空心板桥拓宽对荷载横向分布的影响研究

肖治华， 呙于平， 江 伟， 梁亚兰

(1.中国一冶集团有限公司，湖北 武汉 430080；2.武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063)

空心板桥拓宽对荷载横向分布的影响研究

肖治华1， 呙于平1， 江 伟1， 梁亚兰2

(1.中国一冶集团有限公司，湖北 武汉 430080；2.武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063)

为了研究桥梁拓宽对旧桥的受力性能的影响,以工程实例为背景，借助有限元软件对桥梁拓宽结构进行分析，主要对为空心板桥铰接拓宽前后老桥主梁横向分布系数的变化展开详尽的研究，以及更深入地探讨了拓宽新桥主梁数量对老桥横向分布影响的差异，并归纳总结其中规律。研究表明：桥梁通过铰接形式拓宽后，在设计荷载与原来的情况下，老桥的受力变得更加合理，其每片主梁的受力减小而且更趋向于均匀，其设计荷载可以满足拓宽后的荷载要求。另一方面，新旧桥的横向分布系数随加宽新桥主梁的片数的变化而变化；新桥主梁数量越多，新桥和旧桥的横向分布系数越小。由此表明，通过铰接缝的荷载传递作用，新桥和旧桥所承担的荷载均减小。

空心板梁；旧桥拓宽；横向分布；主梁数量；影响

0 引 言

随着我国经济发展水平的不断提高，交通运输行业呈现出发展的势头，因此对道路基础设施建设需要提出更高的要求。另一方面，不少地方公路桥梁由于建设时间较早，桥面设计宽度过小，无法满足当前交通运输发展的需要，应运而生的旧桥拓宽改造成为解决当前道路运输瓶颈的的重要途径，所以旧桥的拓宽改造的理论技术显得日趋重要。但是旧桥拓宽涉及到旧桥边梁受力结构体系转化的问题，拓宽前后旧桥主梁受力情况也会随之改变。正因为如此，本文重点探究了拓宽前后旧桥主梁横向分布系数的变化规律，以及新桥主梁片数对旧桥横向分布系数的影响差异研究。

目前，国内外对新旧桥梁拓宽衔接的研究也愈来愈多，其中以拓宽方式和连接刚度对横向分布系数的影响研究居多。文献[1]表明，新旧桥梁连接处刚度越大，荷载横向传递越充分，因而横向分布系数越小[2]。在三种拓宽连接方式(刚性连接、半刚性连接、柔性连接)中，当属刚性连接荷载横向传递更充分，横向分布系数更小，半刚性次之，柔性连接对荷载横向分布无影响[3]。文献[4]通过理论计算分析了桥梁拓宽对老桥的边梁及中梁的影响。文献[5]指出，在新梁刚度相同时，对称拓宽形式下老梁的横向分布系数比单侧拓宽的小[6]，且两者的差值随新梁刚度的增加而逐渐增大，因此对称双侧拓宽方式在活载受力上更好地保护原有桥梁[7]。文献[8]进行了铰接形式下横向分布系数的实测值和理论值的对比研究。尽管业内对拓宽桥梁横向分布的研究如此之多，但是对新桥主梁片数之于荷载横向分布系数的影响研究好像鲜有涉猎。本文以某拓宽空心板桥为背景，重点探究了拓宽前后旧桥主梁横向分布系数的变化规律，以及新桥主梁片数对旧桥横向分布系数的影响差异，对老桥拓宽加固提供技术支持，并对类似桥梁拓宽改造设计具有一定的实际指导意义。

1 工程概况

某桥段为高速出口接入三环线的环形匝道的一部分，因而需对三环线高架桥(老桥)接口处进行拓宽处理，称为新旧桥绑宽段。既有桥梁均为简支结构，共11跨，单跨跨径为25 m,孔跨布置为11×25 m。上部结构为带牛腿的预应力混凝土空心板，桥墩采用双柱式桥墩，帽梁为带牛腿的隐帽梁，基础为钻孔灌注桩基础。需拓宽的是前11孔，结构形式依旧为简支梁，孔跨布置与老桥一致，也为11×25 m。

