橫向拓寬斜交板梁橋荷載橫向分布系數研究

馬中文，汪 劍

（1.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北 武漢430015；2.中南勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430071）

0 引言

為了滿足近年來急劇增長的交通流量需求，2000年前后建成的高速公路相繼進行擴建。廣佛線、沈大線、滬杭甬線等多條高速公路已經由四車道拓寬為八車道，福泉線、廈漳線等高速公路也正在進行拓寬。隨著國內大規模高速公路拓寬建設的推進，越來越多的高速公路橋梁需拓寬，其中板梁橋占較大比例。

對于預應力空心板梁橋，橫向拓寬后能否保證橋梁安全，取決于舊橋能否滿足拓寬后的荷載等級標準，其中與新橋相接的舊橋邊梁控制整個拓寬設計。橫向拓寬一般通過縱向現澆濕接縫和橋面鋪裝來橫向連接新、舊橋梁，拓寬后舊橋的邊梁成為新橋的中梁，對于舊橋的主梁，其荷載橫向分布系數變化直接關系到其安全性能，而對于斜板梁橋，其荷載橫向分布系數更為復雜[1-2]。因此對橫向拓寬后斜交板梁橋的荷載橫向分布系數進行研究，比較拓寬前后荷載橫向分布系數的差異，具有重要的理論和工程意義。

1 舊橋拓寬方法及荷載橫向受力影響

預應力簡支空心板梁橋一般橫向拓寬方式如圖1所示。

拼接部位的主要施工流程如下：

圖1 空心板梁橋橫向拓寬（單位：cm）

（1）拆除原橋外側護墻（欄）→切除原橋外邊板的翼緣板→鑿除原外邊板上的現澆混凝土層→原外邊板相應部位植筋→拓寬板梁架設安裝（拓寬的內側邊板與原外邊板側面鑿有濕接縫間隙）→新拓寬板梁部分。

（2）現澆厚 80～100 mm的混凝土現澆橋面板→連接新舊板梁現澆混凝土的鋼筋→濕接縫區段采用微膨脹混凝土現澆→新舊橋上部結構整體化。

新、舊主梁及其之間的連接形式是多樣化的，造成新、舊主梁的剛度及間距不同，因此荷載橫向分布系數不能直接采用等剛度截面假定編制的橋梁荷載橫向分布系數計算圖表進行簡便計算[3]。斜板梁橋拓寬后，主梁上分配的活載一般會減小，但主梁的荷載橫向分布系數與拓寬前相比變化還不明確，與正交板梁橋相比斜交梁橋的荷載橫向分布系數變化規律也不明確[4]。為此本文依托某高速公路拓寬工程，對橫向拓寬后斜交板梁橋的荷載橫向分布系數進行研究。

2 工程實例分析

2.1 工程概況

某高速公路橋梁擴建工程，舊橋為1×20 m簡支預應力混凝土斜交板梁橋，斜交角度為60°。橋面布置為凈9.5 m+2×0.5 m防撞護欄，主梁橫向由10片預應力空心板梁組成，主梁高度0.85 m。其中，中梁預制寬度0.99 m，邊梁預制寬度1.245 m，下部為U臺配擴大基礎。

橋梁采用單側拓寬，橋面拓寬4.25 m，單側橫向增設4片新板梁，新梁的主梁高度為0.85 m，拼接中梁預制寬度0.99 m，邊梁預制寬度1.245 m，下部為U臺配擴大基礎。橋梁拓寬斷面如圖2所示。主梁和現澆濕接縫采用C40混凝土，瀝青混凝土鋪裝層厚9 cm，防水混凝土鋪裝層厚10 cm。

圖2 板梁拓寬橫斷面（單位：cm）

圖3和圖4分別為中板和邊板跨中斷面圖。新、舊板梁橋的支座均選用GYZ 225×42和GYZF4 225×44板式橡膠支座。

圖3 中板跨中斷面圖（單位：cm）

圖4 邊板跨中斷面圖（單位：cm）

2.2 預應力空心板梁橋分析模型

預應力空心板梁橋采用midas分析，計算模型采用梁格法模型，將主梁作為縱向單元，橫隔梁作為橫向單元，橋面板用橫向虛擬梁模擬[5-6]。原橋模型如圖5所示，拓寬后橋梁模型如圖6所示?；炯俣樾?、舊主梁間通過整體現澆段和橫隔板鉸接，同時新、舊主梁在改造前后的邊界條件相同。

圖5 拓寬前模型

圖6 拓寬后模型

3 計算結果分析

分別選取舊橋拓寬前和拓寬后計算模型，將荷載（10 kN）分別依次加載在各梁的跨中節點上，計算得到在各工況下每根梁跨中截面的豎向位移，即得到各梁跨中位移橫向分布情況。通過各主梁跨中位移值的橫向分布計算結果，換算出各梁跨中位移值的橫向分布影響線，進而按照規范通過在橫向分布影響線上進行最不利加載得到各主梁的橫向分布系數[7]。

為對比斜交與正交預應力板梁橋荷載橫向分布系數差異，計算了板梁橋正交時拓寬前后各主梁的荷載橫向分布系數。斜交和正交情況下，舊橋拓寬前后各板梁的荷載橫向分布系數如圖7所示。

圖7 板梁橋拓寬前后主梁橫向分布系數

從圖7可以看出：

（1）橋梁正交時，舊橋主梁拓寬前后的荷載橫向分布系數基本保持不變，新梁的荷載橫向分布系數與舊梁也相差不大。

（2）斜交60°時，舊橋邊梁的荷載橫向分布系數與正交時基本相同，但舊橋中梁的荷載橫向分布系數比正交時略大3%。

（3）斜交60°時，拓寬后拼接縫附近舊梁的荷載橫向分布系數跟拓寬前變化不大，但距離拼接縫越遠，舊梁的荷載橫向分布系數變化越大，最外側邊梁比拓寬前增大約6%。

（4）斜交60°時，拓寬部分新梁的荷載橫向分布系數比正交拓寬時的對應新梁約大13%。

由此可見，如果不拓寬，正交和斜交板梁橋各主梁的橫向分布系數基本相同。對于正交板梁橋，拓寬前后舊梁的橫向分布系數基本不變，新梁的橫向分布系數比舊梁略大，但增量很小，可以忽略。而對于斜交60°的板梁橋，拓寬后除拼接縫附近舊梁橫向分布系數變化不大外，其他舊梁的橫向分布系數均變化較大。其原因在于橋梁拓寬后按影響線橫向布載的車輛數增加，從而導致主梁的荷載橫向分布系數增大。因此斜交板梁橋拓寬時，部分舊梁上的荷載增量對舊梁的縱向受力不利，在進行橋梁拓寬設計時需考慮其荷載效應增大，同時也要考慮到新梁荷載效應增量。

4 結語

采用有限元法分析了斜交空心板梁橋拓寬前后的荷載橫向分布系數，分析結果表明斜交60°的板梁橋在拓寬設計時應提高新梁的承載力，并對部分舊梁進行加固處理。