拓宽及提载对空心板桥旧板受力影响分析∗

张丽芳 王莹 雷英鸽

(1.南京航空航天大学 210016; 2.西安公路研究院 710054)

引言

基于交通量、经济、可持续发展等因素的考虑,我国二十世纪修建的高速公路绝大部分都是双向四车道高速公路,一些低等级的公路是双向两车道。近年来,我国经济的发展促使公路交通量持续增加,经济发达地区的许多高速公路已无法满足当前的交通需求,需要对其进行拓宽改建以提高服务水平。

桥梁拓宽中在新旧桥连接的情况下,新增的梁(板)势必会对旧桥受力产生影响,且旧桥是按旧规范建设,设计标准与新标准不同,桥梁拓宽改建的同时往往面临提载的问题,这就对旧桥的承载能力有了更高的要求,所以在桥梁拓宽设计中旧桥的受力状态也是人们一直关注的重点,且就此问题进行了一系列的理论和实践研究。如Junichiro Niwa 通过9 个试件试验,研究横向预应力水平、钢筋连接方式、配筋率、连接面粗糙度等参数对新、旧板连接界面剪切性能的影响[1]。Kenneth 分析了通过加斜向支撑的方式拓宽桥梁的横向受力状况[2]。Y.H.Chai 通过实桥测试了拓宽桥梁的变形,从而为决策开放交通的时间提供参考[3]。Qing-Jie Wen 研究了预应力混凝土箱梁桥拓宽中收缩徐变引起的长期效应[4]。赵宝俊等研究了铰接和刚接情况下空心板桥拓宽后横向分布系数的变化[5],发现其均小于拓宽前旧桥主梁的横向分布系数; 并模拟了不同刚度接缝拓宽后桥梁内力和挠度的变化,旧桥的恒活载内力和挠度均降低,拼接刚度越大,降低越多。孟江等研究了10m、13m、16m、20m 简支空心板桥不同连接方式拓宽及不同刚度接缝的影响[6,7]。崔亭亭研究了16m 板、20m 箱梁和30m T 梁拓宽前后的横向分布系数[7]。这些研究表明,拓宽使得旧梁(板)横向分布系数有不同程度降低,其受拓宽连接方式的影响。

在我国运营的中小跨径桥梁中,空心板桥数量庞大,空心板桥拓宽连接的构造主要是湿接缝连接,接缝的连接方式及强度对荷载的横向分布及主梁内力产生较大影响。空心板桥拓宽前后横向分布系数的变化已有不少研究[5-7],但综合考虑横向分布系数变化及提载的分析甚少,却更具有实用意义。本文以某高速公路拓宽工程为背景,选取一批有代表性的空心板桥开展拓宽分析,研究不同跨径旧桥拓宽后横向分布系数的变化,并综合考虑荷载等级变化引起的空心板活载内力。

1 工程概况

1.1 空心板桥拓宽概况

本文以某高速公路拓宽工程中空心板桥梁拓宽改建为背景。该高速公路原为双幅分离式,原单幅面宽0.5m(边护栏) +11m(行车道) +1m(中护栏),本次拓宽改造在现有26m 宽双向四车道的基础上左右两侧各拼宽7.75m,成为宽度为41.5m 的双向八车道。该路段上涉及了跨径6m、8m、10m、13m 及16m 的空心板桥梁,原桥边板均无悬挑。拼宽时跨径10m、13m、16m的桥拓宽部分新增7 片单孔空心板(边板宽1.375m,中板宽1m),外侧边梁悬挑37.5cm,拼宽部位与老桥留37.5cm 的现浇接缝。10m/13m/16m 空心板桥的拓宽横断面如图1 所示。跨径6m 和8m 的桥拼接构造与10m/13m/16m 的桥相似,拓宽部分新增6 片双孔空心板(边板宽1.375m,中板宽1.25m),外侧边梁悬挑为27.5cm,拼宽部位与老桥留27.5cm 的现浇接缝。

1.2 拓宽接缝构造

拓宽改造时拆除原桥护栏,凿除部分现有的桥面铺装,在旧桥边板侧面用M10螺栓锚固80mm×10mm 的钢板并粘贴环氧树脂粘胶,然后设置连接钢筋,连接钢筋在旧桥侧与该钢板焊接,在新桥侧则预埋入预制的新空心板,形成如图2 的接缝形式(6m、8m桥的接缝构造为图2 中的接缝宽37.5cm 变为27.5cm,其他构造不变),图中斜线填充部分为钢纤维混凝土,以增强连接刚度及韧性。环氧树脂粘胶接触的混凝土面必须凿平整并清除浮混凝土和吹干,与钢纤维混凝土接触的混凝土面必须凿毛清除浮混凝土浮尘及杂物,充分湿润后浇筑钢纤维混凝土。拼宽桥在外侧填筑钢纤维混凝土开始到其达到设计要求强度前,仅开放靠近中央分隔带侧一个车道通车,且拼接处两侧空心板需用型钢进行临时连接,以使拼接处混凝土浇筑前,新老空心板的竖向挠度协调。

图1 10m/13m/16m 空心板桥拓宽横断面示意(单位： cm)Fig.1 The widened section of hollow core slab bridges with 10m/13m/16m span(unit: cm)

图2 10m/13m/16m 桥新老空心板间纵向连接构造(单位： cm)Fig.2 Longitudinal joint of the new and original hollow in slabs with 10m/13m/16m span(unit: cm)

