不同橫向連接方式對(duì)拓寬裝配式小箱梁混合受力性能研究

黃永超

（山西路橋第一工程有限責(zé)任公司，山西 太原 030006）

隨著國(guó)內(nèi)交通事業(yè)的大力發(fā)展，高速公路網(wǎng)域逐年遞增，但早期修建的高速公路已無(wú)法滿足現(xiàn)有的交通量需求，急需對(duì)已有的高速公路進(jìn)行擴(kuò)建改造。

高速公路的擴(kuò)建改造必然涉及到橋梁拼寬改造。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)學(xué)者針對(duì)空心板，T梁等橋型的拼寬問(wèn)題研究已很成熟，而裝配式小箱梁相對(duì)研究較少[1-2]。橋梁拼寬改造的成功關(guān)鍵在于選取合適的橫向連接方式。因此有必要研究不同橫向連接方式對(duì)拓寬裝配式小箱梁混合受力性能的影響[3]。

1 裝配式箱梁主梁橫向連接構(gòu)造

依托工程為430 m預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁。舊橋單側(cè)拓寬，加寬7.5 m。新舊橋主梁橫向連接方式有鉸接、半剛接、弱剛接、強(qiáng)剛接4種方式，連接構(gòu)造示意如圖1所示。

2 有限元模型的建立

2.1 結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)

依托工程中新橋、舊橋的邊，中梁跨中截面尺寸如表1所示，拓寬后橋梁橫截面布置和主梁編號(hào)如圖2所示。

圖1 裝配式小箱梁主梁橫向連接構(gòu)造（單位：cm）

表1 結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù) cm

圖2 拓寬后箱梁主梁編號(hào)示意（單位：cm）

2.2 建立有限元模型

采用MIDAS CIVIL軟件建立空間梁格模型，新舊橋結(jié)構(gòu)之間按照鉸接、弱剛接、強(qiáng)剛接3種橫向連接方式分別建立相對(duì)應(yīng)的模型。在梁格建模時(shí)，將主梁作為縱向單元，橫橋向依據(jù)實(shí)際橫向剛度采用虛擬橫梁與主梁連接起來(lái)。虛擬橫梁只有剛度（不計(jì)質(zhì)量），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)橫向剛度的模擬。

鉸接模型是在弱剛接模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)應(yīng)單元釋放梁端約束來(lái)實(shí)現(xiàn)；強(qiáng)剛接模型是在弱剛接模型的基礎(chǔ)上，在拼接部位建立相應(yīng)的橫隔梁。為了保證計(jì)算分析新舊主梁受力大小和變化趨勢(shì)的準(zhǔn)確性，應(yīng)確定單元的劃分?jǐn)?shù)量合理，數(shù)值仿真模型見(jiàn)圖3。

圖3 數(shù)值仿真模型

2.3 計(jì)算工況的確定

以不同橫向連接方式的拓寬橋?yàn)橐罁?jù)定義計(jì)算工況如表2所示。

表2 計(jì)算工況

2.4 控制截面的選取

由于有限元模型的建立采用4跨連續(xù)箱梁。選取前兩跨的跨中、內(nèi)支座截面作為控制截面，提取主梁控制截面的內(nèi)力和撓度來(lái)對(duì)比分析。控制截面的選取及編號(hào)如圖4所示。

圖4 控制截面選取及編號(hào)示意

3 分析與評(píng)價(jià)

3.1 荷載橫向分布系數(shù)

選取邊跨跨中截面作為分析對(duì)象，拓寬前后主梁的橫向分布系數(shù)對(duì)比如圖5所示。

圖5 拓寬前后主梁邊跨跨中橫向分布系數(shù)

由圖5可知：采用不同橫向連接方式拓寬改建后，舊橋各梁的橫向分布系數(shù)均明顯低于拓寬前舊橋各梁的橫向分布系數(shù)，表明拓寬后加寬部分新橋承擔(dān)了部分活載，減輕了舊橋主梁所承擔(dān)的荷載，拓寬后結(jié)構(gòu)的整體工作性能得到了改善，結(jié)構(gòu)承載能力得到提高。

