按照弯矩等效原则通过有限元软件的模拟提出最终加载车辆的荷载为350kN,车辆数量为四辆,加载车的轴距和轴重见图3。

图3 加载汽车轴重、轴距图(单位:cm)

采用脉动试验来收集桥梁结构的自振频率,通过传感器收集到的时程曲线图见图4,平均谱见图5。

图4 脉动试验时程曲线图

图5 平均谱分析图

桥梁结构的振动时程曲线和动挠度可以通过跑车动载试验收集得到,进而得到冲击系数。由于实验条件限制,分别以车速20km/h和40km/h的速度来进行动载试验,最终收集到试验桥梁的振动响应。具体的时程曲线见图6和图7。

图6 20km/h 跑车速度时程曲线图

图7 40km/h 跑车速度时程曲线图

由图4～图7可知,通过有限元模型模拟得到该试验桥的理论频率为2.7Hz,而实际测到的频率为3.5Hz,实测频率值大于模型理论值,说明拓宽桥梁后的整体动力性能和梁桥动刚度能够满足要求。

4 结论

为研究桥梁拓宽技术在高速公路中的运用,运用有限元软件ANSYS和Midas Civil结合实际工程案例对拓建的新桥梁整体性能进行荷载试验研究。研究结果表明:各主梁的横向分布系数不论是在装配式T梁桥还是空心板梁桥中都比旧桥梁低,在外界荷载和其他环境因素不变的情况下,梁体的刚度和其承受荷载的能力成正比,桥梁的整体性能更好;桥梁拓宽后,宽跨比增加,为避免出现横桥向的振动,应当在结构承受力允许的情况下,将新旧梁刚度比控制在0.7～1.2,新桥梁桥墩尺寸应该尽量和旧桥梁桥墩尺寸接近甚至一致。