拓寬及提載對空心板橋舊板受力影響分析?

張麗芳 王瑩 雷英鴿

(1.南京航空航天大學 210016; 2.西安公路研究院 710054)

引言

基于交通量、經濟、可持續發展等因素的考慮,我國二十世紀修建的高速公路絕大部分都是雙向四車道高速公路,一些低等級的公路是雙向兩車道。近年來,我國經濟的發展促使公路交通量持續增加,經濟發達地區的許多高速公路已無法滿足當前的交通需求,需要對其進行拓寬改建以提高服務水平。

橋梁拓寬中在新舊橋連接的情況下,新增的梁(板)勢必會對舊橋受力產生影響,且舊橋是按舊規范建設,設計標準與新標準不同,橋梁拓寬改建的同時往往面臨提載的問題,這就對舊橋的承載能力有了更高的要求,所以在橋梁拓寬設計中舊橋的受力狀態也是人們一直關注的重點,且就此問題進行了一系列的理論和實踐研究。如Junichiro Niwa 通過9 個試件試驗,研究橫向預應力水平、鋼筋連接方式、配筋率、連接面粗糙度等參數對新、舊板連接界面剪切性能的影響[1]。Kenneth 分析了通過加斜向支撐的方式拓寬橋梁的橫向受力狀況[2]。Y.H.Chai 通過實橋測試了拓寬橋梁的變形,從而為決策開放交通的時間提供參考[3]。Qing-Jie Wen 研究了預應力混凝土箱梁橋拓寬中收縮徐變引起的長期效應[4]。趙寶俊等研究了鉸接和剛接情況下空心板橋拓寬后橫向分布系數的變化[5],發現其均小于拓寬前舊橋主梁的橫向分布系數; 并模擬了不同剛度接縫拓寬后橋梁內力和撓度的變化,舊橋的恒活載內力和撓度均降低,拼接剛度越大,降低越多。孟江等研究了10m、13m、16m、20m 簡支空心板橋不同連接方式拓寬及不同剛度接縫的影響[6,7]。崔亭亭研究了16m 板、20m 箱梁和30m T 梁拓寬前后的橫向分布系數[7]。這些研究表明,拓寬使得舊梁(板)橫向分布系數有不同程度降低,其受拓寬連接方式的影響。

在我國運營的中小跨徑橋梁中,空心板橋數量龐大,空心板橋拓寬連接的構造主要是濕接縫連接,接縫的連接方式及強度對荷載的橫向分布及主梁內力產生較大影響。空心板橋拓寬前后橫向分布系數的變化已有不少研究[5-7],但綜合考慮橫向分布系數變化及提載的分析甚少,卻更具有實用意義。本文以某高速公路拓寬工程為背景,選取一批有代表性的空心板橋開展拓寬分析,研究不同跨徑舊橋拓寬后橫向分布系數的變化,并綜合考慮荷載等級變化引起的空心板活載內力。

1 工程概況

1.1 空心板橋拓寬概況

本文以某高速公路拓寬工程中空心板橋梁拓寬改建為背景。該高速公路原為雙幅分離式,原單幅面寬0.5m(邊護欄) +11m(行車道) +1m(中護欄),本次拓寬改造在現有26m 寬雙向四車道的基礎上左右兩側各拼寬7.75m,成為寬度為41.5m 的雙向八車道。該路段上涉及了跨徑6m、8m、10m、13m 及16m 的空心板橋梁,原橋邊板均無懸挑。拼寬時跨徑10m、13m、16m的橋拓寬部分新增7 片單孔空心板(邊板寬1.375m,中板寬1m),外側邊梁懸挑37.5cm,拼寬部位與老橋留37.5cm 的現澆接縫。10m/13m/16m 空心板橋的拓寬橫斷面如圖1 所示。跨徑6m 和8m 的橋拼接構造與10m/13m/16m 的橋相似,拓寬部分新增6 片雙孔空心板(邊板寬1.375m,中板寬1.25m),外側邊梁懸挑為27.5cm,拼寬部位與老橋留27.5cm 的現澆接縫。