3.2 控制截面內(nèi)力

通過(guò)荷載橫向分布系數(shù)的研究，確定在活載作用下橋梁最不利狀態(tài)為兩車道偏載布置。

以邊跨跨中截面為研究對(duì)象，比較評(píng)判不同拓寬方式對(duì)箱梁混合受力的影響。

表3 舊橋主梁控制截面彎矩表 kN·m

由表3可知：舊橋邊梁（①號(hào)梁）的各控制截面彎矩值拓寬后比拓寬前有所降低。3種不同橫向連接方式對(duì)原橋主梁的受力有一定改善，且改善程度按鉸接、弱剛接、強(qiáng)剛接拓寬方式依次增強(qiáng)，但增加的程度稍小。鉸接拓寬方式及弱剛接拓寬方式影響程度相同，邊跨跨中的正彎矩值降低了5.9%；而強(qiáng)剛接拓寬方式下，邊跨跨中的正彎矩值降低了6.3%。不同連接方式對(duì)舊橋主梁彎矩改善程度如圖6所示。

圖6 舊橋拓寬后主梁彎矩降低程度

由圖6可知：舊橋拓寬后主梁彎矩降低程度從邊梁到中梁逐漸增大。相比其他兩種拓寬方式，強(qiáng)剛接拓寬方式對(duì)中梁的改善程度較大。

以邊跨跨中截面為研究對(duì)象，比較評(píng)判不同拓寬方式對(duì)箱梁混合受力的影響。

表4 舊橋主梁控制截面撓度表 mm

由表4可知：舊橋邊梁（①號(hào)梁）的各控制截面撓度值在拓寬后比拓寬前有較小程度降低。3種不同橫向連接方式對(duì)原橋邊梁的撓度有一定改善，且改善程度按鉸接、弱剛接、強(qiáng)剛接拓寬方式依次增強(qiáng)，但增加的程度較小。鉸接拓寬方式及弱剛接拓寬方式影響程度相同，邊跨跨中的下?lián)隙戎禍p小了9.2%；而強(qiáng)剛接拓寬方式下，邊跨跨中的下?lián)隙戎禍p小了9.7%。不同連接方式對(duì)舊橋主梁撓度改善程度如圖7所示。

由圖7可知：舊橋拓寬后主梁撓度降低程度從邊梁到中梁逐漸增大。相比其他兩種拓寬方式，強(qiáng)剛接拓寬方式對(duì)中梁的改善程度較大。

4 結(jié)語(yǔ)

圖7 舊橋拓寬后主梁撓度降低程度

本文以某座430 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁拓寬改造為依托，研究了新舊橋之間不同橫向連接方式對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響，得到如下結(jié)論：

a）從荷載橫向分布規(guī)律可知，拓寬后舊橋各梁的橫向分布系數(shù)均明顯低于拓寬前舊橋各梁的橫向分布系數(shù)。隨著連接方式剛度的增強(qiáng)，舊橋各梁的荷載橫向分布系數(shù)降低。

b）從內(nèi)力分析可知，在活載作用下，相比于拓寬前，拓寬后舊橋邊梁的彎矩值降低6%左右，有利于改善舊橋的受力狀況。不同橫向連接方式對(duì)舊橋主梁的受力影響差異不大，從貢獻(xiàn)程度來(lái)說(shuō)，強(qiáng)剛接拓寬方式對(duì)舊橋主梁受力上的貢獻(xiàn)最大，鉸接拓寬方式最小。

c）從變形分析可知，相比于拓寬前，拓寬后舊橋邊梁的撓度值降低9%左右。其改善程度按鉸接、弱剛接、強(qiáng)剛接拓寬方式依次增強(qiáng)。