基于梁格法的小箱梁加寬舊T梁橋的荷載橫向分布研究

黃毅平，張力文，孫 卓，金騰飛

（廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東廣州510006）

1 概述

為適應(yīng)交通量增長需求，常采用在舊橋兩側(cè)增設(shè)小箱梁的方法加寬舊橋[1]，以提高橋梁的通行和承載能力。舊橋加寬后，由于新舊梁的剛度不同，橋梁的荷載橫向分布將發(fā)生變化[2]，因此需要對加寬后橋梁的荷載橫向分布進(jìn)行分析。梁格法是橋梁結(jié)構(gòu)空間分析的一種常用、有效、建模方便的方法[3]，本文以某C50預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支T梁橋?yàn)楸尘埃ㄟ^梁格模型研究小箱梁加寬舊T梁橋后的荷載橫向分布特性，分析兩側(cè)增設(shè)小箱梁、小箱梁抗扭剛度和橫隔板數(shù)量對舊T梁橋荷載橫向分布的影響，為今后類似舊橋的加寬提供參考[4]。

2 工程概況

某預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡支T梁橋采用C50混凝土，標(biāo)準(zhǔn)跨徑為30 m，由五片T梁組成，縱向分別在跨中、四分點(diǎn)和支點(diǎn)處設(shè)置五道橫隔板，橋面寬10.75 m，荷載等級為公路Ⅰ級，雙向雙車道，橫向布置為0.5 m（防撞欄）+9.75 m（行車道）+0.5 m（防撞欄）。舊T梁橋跨中橫斷面如圖1所示。為滿足交通需求，現(xiàn)在兩側(cè)各增設(shè)一片C50小箱梁進(jìn)行拓寬。小箱梁跨中斷面如圖2所示。舊T梁拓寬后，整體橋梁變?yōu)殡p向四車道，同時小箱梁與舊橋邊梁間設(shè)置30 cm厚端橫隔板，加寬后橋梁跨中布置為 0.5 m（防撞欄）+15.75 m（行車道）+0.5 m（防撞欄），如圖3所示。主梁截面特性見表1。

圖1 T梁橋橫斷面圖（單位：cm）

圖2 小箱梁截面圖（單位：cm）

圖3 加寬后橋梁斷面圖（單位：cm）

表1 主梁截面特性

3 模型建立與橫向分布系數(shù)

3.1 模型建立

采用梁格法桿系模型，鋪裝荷載等二期恒載按照均布荷載加載在主梁上[5]。縱梁每1 m劃分一個單元，總共劃分30個單元[6]；將虛擬橫梁簡化等效為中腹板截面，截面高度取T梁翼緣板厚0.16 m，寬度取0.693 m，舊T梁橋梁格5縱30橫，如圖4所示。將單片小箱梁作為縱梁，增設(shè)在舊T梁模型兩側(cè)，建立小箱梁加固舊T梁橋的梁格有限元模型，如圖5所示。

圖4 舊T梁橋梁格模型圖

圖5 小箱梁加固舊T梁橋模型圖

3.2 橫向分布系數(shù)計(jì)算

在各縱梁的跨中分別加單位集中荷載，計(jì)算各梁產(chǎn)生的彎矩，即可求得各梁的彎矩影響線，如圖6、圖7所示。分級對橋梁進(jìn)行加載，測試各工況各級荷載作用下各梁測試斷面測得的應(yīng)變值和撓度值[7]。

將加載車按橋面實(shí)際的加載位置布置在各梁的影響線上，各梁橫向分布系數(shù)的計(jì)算按下式計(jì)算[7]：

圖6 舊橋彎矩影響線加載位置處對應(yīng)豎距

圖7 新橋彎矩影響線加載位置處對應(yīng)豎距

式中：p為單輛車總軸重；θi為i梁的荷載橫向分布系數(shù)；γij為梁上從左至右第j個荷載作用處對應(yīng)的影響線上的豎距。

4 參數(shù)分析

在拓寬改造過程中，新建主梁的寬度由改建后橋梁的寬度決定，新建主梁、新建主梁抗扭剛度和橫隔板數(shù)量由舊橋需要增加的承載力來確定[8]。為此對新建主梁、新建主梁的抗扭剛度和橫隔板數(shù)目進(jìn)行參數(shù)分析。

4.1 加寬后荷載橫向分布的影響

圖8為拓寬前后T梁荷載橫向分布系數(shù)對比曲線圖。

圖8 拓寬前后T梁荷載橫向分布系數(shù)對比曲線圖

由圖9可知，兩側(cè)增設(shè)小箱梁后各T梁荷載橫向分布系數(shù)均減小。其中1#T梁的荷載橫向分布系數(shù)減小16.71%，2#T梁減小24.08%，3#T梁減小35.95%。說明在舊T梁兩側(cè)增設(shè)小箱梁可有效分擔(dān)舊T梁的汽車荷載，提高橋梁的承載能力[9]。