老桥全桥由12块预应力混凝土空心板组成，全桥桥面净宽为13.75 m,两边栏杆分别为0.5 m宽，空心板上现浇10 cm混凝土，设置防水层，最后铺上9 cm厚的沥青混凝土铺装层,如图1所示。新桥桥面净宽为3.5 m,外侧栏杆0.5 m，其桥面铺装与老桥的相同，但是新桥在不同的孔跨位置处预应力混凝土空心板块数有所变化，为了研究拓宽桥梁片数对横向分布的影响，故取第1跨和第11跨为例对本文的课题进行研究，第1跨拼宽4片空心板梁，第11跨拼宽6片空心板梁，如图2和图3所示。新桥与老桥的连接方法为：在旧桥的基础上，敲掉其与新桥邻近一端边主梁的栏杆和部分悬臂(本项目中敲去一半的悬臂长度，即原悬臂长度为0.62 m,拓宽连接时敲掉0.31 m)，新桥建成后先不与老桥进行连接处理，对其做超载预压施工，使之加快沉降的速度，待新桥基本沉降稳定之后分别在新旧桥连接处植筋，并现浇混凝土进行接缝处理。接缝处理完之后，对全桥浇筑桥面铺装层，使新桥与老桥成为一个整体，提高桥面的美观性以及行车的平顺性和舒适性。

图1 老桥横向布置图

图2 老桥+4片主梁新桥横向布置图

图3 老桥+6片主梁新桥横向布置图

2 计算方法

桥梁荷载横向分布的规律与结构的横向连接刚度有着十分密切关系，横向连接刚度越大，荷载横向分布作用越明显，各主梁的负担也越趋均匀。

在实践中，由于施工特点、构造设计等的不同，钢筋混凝土或者预应力混凝土梁式桥上可能采用不同类型的横向结构。因此，为使荷载横向分布的计算能更好地适应各种类型的结构特性，就需要按不同的横向结构简化计算模型拟定出相应的计算方法。

对于用现浇混凝土纵向企口缝连接的装配式板桥，以及仅在翼缘板间用焊接钢板或者伸出交叉钢筋连接的无中间横隔梁的装配式桥，由于块件间横向具有一定的连接构造，但其横向连接又很薄弱，因此对于跨中荷载横向分布的计算，偏心压力法不再适用。鉴于这类结构的受力状态实际接近于数根并列而相互间横向铰接的狭长的(梁)，故对此需采用横向铰接(梁)理论来计算荷载的横向分布。

对于本次拼接项目，由于两桥间的接缝采用植筋并现浇湿接缝的方法连接，故该接缝也可近似为铰接处理。由于本次项目只研究旧桥及拼宽桥跨中横向分布系数，故只需采用铰接板法计算即可。虽然此桥是最简单的单跨25 m简支空心梁板，通过手工计算其横向分布系数和内力等十分简单，但是老桥桥面由12片空心板组成，桥梁规范只提供了十片铰接梁查表的数据，因此需要借助电算程序(如桥梁博士)来计算各片主梁的横向分布系数。

为了研究新桥拓宽主梁片数对荷载横向分布系数的影响，显然仅仅根据实际实况中的拓宽4片主梁或者6片主梁的计算数据是不充分的，因此本文在工程实际的基础上，新增拓宽8片、10片和12片主梁的施工工况作为补充，来更加充分地探讨新桥主梁片数所带来的影响，通过对6种工况下计算所得的6组数据进行分析归纳，总结其中的规律，对老桥拓宽加固提供技术支持，并对类似桥梁拓宽改造设计具有一定的实际指导意义。

3 计算结果及分析

由于只需计算桥梁跨中部位的弯矩，故可运用桥梁博士横向分布设计模块中的铰接板法来计算各跨梁拓宽前后的横向分布系数变化。

如图4，为老桥左右边板尺寸，图5为老桥中梁及新桥主梁空心板尺寸，由以上空心板截面尺寸可算得横向分布系数计算参数表，如表1所列。

图4 老桥左右边板尺寸

图5 老桥中梁及新桥主梁空心板尺寸

表1 横向分布系数计算参数表

表2列举出了6种施工工况下的所需计算的内容，根据这6种不同施工工况分别借助桥梁博士软件运用铰接板法来计算，表3则给出了程序计算结果，为新旧桥拓宽前后横向分布系数变化对比表。为使表3中的计算数据更加直观，易于总结和分析拓宽前后横向分布的变化规律，故将表3中的数据以两个图表的形式呈现出来，分别是图6(老桥拓宽前后横向分布变化对比图)和图7(新桥拓宽后新桥横向分布变化对比图)。

