加宽桥梁不同拼接模式下的抗震性能比较分析

2013-08-21付玉辉

哈尔滨商业大学学报（自然科学版） 2013年2期

付玉辉

(辽宁省交通规划设计院，沈阳110005)

近年来，随着我国经济的快速发展，国道主干线已建的高速公路的交通量迅速增长，部分高速公路交通量已趋于饱和，服务水平严重下降，难以满足交通发展的需要，早期修建的高速公路陆续由双向4车道扩建为双向6、8车道，由此带来既有桥梁的横向拼宽课题.本文针对目前高速公路桥梁拼宽常用的几种模式，建立有限元模型，分析其成桥状态下的抗震性能.

1 桥梁拼接模式概述

从桥梁横向拼宽的技术特点来看，新老桥梁的横向连接方式通常采用以下3种拼接模式[1]:

1)上部构造与下部构造均不连接;2)上部构造与下部构造均连接;3)上部构造连接下部构造不连接;简称“上连下不连”.上、下部结构不连接，则相互间为各自独立受力的桥;上、下部结构连接，则上、下部结构相互间为共同受力的桥;上或下部结构连接，则上或下部结构相互间为共同受力的桥.

以上三种模式各有优缺点:上部构造与下部构造均不连接，加宽桥与原桥各自受力明确、互不影响，简化了施工程序，基本不影响原路交通;上部构造与下部构造均连接，加宽桥与原桥形成完整一体，减少各种荷载作用下新老桥连接处的不均衡变形，其缺点为新桥与老桥的上部混凝土梁变形不一致，加宽桥基础沉降大于原桥基础沉降，由此产生的附加内力加大，易造成下部结构的盖梁、墩台连接处产生裂缝，上部结构连接部位也可能出现裂缝，下部结构需采用植筋，成本高、工期长，且需封闭旧桥，对原路交通影响较大;上部构造连接下部构造不连接，上部连接，形成整体，有利于行车舒适、路面养护，新桥施工及拼接施工方便，下部结构不连接，各自受力，减少了新桥与原桥的上部结构的变形不一致、新旧桥基础整体沉降差产生的附加内力，下部不连接对原有交通的影响降到最低，其缺点为由于新旧基础发生不均匀沉降，易导致上部结构拼接处开裂[2－3].

以上三种拼接模式在实际工程中均有应用，广佛高速公路扩建工程采用上部构造与下部构造均不连接;沈大高速公路扩建工程采用上部构造与下部构造均连接;沪杭甬高速公路扩建工程采用上部构造连接下部构造不连接.

2 桥梁概况及模型建立

某高速公路空心板桥4孔一联，桥面单幅宽度13 m，采用1.2 m 圆柱，双柱墩，柱距7 m.本桥所处场地为Ⅲ类场地，分区特征周期0.35 s，工程场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10 g.本文综合考虑连接方式对成桥后状态的不同，根据加宽宽度的不同，加宽桥下部选择采用双柱或单柱.桥梁横断面布置如图1所示.

图1 加宽桥横断面布置

上部构造与下部构造均不连接，既有桥梁与加宽桥为独立桥梁，本文仅考虑上部构造均连接，分以下4种情况，利用MIDAS有限元程序建立空间计算模型:加宽桥下部为双柱、下部连接;加宽桥下部为双柱、下部不连接;加宽桥下部为独柱、下部连接;加宽桥下部为独柱、下部不连接.上部空心板横向采用虚拟梁连接形成整体，板式橡胶支座采用空间弹簧模拟，桩基础采用6根弹簧模拟桩土作用.空间模型如图2、3所示.

图2 原桥结构模型

图3 加宽桥结构模型

3 计算结果及分析

采用反应谱方法，对本文建立的有限元模型，进行水平地震作用下的地震反应分析.地震输入采用横桥向和顺桥向两种方式，不考虑竖向地震作用，对采用不同加宽方式加宽后成桥状态的抗震性能进行了分析.其地震分析结果如表1～7所示.

表1 双柱加宽前5阶频率及振型比较表

表2 单柱加宽前5阶频率及振型比较表

表3 双柱加宽新建桥墩弯矩比较表

表4 独柱加宽新建桥墩弯矩比较表

表5 独柱加宽既有桥墩弯矩比较表

表6 E2地震作用下双柱加宽新建桥墩位移比较表

从表1、2可知，加宽模式的选择对结构频率及振型影响不大，从表3可看出，在E1及E2地震作用下，对于采用双柱加宽的桥梁，从抗震角度考虑，下部连接方式的改变对新建桥墩整体受力影响不大，最大为9.5%.从表4、5可看出，对于采用独柱加宽的桥梁，下部连接方式的改变对既有桥墩受力影响不大，而对于新建桥墩，由于上连下不连，独柱加宽新建桥墩塑性铰只位于桥墩底部，顺桥向墩底弯矩影响不大，横桥向墩底及墩顶弯矩影响较大，采用上下部均连接的加宽方式，新建独柱墩受力上下均匀，采用上连下不连加宽方式，新建独柱墩墩底弯矩与墩顶弯矩差别加大，且最大值大于上下部均连接的加宽方式，该受力模式不利于桥墩配筋设计.从表6、7的位移比较来看，对于采用独柱加宽的桥梁，上连下不连加宽方式的Y向位移明显大于上下部均连接的位移.