空心板橋梁加寬對舊橋上部結(jié)構(gòu)受力的影響
摘要：本文針對高速公路16m跨徑空心板橋梁結(jié)構(gòu)的加寬，建立空間梁格模型，考慮恒載、活載等級變化、新橋沉降及材料收縮徐變的效應(yīng)，分析舊橋上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力的變化趨勢，并判斷舊橋梁體的安全性。
關(guān)鍵詞：空心板橋梁加寬,拼接,梁格法,有限元分析
隨著珠江三角洲地區(qū)經(jīng)濟的高速發(fā)展，高速公路逐漸連接成網(wǎng)，交通流量大增，目前道路服務(wù)水平明顯降低，高峰時段常有交通事故發(fā)生。為發(fā)揮高速公路的最大效益，滿足經(jīng)濟發(fā)展的需要，擬將佛開高速公路謝邊至三堡段長46.1km按雙向八車道標準進行改擴建。橋梁加寬擴建成為高速公路改擴建關(guān)鍵技術(shù)之一，針對目前我省已建成高速公路的橋梁結(jié)構(gòu)中,大量使用了部頒典型空心板簡支梁結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀,本文對16m跨徑空心板梁橋的加寬進行研究,分析橋梁加寬設(shè)計中關(guān)心的加寬后舊橋上部構(gòu)造的內(nèi)力變化趨勢，為橋梁加寬設(shè)計提供依據(jù)。
1空心板橋梁加寬方案介紹
本方案結(jié)構(gòu)特性為鉸接,采用鉸縫與整體化層共同連接，在舊橋空心板邊緣植入鋼筋,新橋則預(yù)埋，新梁架梁并預(yù)壓一年后,待收縮徐變基本完成時再進行連接。施工前先將舊橋邊緣50cm范圍橋面鋪裝及整體層鑿開,置放連接鋼筋,再在鑿開的整體層內(nèi)澆筑C40混凝土,橋面鋪裝仍為瀝青砼�？招陌辶浩唇臃桨钙唇訕�(gòu)造如圖1.1。
2計算分析
計算中實際建模時，利用MIDAS（civil）程序，建立全橋空間仿真模型，將全橋劃分為900個節(jié)點，1867個單元，8個施工階段及1個運營階段。新、舊橋空心板見采用鉸接連接方式，單元組成：空心板采用空間梁格模擬，整體化層采用薄板單元。板與梁通過共節(jié)點連接。鉸縫模擬：各空心板之間用橫向梁單元連接，通過釋放梁端約束來模擬鉸接。具體拼接方式見圖2.1所示(1#-8#梁為新橋，9#-19＃為舊橋),8#梁及9#梁拼接。其結(jié)構(gòu)仿真模型如圖2.1。
2.1恒載作用下跨中恒載作用下位移
通過對拼接和不拼接情況下靠近拼接縫處幾片空心板梁撓度進行對比得出結(jié)論，預(yù)應(yīng)力空心板梁預(yù)應(yīng)力的作用下產(chǎn)生上撓變形，在不拼接的情況下，舊橋已經(jīng)經(jīng)過多年的收縮徐變，其變形已經(jīng)接近停止，在新橋建成10年內(nèi)舊橋9#空心板跨中撓度變形從-14.8mm增加到-15.8mm，增幅僅增加0.3mm；新橋由于建成不久，其收縮徐變對撓度的影響較為明顯，在運營十年后恒載作用下新橋8#空心板的跨中撓度變形為-22.1mm，和建成時-19.2mm相比增加2.9mm。在拼接情況下，舊橋和新橋之間相互作用，舊橋在拼接后由于受到新橋空心板上撓趨勢的影響，對其有向上拖的趨勢，其9#空心板跨中撓度經(jīng)10年運營之后由-14.8mm變?yōu)?15.8mm，跨中上撓撓度增加1mm，與不拼接情況相比，撓度增加0.7mm；同樣新橋變形由于舊橋?qū)ζ渥璧K作用，新橋8#空心板經(jīng)過10年的收縮徐變跨中撓度增加1.2mm，與不拼接時增加的2.9mm相比減少1.7mm。
從以上對比結(jié)果可以看出，新橋?qū)εf橋變形起到積極的作用，使舊橋繼續(xù)往上變形，這對于舊橋受力是有利的，而舊橋?qū)π聵虻淖冃纹鹱璧K作用這相對與自由變形下的新橋而言，對其受力是不利的。