2 拓宽改造分析

2.1 基本参数及空心板截面特性

旧桥依据1989 版公路桥涵设计通用规范[8],采用的设计荷载标准为汽车-超20 级,而拓宽后采用2004 版通用规范[9],设计汽车荷载为公路I 级,考虑到2015 版公路桥涵设计通用规范[10]对汽车荷载的规定有所变化,故本文也考虑了这一变化的影响。新旧桥空心板均采用C40混凝土。

对跨径6m、8m、10m、13m、16m 的正交空心板桥拓宽前后各片板的横向分布系数进行计算。各跨径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 空心板横向分布系数计算

按公路桥涵设计手册的横向分布系数计算方法,根据空心板桥横向连接特点,采用铰接板法计算,其中拼宽处接缝按刚接考虑,其他板间接缝均按铰接计算,拓宽前后结果示于图3。图中,旧桥板编号为1 ～12,新增板编号为1+～6+(6m/8m 跨、1+～7+(10m/13m/16m 跨),接缝为1 号板和1+号板相接处。旧板编号越小越靠近拼接缝。

图3 拓宽前后横向分布系数对比Fig.3 Transverse distribution factors of hollow core slab bridges with 6m/8m before and after widening

由图3a 可见拓宽后新增部分板的横向分布系数较原桥板的横向分布系数大; 拓宽后靠拼接缝处半幅旧桥板的横向分布系数普遍比原来减小,远离拼接侧的板无显明变化,说明拓宽对拼接侧板起到卸载作用。

由图3b 可见拓宽后新增边板的横向分布系数较原桥边板大,中板的横向分布系数与原桥的相比变化不明显; 拓宽后靠拼接侧旧桥的一半空心板横向分布系数均有明显降低,另一半则变化甚小。

由拓宽前后旧板的横向分布系数可得到横向分布系数变化比:

式中:mo为拓宽前旧桥各板的横向分布系数;mw为拓宽后旧桥各板的横向分布系数。

以上五种跨径的横向分布系数变化比Δ如表2 所示。由此可见,随着跨径的增大,拓宽引起横向分布系数降低越明显。

表2 横向分布系数变化比ΔTab.2 The variation oftransverse distribution factor

2.3 考虑横向分布系数和汽车荷载等级变化的板内力分析

对以上五个跨径的简支空心板桥按照拓宽前后的荷载进行分析,拓宽前按汽-超20 算,拓宽后按公路I 级算。汽-超20 荷载作用下板内力计算公式(不计冲击力)为[11]:

式中:S为所求截面的弯矩或剪力;ξ为多车道汽车荷载折减系数,按《桥规》规定取用;mi指沿桥跨纵向与荷载位置对应的横向分布系数;Pi指车辆荷载的轴重;yi指沿桥跨纵向与荷载位置对应的内力影响线坐标值。

公路I 级荷载作用下,计算板跨中截面内力时,可近似取跨中横向分布系数mc,则式(2)变为:

式中:mc跨中横向分布系数;qk为车道荷载均布荷载标准值;Pk为车道荷载集中荷载标准值;Ω为均布荷载加载范围的内力影响线面积;yi为Pk作用位置处的内力影响线坐标值。

采用不同规范汽车荷载[8-10]按单车道计算,可得到拓宽前后旧桥全桥跨中截面的弯矩如表3 所示。

表3 不同规范汽车荷载单车道作用下跨中弯矩Tab.3 The bending moment at midspan under different standard load grade

由表3 可见,15 规范的公路I 级荷载由于对集中荷载规定值有所变化,引起跨中弯矩明显增大。而04 规范的公路I 级荷载较汽-超20 增大,且在6m ～16m 几个跨径中随着跨径增大,跨中弯矩增大幅度亦变大。

结合前面已计算出的荷载横向分布系数,可求出各片板拓宽及提载以后活载弯矩变化如表4所示,将汽-超20 与04 规范的公路I 级荷载对比记为①,汽-超20 与15 规范的公路I 级荷载对比记为②。

表4 拓宽及提载影响下各板活载弯矩变化Tab.4 The variations of bending moment under different load grade and widening

由表4 可见,对于本工程的拓宽方式及拓宽宽度,跨径6m 和8m 的板桥若考虑荷载由汽-超20 调整到04 规范的公路I 级,则汽车荷载产生的跨中弯矩变化不明显甚至靠近接缝侧有一定程度的卸载效应。对于10m 到16m 的板桥,靠近接缝的半幅桥各片板的汽车荷载产生的跨中弯矩较原来降低,而远离接缝的半幅桥各片板的跨中弯矩增加。而若按照15 规范的公路I 级计算,则原板活载弯矩均有很大的增加,要满足新规范的活载要求,需对旧板进行适当加固。

3 结论

通过以上分析,可以得出以下几个结论:

1.拓宽后旧桥靠拼接侧半幅板的横向分布系数普遍比原来减小,远离拼接侧的板无显明变化,说明拓宽对拼接侧板受力起到卸载作用,且随着跨径的增大,拓宽引起横向分布系数降低更明显。

2.对比了三版规范汽车荷载效应,15 规范的公路I 级荷载由于对集中荷载规定值变化,引起板跨中弯矩明显增大。而04 规范的公路I 级荷载产生的板跨中弯矩较汽-超20 的增大,且在6m ～16m 几个跨径中随着跨径增大,其变化值亦增大。

3.基于本工程的拓宽方式及拓宽宽度,当汽车荷载由汽-超20 调整到04 规范的公路I 级,对跨径6m 和8m 的板桥,板的跨中弯矩变化不明显; 对于10m 到16m 的板桥,靠近接缝的半幅桥汽车荷载产生的跨中弯矩较原来降低,而远离接缝的半幅桥的弯矩增加,但增减幅度均不大。而若按照15 规范的公路I 级计算,则旧板活载弯矩均大幅增加。