高速公路扩宽桥梁设计研究

阿布来提.卡德尔 吾买尔江.阿不都热西提

1. 新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计院 新疆 乌鲁木齐 830000

2. 新疆交通职业技术学校 新疆 乌鲁木齐 831401

引言

随着汽车持有量的不断上升，目前服役的高速公路已不满足运营需求，交通堵塞，汽车运行困难等情况常有发生，已难以适应可持续发展的要求。而通过建设新线的方法在当前国内土地供应较为紧张的情况下已不太现实，因此，只能充分利用现有高速公路，采取加宽线路等方法满足现今的交通需求。

1 工程概况

根据项目特点和工程地质条件，为避免新旧桥梁产生较大沉降差，目前，桥梁加宽新旧桥梁之间常采用“上连下不连”的拼宽方式，新建部分桥梁下部宜采用桩基础，因此该桥梁选取了连接上部结构，分离下部构造的拼接方案，桥梁墩台扩宽尺寸与旧桥墩台尺寸一致，项目新旧桥梁加宽方案如图1所示。

图1 加宽示意图

2 新建桥梁截面形式的影响

本文选取的研究对象为某高速公路中的空心板桥以及T梁桥。空心板梁桥为简支梁桥，在原有基础上扩宽13#-15#主梁，并通过铰缝进行连接，具体如图2所示。T梁为一简支T梁桥，在原有基础上扩宽6#-7#主 梁，并通过横隔梁进行连接，具体如下图3所示。

图2 空心板梁桥扩宽后横断面示意图（cm）

图3 T梁桥扩宽后横断面示意图（cm）

3 加宽前后的横向分布系数

3.1.1 空心板梁桥

该种梁桥的混凝土等级为C50，原桥梁的抗弯惯性矩以I表示，扩宽梁的抗弯惯性矩以0.8I-2I表示，间隔0.2I，其中I为0.046m ⁴。荷载的横向传递规律通过铰接板法进行分析，可得出各梁的荷载分配方式，直观反映出梁体所受荷载跟不同抗弯惯性矩的关系。在12#梁轴线位置施加单位荷载，分析不同扩宽刚度的主梁荷载分布情况。

在扩宽桥梁后，各主梁的横向分布系数均呈现下降的趋势，既桥梁扩宽部分替旧桥分担了部分荷载而使旧桥所承受荷载降低，这满足实际情况。对比横向分布系数可知在不同的刚度比下，桥梁处变化较为平缓，表明桥梁在扩宽后的结构具有较好的整体性。

3.1.2 T梁桥

T梁桥的抗弯惯性矩为0.0782m⁴。扩宽桥梁采用的抗弯惯性矩为0.5-1.5I，对其荷载横向传递规律采取偏心压力法进行分析，在5#梁轴线处施加单位荷载，结果如图4所示。

图4 扩宽前后各梁的荷载横向分布系数

从图4可看出，与扩宽前相比，扩宽后的桥梁横向分布系数出现下降的趋势，既桥梁扩宽部分替旧桥分担了部分荷载而使旧桥所承受荷载降低，与实际状况相符。对比上图的横向分布系数在不同刚度比之下的情况可知，在0.7刚度比的情况下，曲线的平缓处在5#-6#的位置，表明扩宽后桥梁结构具有较好的整体性。和空心板相比具有较大差异，因此可知，刚度比对桥梁荷载分布情况的影响与桥梁截面形式有关。

3.2 新旧铰缝的剪力和剪应力

3.2.1 空心板梁桥

新旧梁体的铰缝剪应力与其长度分布呈现连续变化，选取最不利截面，既跨中位置进行分析。采用ANSYS有限元软件建模分析，所得结果如下表1所示。

表1 新旧梁铰缝剪应力

从表1中可知，随着刚度比的变化，铰缝处的剪应力也相应的发生变化，在1.0的刚度比时，铰缝存在最小的剪应力，而当刚度比在1.0以下或以上时，剪应力均表现出上升的趋势。因此，可得结果：在相同的刚度之下，扩宽后的空心板梁具有较好的整体性，新旧桥梁具有较一致的变形，且具有最小的剪应力和变形差值，此时的铰缝具有较为合理的受力。当刚度比较大或者较小时均会在铰缝处产生较大的剪力，使铰缝处的安全性降低。

3.2.2 T梁桥

同空心板，T梁桥选取最不利截面，既跨中截面作为研究对象，并通过ANSYS有限元软件进行建模分析，所得的铰缝的应变和挠度如表2所示。

表2 新旧梁铰缝剪应力

从表2可知，T梁桥和空心板梁具有一致的结论，综合分析可知，对于高速公路桥梁的扩宽，当上部结构采取相对应的截面形式时，新旧梁在受到荷载时的变形具有较好的协调性以及整体性，有助于延长扩宽桥梁的使用寿命以及舒适度。

4 扩宽后桥梁静载试验

4.1 试验方案

（1）控制截面：选取跨中正弯矩位置处作为控制截面。

（2）加载车：加载车的数量按照等效弯矩原则进行确定，最终方案为350kn的大型车辆共四辆。

（3）试验加载布置：

工况一采取四辆车对称加载的方式，给以控制截面最大正弯矩，试验分为2级加载以及1级卸载。加载分级为I-0对应的加载车为0；I-1对应的加载车为C3+C4；I-2对应的加载车为C1+C2+C3+C4；I-3对应的加载车辆为0。

工况二采取四辆车偏心加载的方式，给以控制截面最大正弯矩。工况二加载分级同工况一。

4.2 试验结果

按照分级加载的方式将工况一进行分类，以获取测试截面在不同分级情况下的实测与理论应变值，结果如图5、图6所示。由于篇幅限制，本文仅列出部分数据。

图5 测点应变值

从试验数据可知，工况一和工况二各个测点的 应变均为实际小于理论值，因此满足要求。

图6 测点挠度值

由图6可知，工况一和工况二测点的挠度值均符合实测小于理论值的要求，表明桥梁刚度符合要求。

5 结论

本文通过对桥梁横向分布系数的计算发现，不管是空心板梁桥还是T梁桥，各个主梁相较于扩宽前的横向分布系数均呈现下降的趋势，表明桥梁的扩宽部门代替原有桥梁承受了部分荷载，降低了原有桥梁承受的荷载。当保持一致的荷载加载情况时，梁若具有较大的刚度，其所能承受的荷载也较大。

通过对比空心板和T梁板的横向分布系数，建议控制新旧桥梁的新旧比处于0.7-1.2区间内，此时桥梁在扩宽后具有较好的整体性。

通过分析新旧桥梁铰缝处的剪应力得出结论：当新旧梁体的抗弯刚度较为接近时，铰缝处的剪应力和变形差值较小，此时的桥梁具有较好的整体性。

通过试验，对桥梁扩宽后的力学性能进行分析，结果表明扩宽后的桥梁性能符合要求。