空心板橋拓寬改造對舊橋受力性能的影響分析

作者簡介：

何桂天（1986—），工程師，主要從事道路工程施工和管理工作。

為研究空心板橋拓寬改造對原結構（舊橋）受力性能的影響，文章以某改擴建高速公路空心板橋拓寬改造設計為背景，從拓寬改造的接縫方式、接縫寬度、拓寬主梁片數三個方面分別分析其對舊橋受力性能的影響大小。研究結果表明：拓寬后的舊橋受力性能得到了很好的改善;拓寬接縫方式對舊橋受力性能影響不大;接縫寬度對舊橋受力性能的影響接近線性，影響程度較輕;拓寬主梁片數越多對舊橋受力性能的改善作用越大，當拓寬片數達到一定數量時，影響也隨即趨于穩定。

改擴建工程;空心板;拓寬改造;拼接;荷載橫向分布系數

U445.6A291004

0 引言

近些年，隨著國家經濟的快速發展，尤其是新時代“一帶一路”全球戰略的提出，國內交通運輸事業也得到了快速健康發展。然而，隨著交通量的與日俱增，日益繁忙的既有高速公路已無法負荷現有的交通出行，迫切需要對早期建設的高速公路進行改擴建設計，將原有高速公路拓寬至六車道或八車道。因此，對原有橋梁的拓寬改造設計也隨著公路拓寬設計而進行，空心板橋的拓寬改造設計即是其中一類，且占比較大。

由于受力合理、施工方便、造價經濟等優點，預應力混凝土空心板橋在我國早期高速公路橋梁建設中得到了非常廣泛的應用，若在高速公路改擴建工程中對其進行拆除重建，不僅工期長、費用高，且需要中斷交通，拆除的廢料也會造成一定的環境影響，勢必造成較大的社會經濟損失。因此，對預應力混凝土空心板橋進行拓寬改造設計，使其在新的改擴建高速公路中繼續發揮作用，符合新時代對改擴建高速公路建設的要求，也是所有建設者的共同呼聲。國內學者對此作了不少研究工作[1-4]。

本文以某改擴建高速公路為背景工程，以其中一座空心板橋拓寬改造設計為例，從拓寬改造的接縫方式、接縫寬度、拼接主梁片數三個主要方面分析其對舊空心板橋受力性能的影響大小，為以后此類橋梁的拓寬改造設計提供參考與借鑒。

1 背景工程簡介

背景工程為某在建的改擴建高速公路，于20世紀90年代建成通車，為雙向四車道。隨著交通量的與日俱增，原有高速公路早已超負荷運營，影響了人們的出行與當地經濟的發展，經研究決定，將高速公路拓寬至八車道。

某現役空心板橋為其中一座舊橋（匝道橋），橋梁全長布置為5×20 m;上部結構采用預應力混凝土（后張）空心板，先簡支后連續;下部結構采用雙柱式墩、樁柱式橋臺，鉆孔灌注樁基礎。舊橋中板寬1.5 m，邊板寬2.125 m，高均為0.8 m，其標準橫斷面如圖1所示。

根據設計要求，拓寬改造方案斷面如圖2所示，拓寬新橋中板寬1.25 m，邊板寬1.625 m，高均為0.9 m。為便于下文分析，對圖中空心板由左至右依次編號為1～14號。8號（最后一片舊板）、9號（第一片新板）為接縫連接板，接縫寬0.7 m，采用剛性連接。

2 拓寬對舊橋受力性能的影響分析方法

對于空心板橋的設計計算，常用計算方法為荷載橫向分布系數法[5-6]（通常跨中截面采用剛（鉸）接板梁法計算，支點截面采用杠桿法計算）。它是將一個多主梁問題轉換為單主梁問題，也是將一個空間問題轉化為平面問題的有效方法，其意義在于通過荷載橫向分布系數大小反映出單梁受荷大小，橫向分布系數變化規律，反映了整橋橫向受力分布規律。工程實踐證明這一計算方法科學合理，所得計算結果符合規范設計要求。因此，本文研究空心板橋拓寬改造對拓寬后舊橋受力性能的影響大小，可通過分析其拓寬后舊橋荷載橫向分布系數的變化來實現，即通過分析舊橋荷載橫向分布系數變化幅度可知拓寬改造對舊橋受力性能的影響程度，分析舊橋荷載橫向分布系數變化規律可知拓寬改造對舊橋受力性能的影響規律。

