新舊拼寬空心板橋受力特性及濕接縫剛度對主梁內力影響分析

葉 錚，譚 偉，李枝軍

（1.泰安市交通運輸局，山東 泰安 271000；2.南京工業大學 土木工程學院，江蘇 南京 211800）

引言

為了現有交通不受到影響，公路橋梁改、擴建工程普遍采用在舊橋基礎上進行新舊橋梁拼寬。空心板橋以其建筑高度小，施工方便，造價低廉等優勢，在我國中小跨徑橋梁建設中得到廣泛應用。新、舊拼寬橋梁連接處濕接縫是橋梁結構的重要組成部分，承受著較大的交通荷載，為受力薄弱區域，并且濕接縫剛度對橋梁結構整體受力性能會產生一定影響。目前很多新舊拼寬梁橋濕接縫帶著裂縫運營。因此，濕接縫剛度對新舊拼寬橋梁的整體剛度與新舊橋之間的內力傳遞會產生較大影響。徐志強[1]通過數值模擬對裝配式T梁橋拼寬拼接后結構受力進行了分析，認為可以通過增加新梁剛度以及橫向連接剛度的方法來改善舊梁的受力，避免對舊梁的加固，并提出減小附加內力的措施。冉云雙[2]通過建立有限元軟件模型針對空心板橋新舊主梁相同剛度與不同剛度拼寬連接后的受力性能進行研究。樊國棟[3]通過有限元模擬分析了不同剛度的新舊空心板梁拼接在不連接、濕接縫連接、濕接縫+橫隔梁三種拼接方式工況下的受力性能，得出不同連接工況下合理的橋面鋪裝厚度和梁板間距。陳向前[4]對空心板橋在自重、預應力及車輛荷載作用下的結構變形和受力進行分析，提出了空心板橋拓寬改造中合理的設計和施工建議。崔建勛[5]探討了橫向內力傳遞規律，趙安安[6]分析了抗震性能。以上研究主要針對新舊拼寬空心板橋不同拼接方式的研究，雖取得了一些有價值的成果，但針對濕接縫剛度對主梁受力性能的研究尚不夠系統和完善。

1 工程概況及有限元模型

京臺高速公路泰安至棗莊段改擴建工程16 m跨度預制拼寬空心板梁橋新、舊橋橫斷面布置見圖1。

圖1 新、舊橋橫斷面布置/mm

基于梁格法理論計算新老橋的整個上部結構，采用Midas/Civil建立有限元模型，分析新舊主梁內力。將模型中每片空心板看做一根縱梁，每隔1 m劃分為一個單元（16 m共16個單元），橫橋向采用虛擬橫梁將每片主梁連接起來，虛擬橫梁只計入剛度，不計入容重，采用和主梁相同的彈性模量。建立的16 m新舊拼寬空心板橋梁計算模型見圖2。

圖2 空心板橋梁格法有限元模型

2 新舊拼寬空心板橋受力特性分析

對縱橋向車輛荷載作用下的受力分析，通過Midas有限元模型分析，對新舊拼寬空心板橋梁在車輛荷載工況下內力進行分析。車道荷載等級按規范采用公路-Ⅰ級加載，車輛荷載取四車道加載。車輛荷載布置分為三種工況：舊橋側偏載、中載和新橋側偏載。車輛荷載的橫向布置見圖3。車輛荷載簡化為雙后軸進行加載。

圖3 新舊拼寬空心板橋四車道橫向布置/mm

新舊拼寬空心板橋梁在不同車輛荷載工況作用下新舊橋梁的彎矩及剪力變化規律見圖4。

圖4 三種偏載工況作用下彎矩與剪力

由圖4可知，在三種車輛荷載工況的作用下，各主梁的彎矩和剪力規律變化相同。在車道布置偏載的一側，對應主梁的彎矩和剪力較大，在沒有車道荷載布置的一側，主梁彎矩值和剪力值明顯減小，其余各主梁彎矩和剪力在三種工況下大小基本相同。提取各主梁跨中最大彎矩值和最大剪力值，對比三種工況下最大彎矩和剪力的變化規律，見圖5、圖6。