表2 计算工况汇总表

表3 新旧桥拓宽前后横向分布系数变化表

图6 老桥拓宽前后横向分布变化对比图

图7 新桥拓宽后横向分布变化对比图

分析表3中的计算数据以及图6和图7中图标曲线，可以得出下列结论：

(1) 由图6可知：通过铰接形式拓宽后，老桥每片主梁的荷载横向分布系数均有所下降，由此说明以铰接方式拓宽的空心板桥加宽后老桥的受力更小，这样老桥主梁便有更多的安全储备，因此桥梁拓宽工程中以铰接方式拓宽时，在设计荷载不增加的情况下，老桥的设计荷载可以满足拓宽后的荷载要求。不需要对其进行加固处理，或者只需要对其拓宽端边梁增设构造钢筋即可。

(2) 由图6和图7均可以看出，新桥加宽主梁片数对横向分布系数变化的影响不容忽视。加宽新桥主梁的片数越多，老桥各片主梁的荷载横向分布系数愈小，新桥的横向分布系数也随着主梁片数的增多而减小。说明加宽的新桥主梁片数越多，铰接缝的传递作用更加明显，新桥和老桥承担的荷载均减小。

(3) 从图6中的横向分布曲线不难看出，相比于拓宽前旧桥的横向分布系数曲线，拓宽后老桥的横向分布曲线整体向下平移，而且线形变得更加平缓，表示旧桥拓宽使得荷载横向分布更加均匀，即每片主梁的受力相对比较平均，有利于空心板主梁的装配式生产，而且使得桥梁结构整体工作性能有所改善。

4 结束语

旧桥拓宽改造工程中，新旧桥梁的连接对各梁的受力存在一定的影响。为了详尽的研究其中的联系和影响，本文以武汉竹叶海立交桥的拓宽改造工程为背景，借助桥梁博士有限元软件和通过荷载传递规律进行分析。研究发现，空心板桥梁的铰接拓宽改造，使原桥各旧梁的荷载横向分布系数均得到减小，有利于旧梁承载能力的提高，提高了桥梁整体的安全荷载等级；同时旧桥各梁的横向分布分配得更加均匀，每片主梁的受力相对比较平均，有利于空心板主梁的装配式生产，使得桥梁结构整体工作性能有所改善；而且研究表明，新旧桥的横向分布系数随加宽新桥主梁的片数的变化而变化；新桥主梁数量越多，新桥和旧桥的横向分布系数越小。因此，在桥梁铰接拓宽改造工程中，如果外界条件允许的条件下，可以适当地增加新桥主梁的片数，有利于桥梁承载能力的提高，优化旧桥的受力体系。

[1] 王 浩，朱若溪，张肇红.连接刚度对加宽桥梁荷载横向分布的影响分析[J].公路学报，2013(7):3～4.

[2] 高小妮.拓宽后桥梁结构相互作用分析[D].西安：长安大学，2009.

[3] 司 瑞.空心板桥拓宽结构受力分析[D].西安：长安大学，2013.

[4] 刘学强.桥梁拓宽对旧桥结构内力的影响分析[J].市政技术，2012(4):4～5.

[5] 林 晶，肖汝诚，任昌瑞.拓宽方式对旧T梁横向分布的影响研究[J].中外公路，2013(2):3.

[6] 陈 玲.T梁桥拓宽拼接对横向分布的影响[J].福建建筑，2012(6):3.

[7] 常国强，张长青，胡文华,等.拓宽改造对旧桥受力性能的影响分析[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2013(32):3～4.

[8] 潘桂梅，李平杰，马牛静.旧铰接板梁桥横向分布系数现场试验研究[J].中外公路，2012(2):5～6.

2016-10-22；修改日期：2016-10-26

肖治华(1977-)，男，湖北咸宁人，中国一冶集团有限公司工程师．

U445.6；U448.212

A

1673-5781(2016)05-0592-04