危舊橋梁改造中的上部結構內力分析

師傳龍

（甘肅省定西公路事業發展中心試驗檢測室，甘肅 定西 743000）

0 引言

隨著既有橋梁運營時間的增長，橋梁的性能狀況有一定的下滑趨勢，對已經出現病害的橋梁進行維修改造是非常有必要的。

定西公路局省道209線某橋經過多年運行，近年在橋梁技術狀況評定過程中發現橋面系存在橫向貫穿裂縫，橋面伸縮縫缺失，橋面護欄彎曲外傾，欄桿脫落，人行道板破損嚴重，次梁混凝土破損、裂縫，節點斜向裂縫，微彎板、橫隔板水蝕，主梁混凝土銹脹、多處存在水蝕返堿現象，橫隔板混凝土存在脫落、裂縫，橋梁結構處于帶病運營，存在巨大的安全隱患。經定西公路局與設計單位溝通研究，該橋梁技術狀況等級被確定為4類，根據相關規范的規定，該橋梁需進行改造施工。

改造，就離不開改造設計，離不開精確的計算分析。本文僅對該橋梁上部結構內力進行計算分析。

1 橋梁工程概況

該橋梁上部結構為1×30m 鋼架拱，上部結構采用預應力混凝土簡支箱形梁結構。孔徑布置為1～30m，橋梁全長42.03m，橋面寬度為15m；橋臺采用U型橋臺，樁基礎。兩支座中心間的距離為29.16m（計算跨徑）；主梁全長29.96m；橋面寬度15m（12m 行車道+2×1.5m 人行道）；汽車：公路—Ⅰ級；人群：3.5kN/m2。環境標準：橋址位于野外一般地區，Ⅰ類環境條件，年平均相對濕度為75%；安全等級為二級；梁體采用C50混凝土，鋪裝層為8cm瀝青混凝土+8cmC50混凝土。

2 橋梁內力計算

該工程屬于危舊橋梁改造工程，結合當地交通量的情況，考慮到結構的安全性能，以1號邊梁作用效應進行內力計算，則比按2號梁或者3號梁的截面特性考慮偏于安全。

2.1 永久荷載（邊梁）

一期：qΙ=(430.528+55.928+18.710+21.834)/14.98=35.18kN/m

二期：qΙΙ=(1.25+0.25+9.216+3.6)=14.316kN/m

永久作用：令x為計算截面離左側支座的距離，并令y=x/lx。主梁彎矩M及剪力V的計算公式分別為：

主梁（1號梁）永久荷載效應匯總結果見表1。

表1 1號邊梁永久荷載計算結果

2.2 可變荷載

結構基頻：

根據規范要求，當車道數量為三車道及以上時，應乘以系數進行折減，其中三車道的折減系數為22%，但折減后的結果要大于等于用兩車道布載的結果。為了安全起見，本工程按兩車道、三車道分別進行布載，計算結果取其最不利工況。各梁跨中之間無橫隔梁，僅在端部設置橫隔梁，各梁間的橫向聯系主要依托于濕接縫，所以采用剛接梁法來做橫向分布影響線并計算橫向分布系數mc，主梁的抗彎剛度與抗扭剛度比γ和主梁抗彎剛度與橋面板抗彎剛度比β為：

由此可得，橫向分布影響線豎坐標結果見表2。

表2 橫向分布影響線豎坐標結果

1號主邊梁的橫向分布系數和最不利荷載布載形式如圖1所示（汽車荷載分別按兩車道和三車道計算，已考慮車道折減系數）：mcq=0.5247，mcq=0.5266，人群荷載：mcp=0.3697+0.0818=0.4515。

圖1 1號主邊梁最不利布載形式及橫向分布影響線（單位：cm）

同理得2號梁的荷載橫向分布系數：

mcq=0.5197（三車道）；mcq=0.4843（兩車道）；mcp=0.2600+0.1159=0.3759；

3號梁系數：

三車道1：mcq=0.4928；三車道2：mcq=0.4929；兩車道：mcq=0.4335；mcp=0.1737+0.1737=0.1737。

運用杠桿原理法計算支點截面的荷載橫向分布系數：

汽車荷載：

人群荷載：

1號梁：m0p=1.25；2號梁：m0p=-0.25；3號梁：m0p=0。

公路-Ⅰ級車道荷載的均布荷載標準值為qk=10.5kN/m；彎矩計算時集中荷載標準值Pk=276.64kN，剪力計算時，Pk=331.97kN。通過上述計算，在彎矩計算時，可變作用橫向分布系數1 號梁為最大，故可變作用橫向分布系數取值為：汽車荷載：mcq=0.5266；人群荷載：mcp=0.4515。

在剪力計算時，對1、2、3號梁分別進行計算，取其最不利者進行計算。跨中彎矩計算：

不計沖擊：M汽=1649.70kN·m；沖擊效應：M=358.15kN·m；M人=mcpq人ωk=251.94kN·m。

跨中剪力計算：

式中：ωk=×29.16=3.645m；不計沖擊：V汽=107.56kN；沖擊效應：M=23.35kN；V人=mcpq人ωk=0.4515×5.25×3.645=8.64kN。

同理得四分點截面彎矩為：

不計沖擊：M汽=1237.27kN·m；沖擊效應：M=268.61kN·m；M人=mcpq人ωk=188.96kN·m。

四分點截面剪力為：

不計沖擊：V汽=176.46kN；沖擊效應：M=38.31kN；V人=mcpq人ωk=19.44kN。

跨中截面及四分點截面作用基本組合。

彎矩基本組合公式為：

式中：γGi——永久荷載分項系數，取1.2；

γQ1——汽車荷載分項系數，取1.4；

γQj——人群荷載分項系數，取1.4；

γ0——橋梁結構重要性系數，取1.0；

ψc——其他可變作用效應的組合系數（除汽車荷載效應（含沖擊力、離心力）），其中人群荷載參與組合時，系數為0.8。

作用短期效應組合：

式中：ψ1j——第j個可變荷載的頻遇值系數，汽車荷載（不計沖擊）效應取=0.7；人群荷載取1.0。

橋梁上部結構內力（彎矩、剪力）組合結果見表3和表4。

表3 彎矩基本組合計算

表4 剪力基本組合（單位：kN）

3 結束語

本次內力分析基于實際的養護工程案例，通過一系列的計算和荷載分析，最后得出該橋梁上部結構的彎矩和剪力在滿足承載力能力極限狀態下的基本組合，能夠為后續的橋梁設計提供可靠依據，同時能為橋梁運營期間的養護提供基本數據，為橋梁整體結構的健康運營保駕護航。