1.2 拓寬接縫構造

拓寬改造時拆除原橋護欄,鑿除部分現有的橋面鋪裝,在舊橋邊板側面用M10螺栓錨固80mm×10mm 的鋼板并粘貼環氧樹脂粘膠,然后設置連接鋼筋,連接鋼筋在舊橋側與該鋼板焊接,在新橋側則預埋入預制的新空心板,形成如圖2 的接縫形式(6m、8m橋的接縫構造為圖2 中的接縫寬37.5cm 變為27.5cm,其他構造不變),圖中斜線填充部分為鋼纖維混凝土,以增強連接剛度及韌性。環氧樹脂粘膠接觸的混凝土面必須鑿平整并清除浮混凝土和吹干,與鋼纖維混凝土接觸的混凝土面必須鑿毛清除浮混凝土浮塵及雜物,充分濕潤后澆筑鋼纖維混凝土。拼寬橋在外側填筑鋼纖維混凝土開始到其達到設計要求強度前,僅開放靠近中央分隔帶側一個車道通車,且拼接處兩側空心板需用型鋼進行臨時連接,以使拼接處混凝土澆筑前,新老空心板的豎向撓度協調。

圖1 10m/13m/16m 空心板橋拓寬橫斷面示意(單位： cm)Fig.1 The widened section of hollow core slab bridges with 10m/13m/16m span(unit: cm)

圖2 10m/13m/16m 橋新老空心板間縱向連接構造(單位： cm)Fig.2 Longitudinal joint of the new and original hollow in slabs with 10m/13m/16m span(unit: cm)

2 拓寬改造分析

2.1 基本參數及空心板截面特性

舊橋依據1989 版公路橋涵設計通用規范[8],采用的設計荷載標準為汽車-超20 級,而拓寬后采用2004 版通用規范[9],設計汽車荷載為公路I 級,考慮到2015 版公路橋涵設計通用規范[10]對汽車荷載的規定有所變化,故本文也考慮了這一變化的影響。新舊橋空心板均采用C40混凝土。

對跨徑6m、8m、10m、13m、16m 的正交空心板橋拓寬前后各片板的橫向分布系數進行計算。各跨徑采用的空心板梁截面特征如表1 所示。

表1 板的截面特性Tab.1 The cross section attributes of slabs

2.2 空心板橫向分布系數計算

按公路橋涵設計手冊的橫向分布系數計算方法,根據空心板橋橫向連接特點,采用鉸接板法計算,其中拼寬處接縫按剛接考慮,其他板間接縫均按鉸接計算,拓寬前后結果示于圖3。圖中,舊橋板編號為1 ～12,新增板編號為1+～6+(6m/8m 跨、1+～7+(10m/13m/16m 跨),接縫為1 號板和1+號板相接處。舊板編號越小越靠近拼接縫。

圖3 拓寬前后橫向分布系數對比Fig.3 Transverse distribution factors of hollow core slab bridges with 6m/8m before and after widening

由圖3a 可見拓寬后新增部分板的橫向分布系數較原橋板的橫向分布系數大; 拓寬后靠拼接縫處半幅舊橋板的橫向分布系數普遍比原來減小,遠離拼接側的板無顯明變化,說明拓寬對拼接側板起到卸載作用。

由圖3b 可見拓寬后新增邊板的橫向分布系數較原橋邊板大,中板的橫向分布系數與原橋的相比變化不明顯; 拓寬后靠拼接側舊橋的一半空心板橫向分布系數均有明顯降低,另一半則變化甚小。

由拓寬前后舊板的橫向分布系數可得到橫向分布系數變化比:

式中:mo為拓寬前舊橋各板的橫向分布系數;mw為拓寬后舊橋各板的橫向分布系數。

以上五種跨徑的橫向分布系數變化比Δ如表2 所示。由此可見,隨著跨徑的增大,拓寬引起橫向分布系數降低越明顯。

表2 橫向分布系數變化比ΔTab.2 The variation oftransverse distribution factor

2.3 考慮橫向分布系數和汽車荷載等級變化的板內力分析

對以上五個跨徑的簡支空心板橋按照拓寬前后的荷載進行分析,拓寬前按汽-超20 算,拓寬后按公路I 級算。汽-超20 荷載作用下板內力計算公式(不計沖擊力)為[11]:

式中:S為所求截面的彎矩或剪力;ξ為多車道汽車荷載折減系數,按《橋規》規定取用;mi指沿橋跨縱向與荷載位置對應的橫向分布系數;Pi指車輛荷載的軸重;yi指沿橋跨縱向與荷載位置對應的內力影響線坐標值。

公路I 級荷載作用下,計算板跨中截面內力時,可近似取跨中橫向分布系數mc,則式(2)變為:

式中:mc跨中橫向分布系數;qk為車道荷載均布荷載標準值;Pk為車道荷載集中荷載標準值;Ω為均布荷載加載范圍的內力影響線面積;yi為Pk作用位置處的內力影響線坐標值。

采用不同規范汽車荷載[8-10]按單車道計算,可得到拓寬前后舊橋全橋跨中截面的彎矩如表3 所示。

表3 不同規范汽車荷載單車道作用下跨中彎矩Tab.3 The bending moment at midspan under different standard load grade

由表3 可見,15 規范的公路I 級荷載由于對集中荷載規定值有所變化,引起跨中彎矩明顯增大。而04 規范的公路I 級荷載較汽-超20 增大,且在6m ～16m 幾個跨徑中隨著跨徑增大,跨中彎矩增大幅度亦變大。

結合前面已計算出的荷載橫向分布系數,可求出各片板拓寬及提載以后活載彎矩變化如表4所示,將汽-超20 與04 規范的公路I 級荷載對比記為①,汽-超20 與15 規范的公路I 級荷載對比記為②。

表4 拓寬及提載影響下各板活載彎矩變化Tab.4 The variations of bending moment under different load grade and widening

由表4 可見,對于本工程的拓寬方式及拓寬寬度,跨徑6m 和8m 的板橋若考慮荷載由汽-超20 調整到04 規范的公路I 級,則汽車荷載產生的跨中彎矩變化不明顯甚至靠近接縫側有一定程度的卸載效應。對于10m 到16m 的板橋,靠近接縫的半幅橋各片板的汽車荷載產生的跨中彎矩較原來降低,而遠離接縫的半幅橋各片板的跨中彎矩增加。而若按照15 規范的公路I 級計算,則原板活載彎矩均有很大的增加,要滿足新規范的活載要求,需對舊板進行適當加固。

3 結論

通過以上分析,可以得出以下幾個結論:

1.拓寬后舊橋靠拼接側半幅板的橫向分布系數普遍比原來減小,遠離拼接側的板無顯明變化,說明拓寬對拼接側板受力起到卸載作用,且隨著跨徑的增大,拓寬引起橫向分布系數降低更明顯。

2.對比了三版規范汽車荷載效應,15 規范的公路I 級荷載由于對集中荷載規定值變化,引起板跨中彎矩明顯增大。而04 規范的公路I 級荷載產生的板跨中彎矩較汽-超20 的增大,且在6m ～16m 幾個跨徑中隨著跨徑增大,其變化值亦增大。

3.基于本工程的拓寬方式及拓寬寬度,當汽車荷載由汽-超20 調整到04 規范的公路I 級,對跨徑6m 和8m 的板橋,板的跨中彎矩變化不明顯; 對于10m 到16m 的板橋,靠近接縫的半幅橋汽車荷載產生的跨中彎矩較原來降低,而遠離接縫的半幅橋的彎矩增加,但增減幅度均不大。而若按照15 規范的公路I 級計算,則舊板活載彎矩均大幅增加。