不同横向连接方式对拓宽装配式小箱梁混合受力性能研究

2017-10-29黄永超

山西交通科技 2017年4期

黄永超

（山西路桥第一工程有限责任公司，山西太原 030006）

随着国内交通事业的大力发展，高速公路网域逐年递增，但早期修建的高速公路已无法满足现有的交通量需求，急需对已有的高速公路进行扩建改造。

高速公路的扩建改造必然涉及到桥梁拼宽改造。目前国内大多数学者针对空心板，T梁等桥型的拼宽问题研究已很成熟，而装配式小箱梁相对研究较少[1-2]。桥梁拼宽改造的成功关键在于选取合适的横向连接方式。因此有必要研究不同横向连接方式对拓宽装配式小箱梁混合受力性能的影响[3]。

1 装配式箱梁主梁横向连接构造

依托工程为430 m预应力连续箱梁。旧桥单侧拓宽，加宽7.5 m。新旧桥主梁横向连接方式有铰接、半刚接、弱刚接、强刚接4种方式，连接构造示意如图1所示。

2 有限元模型的建立

2.1 结构的几何参数

依托工程中新桥、旧桥的边，中梁跨中截面尺寸如表1所示，拓宽后桥梁横截面布置和主梁编号如图2所示。

图1 装配式小箱梁主梁横向连接构造（单位：cm）

表1 结构的几何参数 cm

图2 拓宽后箱梁主梁编号示意（单位：cm）

2.2 建立有限元模型

采用MIDAS CIVIL软件建立空间梁格模型，新旧桥结构之间按照铰接、弱刚接、强刚接3种横向连接方式分别建立相对应的模型。在梁格建模时，将主梁作为纵向单元，横桥向依据实际横向刚度采用虚拟横梁与主梁连接起来。虚拟横梁只有刚度（不计质量），从而实现对横向刚度的模拟。

铰接模型是在弱刚接模型的基础上，通过对应单元释放梁端约束来实现；强刚接模型是在弱刚接模型的基础上，在拼接部位建立相应的横隔梁。为了保证计算分析新旧主梁受力大小和变化趋势的准确性，应确定单元的划分数量合理，数值仿真模型见图3。

图3 数值仿真模型

2.3 计算工况的确定

以不同横向连接方式的拓宽桥为依据定义计算工况如表2所示。

表2 计算工况

2.4 控制截面的选取

由于有限元模型的建立采用4跨连续箱梁。选取前两跨的跨中、内支座截面作为控制截面，提取主梁控制截面的内力和挠度来对比分析。控制截面的选取及编号如图4所示。

图4 控制截面选取及编号示意

3 分析与评价

3.1 荷载横向分布系数

选取边跨跨中截面作为分析对象，拓宽前后主梁的横向分布系数对比如图5所示。

图5 拓宽前后主梁边跨跨中横向分布系数

由图5可知：采用不同横向连接方式拓宽改建后，旧桥各梁的横向分布系数均明显低于拓宽前旧桥各梁的横向分布系数，表明拓宽后加宽部分新桥承担了部分活载，减轻了旧桥主梁所承担的荷载，拓宽后结构的整体工作性能得到了改善，结构承载能力得到提高。

3.2 控制截面内力

通过荷载横向分布系数的研究，确定在活载作用下桥梁最不利状态为两车道偏载布置。

以边跨跨中截面为研究对象，比较评判不同拓宽方式对箱梁混合受力的影响。

表3 旧桥主梁控制截面弯矩表 kN·m

由表3可知：旧桥边梁（①号梁）的各控制截面弯矩值拓宽后比拓宽前有所降低。3种不同横向连接方式对原桥主梁的受力有一定改善，且改善程度按铰接、弱刚接、强刚接拓宽方式依次增强，但增加的程度稍小。铰接拓宽方式及弱刚接拓宽方式影响程度相同，边跨跨中的正弯矩值降低了5.9%；而强刚接拓宽方式下，边跨跨中的正弯矩值降低了6.3%。不同连接方式对旧桥主梁弯矩改善程度如图6所示。

图6 旧桥拓宽后主梁弯矩降低程度

由图6可知：旧桥拓宽后主梁弯矩降低程度从边梁到中梁逐渐增大。相比其他两种拓宽方式，强刚接拓宽方式对中梁的改善程度较大。

以边跨跨中截面为研究对象，比较评判不同拓宽方式对箱梁混合受力的影响。

表4 旧桥主梁控制截面挠度表 mm

由表4可知：旧桥边梁（①号梁）的各控制截面挠度值在拓宽后比拓宽前有较小程度降低。3种不同横向连接方式对原桥边梁的挠度有一定改善，且改善程度按铰接、弱刚接、强刚接拓宽方式依次增强，但增加的程度较小。铰接拓宽方式及弱刚接拓宽方式影响程度相同，边跨跨中的下挠度值减小了9.2%；而强刚接拓宽方式下，边跨跨中的下挠度值减小了9.7%。不同连接方式对旧桥主梁挠度改善程度如图7所示。

由图7可知：旧桥拓宽后主梁挠度降低程度从边梁到中梁逐渐增大。相比其他两种拓宽方式，强刚接拓宽方式对中梁的改善程度较大。