圖9 拓寬后T梁荷載橫向分布系數(shù)減小百分比柱狀圖

4.2 抗扭剛度影響

圖10為IT1/IT2變化下各T梁荷載橫向分布系數(shù)對比曲線圖。

由圖 11可知，IT1/IT2為 1時，1#、2#、3#T 梁的荷載橫向分布系數(shù)分別減小17.5%、23.89%、33.67%，因此IT1/IT2參數(shù)變化為1時對T梁的荷載橫向分布系數(shù)有一定的影響，IT1/IT2在10～30區(qū)間變化時對T梁荷載橫向分布系數(shù)影響較為均勻。

圖10 IT1/IT2變化下各T梁荷載橫向分布系數(shù)對比曲線圖

圖11 IT1/IT2變化下各T梁荷載橫向分布系數(shù)減小百分比柱狀圖

所以小箱梁的抗扭剛度對原T梁的荷載橫向分布有一定影響[10]。當(dāng)進(jìn)行現(xiàn)澆施工時，將小箱梁與T梁的抗扭剛度之比控制在10～30，能實(shí)現(xiàn)更好的加固效果。研究邊箱梁抗扭剛度對舊T梁荷載橫向分布的影響規(guī)律，有助于優(yōu)化箱梁截面，并使加固方案更具有經(jīng)濟(jì)合理性[11]。

4.3 橫隔板數(shù)量的影響

圖12為橫隔板數(shù)量變化下各T梁荷載橫向分布系數(shù)對比曲線圖。

圖12 橫隔板數(shù)量變化下各T梁荷載橫向分布系數(shù)對比曲線圖

由圖13可知，邊箱梁與舊T梁間設(shè)置橫隔板數(shù)量對3#T梁的荷載橫向分布系數(shù)影響較大。當(dāng)邊箱梁跟舊T梁間設(shè)置三道橫隔板時，3#T梁荷載橫向分布系數(shù)減小32.66%。其中設(shè)置五道橫隔板與設(shè)置兩道橫隔板對1#梁橫向分布系數(shù)結(jié)果相差最大僅大1.75%。

圖13 橫隔板數(shù)量變化下各T梁荷載橫向分布系數(shù)減小百分比柱狀圖

在新舊梁之間設(shè)置橫隔板，可使新舊橋連接可靠、整體性增強(qiáng)，增大了橋梁的橫向剛度[12]，也提高新舊主梁接縫間抵抗不均勻沉降的能力[1]。考慮施工復(fù)雜性及力學(xué)性能改善程度，可在邊箱梁與舊T梁間設(shè)置三道橫隔板，實(shí)現(xiàn)施工的經(jīng)濟(jì)性，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益[13]。

5 結(jié)語

本文通過結(jié)合工程實(shí)例簡支舊T梁橋加寬工程為研究對象，采用兩側(cè)增設(shè)小箱梁來實(shí)現(xiàn)拓寬的目的。基于梁格法的有限元模型來進(jìn)行加寬橋梁的荷載橫向分布計(jì)算研究，并分析了兩側(cè)小箱梁、小箱梁抗扭剛度和橫隔板數(shù)量對舊T梁橋的荷載橫向分布的影響，得到的結(jié)論如下所示：

（1）在舊橋兩側(cè)增設(shè)小箱梁能提高舊T梁橋的承載能力，同時延緩裂縫發(fā)展。

（2）小箱梁的抗扭剛度對舊T梁的荷載橫向分布影響不大，當(dāng)進(jìn)行現(xiàn)澆施工時，可參照小箱梁標(biāo)準(zhǔn)圖進(jìn)行施工，不必進(jìn)行截面優(yōu)化。將小箱梁與T梁的抗扭剛度之比控制在10～30，能實(shí)現(xiàn)更好的加固效果。

（3）從施工復(fù)雜度及力學(xué)性能改善程度上考慮，邊箱梁與舊T梁間設(shè)三道橫隔板即可。

天津國家級普通公路調(diào)整為10條

天津市國家普通公路網(wǎng)命名和編號調(diào)整目前已開始，將升級改造交通標(biāo)志設(shè)置，并于2019年6月底前全面完成。天津市國家級普通公路將由原來的5條調(diào)整為如下10條：

102國道京哈線調(diào)整為102國道京撫線（北京—黑龍江撫遠(yuǎn)）；103國道京津線調(diào)整為103國道京濱線（北京—濱海新區(qū)），暫維持現(xiàn)狀路線不變，路線名稱暫不調(diào)整；205國道山深線（山海關(guān)—深圳）暫維持現(xiàn)狀路線不變；104國道京福線調(diào)整為104國道京嵐線（北京—福建平潭）；112國道北京環(huán)線調(diào)整為112國道京環(huán)線。新增的5條國家級普通公路包括：228國道丹東線（遼寧丹東—廣西東興）、230國道通武線（吉林通化—武漢）、233國道克黃線（內(nèi)蒙古克什克騰—黃山）、336國道津神線（天津—陜西神木）、509國道唐通線（唐山京唐港—北京通州）。