圖5 最大彎矩變化

圖6 最大剪力變化

由圖5與圖6可知，舊1#梁至舊6#梁和新2#梁至新5#梁的最大彎矩值和最大剪力值變化較大，其余各主梁變化比較小。對比三種偏載工況下各梁的彎矩和剪力的變化規律可以看出：（1）在舊橋偏載的工況下，舊橋主梁彎矩值和剪力值比其它兩種車輛荷載工況下大，特別是在舊橋偏載的舊1#梁至舊6#梁。因此，舊橋側偏載為最不利的荷載工況。（2）舊13#梁與新1#梁會有較大的彎矩差值，說明拼接位置受力變化較大，新橋梁為舊橋分擔了更多的荷載。（3）對于三種車輛荷載工況下新舊拼寬空心板梁橋的彎矩和剪力的變化規律趨勢較為一致，說明無論車輛荷載是在偏舊橋側加載、全橋中間加載還是新橋側加載，新舊空心板梁之間都會保持協同作用，即新舊橋梁協同受力，新橋可以為舊橋分擔車輛荷載作用，新舊空心板梁作為一個整體結構共同受力。

3 不同連接剛度對主梁內力的影響

通過改變新舊主梁之間的連接剛度對新舊橋梁內力影響進行分析，選取濕接縫厚度 140 mm、240 mm、340 mm、440 mm、540 mm。橋梁加寬后結構的整體剛度會發生變化，濕接縫的連接剛度不同也會影響整體結構的內力，新舊結構協同受力，共同承擔車輛荷載，在最不利車輛荷載工況下，即為舊橋偏載荷載工況下，針對新舊橋梁之間濕接縫厚度為140 mm、240 mm、340 mm、440 mm、540 mm的連接方式，繪制不同濕接縫厚度情況下的彎矩曲線和剪力曲線，見圖7。

圖7 不同濕接縫厚度主梁彎矩與剪力

由圖7可知，在最不利車輛荷載工況下，舊2#梁彎矩值最大，新5#梁彎矩值最小。不同連接剛度下，全橋各主梁的彎矩與剪力變化趨勢相同。將每一片主梁的跨中彎矩在不同連接剛度下的彎矩值提取出來，繪制內力曲線見圖8。對彎矩值影響變化較大的舊13#梁與新1#梁的主梁彎矩曲線見圖9、圖10。

圖8 新舊主梁跨中彎矩值

圖9 舊橋13#彎矩和剪力

圖10 新橋1#彎矩和剪力

在不同濕接縫厚度（連接剛度）下，舊橋各主梁在四種濕接縫厚度值拼接的方式下彎矩值變化不大。舊1#梁至舊12#梁的彎矩值和新橋側主梁新2#梁至新5#梁的彎矩值在不同濕接縫厚度下，彎矩值基本重疊。隨著濕接縫厚度的增大，舊13#梁彎矩和剪力不斷減小，但是新1#梁隨著濕接縫厚度的增大，對應的彎矩和剪力是不斷增大的。說明濕接縫位置處受力變化較大，新橋為舊橋分擔了荷載。綜上所述，新、舊主梁拼寬濕接縫厚度的增加，可以增大新、舊橋梁連接剛度，增強新、舊拼寬空心板橋梁整體性能，提升其整體性力學性能。

4 結語

（1）舊橋側偏載、全橋中間加載、新橋側偏載三種荷載工況下，新舊拼寬空心板梁橋的彎矩和剪力的變化規律趨勢較為一致，新舊空心板梁協同受力，新橋梁可以為舊橋分擔車輛荷載作用，新舊空心板梁作為一個整體結構共同受力。（2）在舊橋偏載的工況下，舊橋主梁彎矩值和剪力值相較于其它兩種車輛荷載工況下會比較大。因此，舊橋側偏載為最不利的荷載工況，且新舊橋梁拼接位置受力變化較大，新橋梁為舊橋分擔了更多的荷載，實際工程尤其需要注意拼接處的受力性能。（3）隨著濕接縫厚度的增大，新舊橋拼接位置舊橋主梁彎矩和剪力不斷減小，新橋主梁對應的彎矩和剪力不斷增大。說明濕接縫位置處受力變化較大，新橋為舊橋分擔了荷載。隨著新舊橋梁連接剛度的增加，新舊拼寬空心板橋梁整體的力學性能更好，可以有效提高新舊橋梁的力學性能。