空心板桥拓宽后承载潜力分析

黄江华

(浙江华东工程安全技术有限公司,杭州 310014)

我国公路中修建的小跨径桥梁中大部分是装配式空心板桥,这些桥梁由于设计承载力标准低,桥面设计比较窄,大多数桥梁在公路改造时又未能得到同步改造和加固,大都出现一定程度的病害。然而,随着我国经济和社会的快速发展,汽车保有量和交通运输量的迅猛增长,使得这些桥梁经常带病负荷,日积月累,导致其承载力已严重不足,因此亟待对其进行拓宽加固改造,从而提高桥梁的承载力,满足交通的需要。

对于这些桥梁进行拓宽改造,设计者常常着重考虑相关工程技术难题,如拓宽方案、横向结构的拼接、结构的变形等[1]。而拓宽对桥梁整体产生的影响,拓宽后桥梁的承载力是否能够满足使用标准等方面的研究较少,而且目前的研究也大都是针对于预制T梁和箱梁桥的[2]。本文基于桥梁横向分布计算理论,结合具体工程实例,通过分析计算旧桥及不同拓宽方式下旧桥各板荷载横向分布系数,探讨其变化对桥梁结构承载潜力的影响。

1 桥梁横向分布计算理论

对于梁式板桥或多片主梁组成的梁桥,当桥上作用荷载P时,由于结构的横向刚性使荷载在x和y方向内同时发生传布,并使所有主梁都不同程度参与受力。如果结构某点截面的内力影响面用双值函数η(x,y)来表示,则该截面的内力值可表示为S=Pη(x,y).求解结构内力属于空间理论问题,为了便于使用计算,通常把空间受力简化成平面受力来分析,方法就是将前述影响面函数η(x,y)分离成两个单值函数的乘积η(x,y)=η(x)η(y)[3]。因此,对于某根主梁某一截面的内力值就可表示为:

式中:S为某根主梁 (或某块板)某一截面的内力值;η(x,y)为该主梁 (或该块板)某一截面的内力影响线;η(x)为该单梁 (或板)在桥纵向 (x轴方向)某一截面的内力影响线;η(y)为单位荷载沿桥面横向 (y轴方向)作用在不同位置时,该单梁 (或板)所分配的荷载比值变化曲线,也称作对于某梁 (或板)的荷载横向分布影响线。

对于空心板桥,当桥上主要作用竖向车轮荷载时,纵向剪力和法向力同竖向剪力相比影响极小,加之在构造上结合缝的高度不大,刚性甚弱,通常近似铰接。因此可以假定竖向荷载作用下结合缝内只传递竖向剪力,结合上述理论,就可计算荷载的横向分布影响线,进而由横向分布影响线通过横向最不利布载得到主梁的横向分布系数m[4]。通过计算分析桥梁拓宽前后m的变化,可用来评价拓宽后桥梁的承载潜力。

2 工程概况及拓宽方案

某装配式预应力混凝土空心板桥由十块双孔空心板组成,原设计荷载为汽—20,挂—100,标准跨径20 m,计算跨径19.50 m,桥面宽度为净9+2×0.75m安全带。现需将道路拓宽为净16m,拟采用以下两种拓宽方案:

方案一:在原桥的左侧增加六块空心板,使得原桥加宽六米,即单边拓宽方案。

方案二:在原桥的左右两侧各增加三块空心板,使得原桥加宽六米,即双边拓宽方案。

原桥及拓宽后桥面的横断面图如图1～图3,图中1″～10″号标明旧桥各板在不同拓宽方案中的位置。

图1 原桥面横断面图

图2 单边拓宽后桥面横断面图

图3 双边拓宽后桥面横断面图

3 计算分析

图4 旧桥1″～5″号板的横向分布影响线

空心板横截面的几何特性为:抗弯惯矩I=2.92×106cm4抗扭惯矩 IT=4.15×106cm4。则其刚度参数为:查 《公路桥涵设计手册》中铰接板荷载横向分布影响线竖标表,可得旧桥及不同方案拓宽后旧桥1″～5″号板的横向分布影响线 (6″～10″与 1″～5″反向对称), 见图4～图6。

图5 单边拓宽后旧桥1″～5″号板的横向分布影响线

图6 双边拓宽后旧桥1″～5″号板的横向分布影响线

由图4～图6可以看出,无论采用哪种拓宽方式,旧桥1″～5″号板的横向分布影响线拓宽前后变化趋势基本一样,而影响线的峰值都不同程度的减小。对1″～10″号板荷载横向分布影响线分别进行两行汽车最不利横向布载,可计算得到旧桥1″～10″号板的横向分布系数,计算结果见表1和图7。

表1 不同工况旧桥1″～10″号板的横向分布系数

图7 不同工况旧桥1″～10″号板的横向分布系数对比图

由图7可以看出,旧桥经过不同方式的横向拓宽后,1″～10″号板的横向分布系数m都有所减小,双边拓宽的减小幅度整体高于单边拓宽。横向荷载分布系数m的减小,在一定程度上反映了桥梁整体承载能力的提高。因为桥面空心板设计好后,它自身的极限承载能力是定值,而m的减小意味着分配到某一片板上的活载减少,也就是桥梁正常使用阶段此块板承受的总载下降,在抗力一定的前提下,桥梁整体就可以承受更大的荷载,承载潜力得到提高。

由表1中数据可以看出,旧桥各板的荷载横向分布系数m单边拓宽后:1″～10″减小幅度在7%～29%之间,整体平均减小16.9%,;双边拓宽后:1″～10″减小幅度在11%～ 25%之间, 除 1″、 10″号板外,其他各板减小比较均匀,整体平均减小20.3%。这表明拓宽后新桥分担了部分荷载,使旧桥分配的荷载明显减少,结构工作性能得到明显改善,结构整体的承载能力得到提高。单边拓宽使旧桥的实际承载能力提高约16.9%,双边拓宽使旧桥的实际承载能力提高约20.3%。

4 结 语

(1)装配式空心板桥经过拓宽改造后,旧桥各板的荷载横向分布系数明显减小,表明新桥分担了部分荷载,桥梁的整体承载能力得到了很大的提升,承载潜力得到很大的提高,可以有效解决旧桥的承载能力不足的问题。

(2)拓宽后,旧桥各板由于实际受力的减小,正常使用阶段的挠度有所下降,桥梁的整体受力得到了更充分的发挥,有利于桥梁自身结构的安全。

(3)对于装配式空心板桥的拓宽改造,双边拓宽后旧桥各板的荷载横向分布系数减小比较均匀,表明此方案在提高桥梁整体刚度、分担桥梁整体荷载、保证桥梁整体安全等方面都优于单边拓宽,建议此类桥梁拓宽改造时优先考虑双边拓宽方案。

[1]华斌,李捷,吴建平,等.预应力混凝土梁桥拓宽关键技术研究[J].现代交通技术,2006,(5):72-76.

[2]赵煜,张珂.既有桥梁拓宽后承载潜力研究[J].长安大学学报:自然科学版,2003,23(1):51-53.

[3]刘龄嘉.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,2007:84-117.

[4]李国豪,石洞.公路桥梁荷载横向分布计算[M].北京:人民交通出版社,1987:15-36.