高速公路擴寬橋梁設計研究

阿布來提.卡德爾 吾買爾江.阿不都熱西提

1. 新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計院 新疆 烏魯木齊 830000

2. 新疆交通職業技術學校 新疆 烏魯木齊 831401

引言

隨著汽車持有量的不斷上升，目前服役的高速公路已不滿足運營需求，交通堵塞，汽車運行困難等情況常有發生，已難以適應可持續發展的要求。而通過建設新線的方法在當前國內土地供應較為緊張的情況下已不太現實，因此，只能充分利用現有高速公路，采取加寬線路等方法滿足現今的交通需求。

1 工程概況

根據項目特點和工程地質條件，為避免新舊橋梁產生較大沉降差，目前，橋梁加寬新舊橋梁之間常采用“上連下不連”的拼寬方式，新建部分橋梁下部宜采用樁基礎，因此該橋梁選取了連接上部結構，分離下部構造的拼接方案，橋梁墩臺擴寬尺寸與舊橋墩臺尺寸一致，項目新舊橋梁加寬方案如圖1所示。

圖1 加寬示意圖

2 新建橋梁截面形式的影響

本文選取的研究對象為某高速公路中的空心板橋以及T梁橋。空心板梁橋為簡支梁橋，在原有基礎上擴寬13#-15#主梁，并通過鉸縫進行連接，具體如圖2所示。T梁為一簡支T梁橋，在原有基礎上擴寬6#-7#主 梁，并通過橫隔梁進行連接，具體如下圖3所示。

圖2 空心板梁橋擴寬后橫斷面示意圖（cm）

圖3 T梁橋擴寬后橫斷面示意圖（cm）

3 加寬前后的橫向分布系數

3.1.1 空心板梁橋

該種梁橋的混凝土等級為C50，原橋梁的抗彎慣性矩以I表示，擴寬梁的抗彎慣性矩以0.8I-2I表示，間隔0.2I，其中I為0.046m ?。荷載的橫向傳遞規律通過鉸接板法進行分析，可得出各梁的荷載分配方式，直觀反映出梁體所受荷載跟不同抗彎慣性矩的關系。在12#梁軸線位置施加單位荷載，分析不同擴寬剛度的主梁荷載分布情況。

在擴寬橋梁后，各主梁的橫向分布系數均呈現下降的趨勢，既橋梁擴寬部分替舊橋分擔了部分荷載而使舊橋所承受荷載降低，這滿足實際情況。對比橫向分布系數可知在不同的剛度比下，橋梁處變化較為平緩，表明橋梁在擴寬后的結構具有較好的整體性。

3.1.2 T梁橋

T梁橋的抗彎慣性矩為0.0782m?。擴寬橋梁采用的抗彎慣性矩為0.5-1.5I，對其荷載橫向傳遞規律采取偏心壓力法進行分析，在5#梁軸線處施加單位荷載，結果如圖4所示。

圖4 擴寬前后各梁的荷載橫向分布系數

從圖4可看出，與擴寬前相比，擴寬后的橋梁橫向分布系數出現下降的趨勢，既橋梁擴寬部分替舊橋分擔了部分荷載而使舊橋所承受荷載降低，與實際狀況相符。對比上圖的橫向分布系數在不同剛度比之下的情況可知，在0.7剛度比的情況下，曲線的平緩處在5#-6#的位置，表明擴寬后橋梁結構具有較好的整體性。和空心板相比具有較大差異，因此可知，剛度比對橋梁荷載分布情況的影響與橋梁截面形式有關。

3.2 新舊鉸縫的剪力和剪應力

3.2.1 空心板梁橋

新舊梁體的鉸縫剪應力與其長度分布呈現連續變化，選取最不利截面，既跨中位置進行分析。采用ANSYS有限元軟件建模分析，所得結果如下表1所示。

表1 新舊梁鉸縫剪應力

從表1中可知，隨著剛度比的變化，鉸縫處的剪應力也相應的發生變化，在1.0的剛度比時，鉸縫存在最小的剪應力，而當剛度比在1.0以下或以上時，剪應力均表現出上升的趨勢。因此，可得結果：在相同的剛度之下，擴寬后的空心板梁具有較好的整體性，新舊橋梁具有較一致的變形，且具有最小的剪應力和變形差值，此時的鉸縫具有較為合理的受力。當剛度比較大或者較小時均會在鉸縫處產生較大的剪力，使鉸縫處的安全性降低。

3.2.2 T梁橋

同空心板，T梁橋選取最不利截面，既跨中截面作為研究對象，并通過ANSYS有限元軟件進行建模分析，所得的鉸縫的應變和撓度如表2所示。

表2 新舊梁鉸縫剪應力

從表2可知，T梁橋和空心板梁具有一致的結論，綜合分析可知，對于高速公路橋梁的擴寬，當上部結構采取相對應的截面形式時，新舊梁在受到荷載時的變形具有較好的協調性以及整體性，有助于延長擴寬橋梁的使用壽命以及舒適度。

4 擴寬后橋梁靜載試驗

4.1 試驗方案

（1）控制截面：選取跨中正彎矩位置處作為控制截面。

（2）加載車：加載車的數量按照等效彎矩原則進行確定，最終方案為350kn的大型車輛共四輛。

（3）試驗加載布置：

工況一采取四輛車對稱加載的方式，給以控制截面最大正彎矩，試驗分為2級加載以及1級卸載。加載分級為I-0對應的加載車為0；I-1對應的加載車為C3+C4；I-2對應的加載車為C1+C2+C3+C4；I-3對應的加載車輛為0。

工況二采取四輛車偏心加載的方式，給以控制截面最大正彎矩。工況二加載分級同工況一。

4.2 試驗結果

按照分級加載的方式將工況一進行分類，以獲取測試截面在不同分級情況下的實測與理論應變值，結果如圖5、圖6所示。由于篇幅限制，本文僅列出部分數據。

圖5 測點應變值

從試驗數據可知，工況一和工況二各個測點的 應變均為實際小于理論值，因此滿足要求。

圖6 測點撓度值

由圖6可知，工況一和工況二測點的撓度值均符合實測小于理論值的要求，表明橋梁剛度符合要求。

5 結論

本文通過對橋梁橫向分布系數的計算發現，不管是空心板梁橋還是T梁橋，各個主梁相較于擴寬前的橫向分布系數均呈現下降的趨勢，表明橋梁的擴寬部門代替原有橋梁承受了部分荷載，降低了原有橋梁承受的荷載。當保持一致的荷載加載情況時，梁若具有較大的剛度，其所能承受的荷載也較大。

通過對比空心板和T梁板的橫向分布系數，建議控制新舊橋梁的新舊比處于0.7-1.2區間內，此時橋梁在擴寬后具有較好的整體性。

通過分析新舊橋梁鉸縫處的剪應力得出結論：當新舊梁體的抗彎剛度較為接近時，鉸縫處的剪應力和變形差值較小，此時的橋梁具有較好的整體性。

通過試驗，對橋梁擴寬后的力學性能進行分析，結果表明擴寬后的橋梁性能符合要求。