2.2支反力比較
計算結(jié)果表明，支反力發(fā)生變化的主要是相連的兩邊板和靠近相連處的新老橋兩中板（下表中分別用新中支座和老中支座表示）。表2.1表統(tǒng)計出了支反力的變化幅度，其中以拼接前為基準值。
表2.1支反力的變化比較表
上表可知：由于新橋空心板向上撓的帶動作用，相臨幾片梁的支座反力發(fā)生了重新分配，拼接前后支反力的變化不大，支座不易出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。
2.3恒載作用下內(nèi)力（彎矩、剪力）比較
新、舊結(jié)構(gòu)拼接后結(jié)構(gòu)體系發(fā)生改變，收縮、徐變引起的相對位移差使得新、舊結(jié)構(gòu)內(nèi)力發(fā)生變化。
由表2.2可以看出，拼接后，由于新橋收縮對舊橋向上拖的作用，舊橋跨中負彎矩繼續(xù)增大，新橋變形由于受到舊橋的阻礙作用以及收縮徐變的影響，其跨中彎矩較小進一步加劇，但仍未出現(xiàn)正彎矩。拼接前后在拼接位置老橋空心板受新橋上撓所帶來的影響，其支座附近剪力呈明顯減小。新橋由于上撓過程中受到老橋阻礙作用,其支座附近剪力明顯增大。
2.4支座沉降作用下的比較
由于空心板拼接采用鉸接連接，新舊橋梁之間主要是通過剪力來進行內(nèi)力傳遞。以下是新橋空心板按照沉降2mm進行考慮的計算結(jié)果。
由表2.3可以看出，新橋支座沉降對舊橋產(chǎn)生向下的拖動作用，對舊橋產(chǎn)生正彎矩和剪力，舊橋跨中彎矩增大，支座剪力增大，由此可知，沉降將對舊橋產(chǎn)生不利影響。新橋跨中彎矩進一步減小，支座剪力減小，可見沉降對新橋受力有利。沉降還對新、舊橋梁產(chǎn)生一扭矩作用，產(chǎn)生的扭矩較小，不對結(jié)構(gòu)造成大的影響。
2.5活載作用下的比較
在拼接前舊橋采用QC-C20汽車荷載（JTJ021-89規(guī)范），新橋采用公路I級汽車荷載（JTGD60-2004），拼接后橋梁均采用公路I級汽車荷載（JTGD60-2004）。拼接前后空心板橫向分布系數(shù)變化對比見表2.4
從表2.4中可以看出，拼接前后舊橋9#梁由邊梁轉(zhuǎn)化為中梁，其橫向分布系數(shù)明顯減小，由于拼接前后結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)變，舊橋其它空心板橫向分布系數(shù)也有不同程度減小。
2.6拼接前后舊橋內(nèi)力變化趨勢
在恒載、活載、支座沉降作用下，拼接對舊橋受力產(chǎn)生有利和無利的影響，本節(jié)將對在這些影響的共同作用下對橋梁產(chǎn)生的影響情況進行匯總分析。表2.5給出了拼接前后空心板梁內(nèi)力影響變化對比情況。
拼接前后汽車荷載等級由QC-C20汽車荷載（JTJ021-89規(guī)范）提升為公路I級汽車荷載（JTGD60-2004），舊橋跨中彎矩在拼接梁附近由于橫向分布系數(shù)降低的影響比荷載等級提升的影響大，其活載彎矩有所減小，在遠離拼接縫處，橫向分布系數(shù)減小幅度降低，且活載等級提升，跨中彎矩出現(xiàn)明顯增加。
3、結(jié)論
(1)加寬拼接前后新、舊橋均未出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象。
(2)加寬拼接后舊橋拼接處邊梁變中梁，在活載作用下，舊橋空心板跨中彎矩在拼接縫附近9#～12#梁有所減小，其余有所增加。
(3)加寬拼接后舊橋空心板在拼接縫附近9#～12#梁座附近剪力有所減小，其它梁支座附近剪力有所增加。
(4)拼接后需對舊橋空心板最外邊梁進行承載力驗算以確定結(jié)構(gòu)是否需要進行補償加固。
