拓寬橋梁新建梁體剛度取值范圍研究

□文/劉 野 常翔宇

在橋梁加寬擴建中，新舊主梁之間拼接部位的受力狀況往往是改造后橋梁整體性能優劣的關鍵所在[1]。通過改變新梁的剛度，對新老橋之間整體性能進行研究，確定新舊主梁之間拼接部位的受力狀況，從而明確新梁的最優剛度，進而為設計提供優化方案。

1 工程概況

某高速公路上的簡支梁橋，跨徑13 m。新橋在既有橋梁基礎上擴建3.25 m，1#～12#梁為既有橋梁主梁，13#～15#梁為擴建后新橋部分主梁，見圖1。

圖1 擴建后橋梁橫斷面布置

2 荷載橫向分布均勻性系數的定義

將橫向分布影響線均值與其最大值的比值定義為荷載橫向分布均勻性系數，記為k并將擴建前后k值的變化記為Δk。

式中：Δk為橫向分布影響線的均值；ηmax為橫向分布影響線的最大值；k1為擴建前橫向分布影響線均勻性系數；k2為擴建后橫向分布影響線均勻性系數。

它們分別反映了荷載橫向分布的均勻性和其在擴建前后的變化情況，進而反映出結構整體性及其擴建前后的變化[2]。k越大說明荷載橫向分布越均勻，結構整體性越好；Δk越大，說明擴建后結構整體性越好[3]。

3 新建梁體的剛度取值范圍研究

新舊梁均采用C50混凝土，舊梁抗彎慣性矩I=0.046 m4，新建梁體的抗彎慣性矩分別取I、1.2I、1.4I、1.6I、1.8I、2I。采用鉸接板法計算該結構的荷載橫向傳遞規律，由計算得每片梁的荷載分配情況，可直觀的反映新舊梁體抗彎慣性矩的不同對梁體所受荷載的影響。

于12#梁軸線跨中位置施加一個單位荷載，得到單位荷載作用在12#板梁軸線上時任一板梁所分配的荷載，見表1。

表1 單位荷載作用于12#梁時各梁的荷載分配

續表1

由表1可以看出，橋梁擴建后，既有橋梁部分各主梁承擔的荷載均有所降低，表明擴建后新橋承擔了部分荷載，減輕了既有橋梁主梁所承擔的荷載。

新舊梁體之間的剪應力是沿著鉸縫長度連續變化的，見圖2。

圖2 連接處剪應力

選取剪應力最大的跨中位置作為研究對象。根據實際調查中行駛的車列情況和最不利工況，選擇加載一輛807.5 kN的重車，見圖3和圖4。

圖3 加載汽車單排軸重

圖4 汽車加載布置

利用有限元軟件ANSYS進行實體建模，見圖5，連接處剪應力見圖6和圖7。

由圖6和圖7可以看出，隨著剛度比的增大，連接處剪應力及變形差值不斷增大。當剛度相同時，新舊梁體之間的剪應力差值和變形差值均為最小，此時全橋的整體性最好。

圖5 空心板梁模型

圖6 連接處剪應力

圖7 連接處變形差

4 結論

在加寬寬度一定的情況下，隨著新舊梁體剛度比的增大，荷載橫向分布的均勻性越差。在既有橋梁擴建寬度和新橋擴建后的梁數一定的情況下，為了保證擴建后全橋的整體性，荷載橫向分布均勻性系數差值應盡可能高，所以新舊梁體的抗彎剛度比應控制在1左右。此時新舊梁連接處剪應力及變形差相對較小，擴建后荷載橫向分布均勻性系數差值相對較大，擴建后橋梁的整體性較好。