因此，基于這一分析方法，下文將從舊橋拓寬改造的接縫方式、接縫寬度、拓寬片數三個方面分別分析拓寬后舊橋荷載橫向分布系數的變化情況，通過這一變化分析其拓寬改造對舊橋受力性能的影響。

3 拓寬接縫形式對舊橋受力性能的影響分析

接縫設計是現役空心板橋拓寬設計的重要環節，連接方式一般有鉸接與剛接兩種形式[7-9]，下文采用橋梁專業有限元計算軟件橋梁博士4.2分別對拓寬前舊橋、鉸接拓寬后舊橋、剛接拓寬后舊橋荷載橫向分布系數進行計算。其計算結果如表1所示。

由表1分析可知，支點截面荷載橫向分布系數拓寬前后幾乎無變化，符合杠桿法計算荷載橫向分布系數的理論，且手算結果與程序計算結果一致，側向證明采用橋博4.2計算空心板荷載橫向分布系數是正確的。

進一步分析發現，跨中截面荷載橫向分布系數拓寬后明顯降低，且越靠近接縫處，其荷載橫向分布系數降低得越明顯。由此可見，空心板橋拓寬改造后，拓寬后的舊橋梁板受力性能得到了很好的改善，理論上證明了通過對舊空心板橋實施拓寬改造來改善舊橋梁板受力性能的思路是正確可行的。

此外，對比接縫連接的鉸接與剛接兩種形式可以發現，其荷載橫向分布系數幾乎一致，可見兩種連接方式對舊橋受力性能的改善作用相當。但鉸接連接一般存在連接不夠牢靠，后期易發生病害等問題，實際工程中建議盡量采用剛接連接方式。

4 拓寬接縫寬度對舊橋受力性能的影響分析

空心板橋拓寬接縫寬度一般在30～80 cm之間，

為進一步研究拓寬接縫寬度對舊橋受力性能影響，下文在背景工程的基礎上，分別選取縫寬0.3 m、0.5 m、0.7 m、0.9 m四種接縫寬度，對其支點及跨中截面荷載橫向分布系數進行計算。計算結果如下頁表2所示。

由表2分析可知，接縫處8號梁支點截面荷載橫向分布系數隨接縫寬度增大而增大;遠離接縫的1號及2號梁跨中荷載橫向分布系數隨接縫寬度增大而增大;3號梁跨中荷載橫向分布系數幾乎不變化;4～8號梁跨中荷載橫向分布系數隨接縫寬度增大而減小。整體來看，荷載橫向分布系數接近線性變化，但變化幅度相對較小。由此可見，拓寬接縫寬度對舊橋受力性能影響接近線性，但影響幅度相對較小。

5 拓寬主梁片數對舊橋受力性能的影響分析

為進一步探討拓寬主梁片數對舊橋受力性能的影響大小，下文在背景工程的基礎上，分別選取拓寬0片（原舊橋）、拓寬3片（拓寬1個車道）、拓寬6片（拓寬2個車道）、拓寬9片（拓寬3個車道）、拓寬12片空心板（拓寬4個車道）5個工況，分析其荷載橫向分布系數變化情況。荷載橫向分布系數計算結果如表3所示。

由表3分析可知，支點截面荷載橫向分布系數不隨拓寬空心板片數增加而增加，跨中截面荷載橫向分布系數隨寬空心板片數增加而減少，減少速率越來越慢，當拓寬梁片數達到一定數量時，荷載橫向分布系數保持穩定不再變化。如當拓寬至6片梁時，1～3號梁跨中荷載橫向系數基本保持穩定，當拓寬至9片梁時，1～7號梁跨中荷載橫向系數基本保持穩定。由此可見，拓寬空心板片數越多對舊橋受力性能改善作用越大，但影響程度越來越弱，當拓寬片數達到一定數量時，影響也隨即趨于穩定。

6 結語

本文以某改擴建高速公路空心板橋拓寬改造設計為背景工程，從舊橋拓寬改造的接縫方式、接縫寬度、拓寬主梁片數三個主要方面分別分析其荷載橫向分布系數變化情況，并通過這一變化進而研究舊橋受力性能受以上三個方面的影響大小。研究結果表明，舊橋受力性能可通過拓寬新空心板得到很好的改善;接縫方式對舊橋受力性能影響不大，但剛接連接后期病害相對較少;舊橋受力性能受接縫寬度影響接近線性，但整體影響幅度相對不大;拓寬主梁片數越多，對舊橋受力性能改善作用越大，但影響程度越來越小，當主梁拓寬片數達到一定數量后，舊橋受力性能影響也隨即趨于穩定。

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