空心板桥拓宽改造对旧桥受力性能的影响分析

作者简介：

何桂天（1986—），工程师，主要从事道路工程施工和管理工作。

为研究空心板桥拓宽改造对原结构（旧桥）受力性能的影响，文章以某改扩建高速公路空心板桥拓宽改造设计为背景，从拓宽改造的接缝方式、接缝宽度、拓宽主梁片数三个方面分别分析其对旧桥受力性能的影响大小。研究结果表明：拓宽后的旧桥受力性能得到了很好的改善;拓宽接缝方式对旧桥受力性能影响不大;接缝宽度对旧桥受力性能的影响接近线性，影响程度较轻;拓宽主梁片数越多对旧桥受力性能的改善作用越大，当拓宽片数达到一定数量时，影响也随即趋于稳定。

改扩建工程;空心板;拓宽改造;拼接;荷载横向分布系数

U445.6A291004

0 引言

近些年，随着国家经济的快速发展，尤其是新时代“一带一路”全球战略的提出，国内交通运输事业也得到了快速健康发展。然而，随着交通量的与日俱增，日益繁忙的既有高速公路已无法负荷现有的交通出行，迫切需要对早期建设的高速公路进行改扩建设计，将原有高速公路拓宽至六车道或八车道。因此，对原有桥梁的拓宽改造设计也随着公路拓宽设计而进行，空心板桥的拓宽改造设计即是其中一类，且占比较大。

由于受力合理、施工方便、造价经济等优点，预应力混凝土空心板桥在我国早期高速公路桥梁建设中得到了非常广泛的应用，若在高速公路改扩建工程中对其进行拆除重建，不仅工期长、费用高，且需要中断交通，拆除的废料也会造成一定的环境影响，势必造成较大的社会经济损失。因此，对预应力混凝土空心板桥进行拓宽改造设计，使其在新的改扩建高速公路中继续发挥作用，符合新时代对改扩建高速公路建设的要求，也是所有建设者的共同呼声。国内学者对此作了不少研究工作[1-4]。

本文以某改扩建高速公路为背景工程，以其中一座空心板桥拓宽改造设计为例，从拓宽改造的接缝方式、接缝宽度、拼接主梁片数三个主要方面分析其对旧空心板桥受力性能的影响大小，为以后此类桥梁的拓宽改造设计提供参考与借鉴。

1 背景工程简介

背景工程为某在建的改扩建高速公路，于20世纪90年代建成通车，为双向四车道。随着交通量的与日俱增，原有高速公路早已超负荷运营，影响了人们的出行与当地经济的发展，经研究决定，将高速公路拓宽至八车道。

某现役空心板桥为其中一座旧桥（匝道桥），桥梁全长布置为5×20 m;上部结构采用预应力混凝土（后张）空心板，先简支后连续;下部结构采用双柱式墩、桩柱式桥台，钻孔灌注桩基础。旧桥中板宽1.5 m，边板宽2.125 m，高均为0.8 m，其标准横断面如图1所示。

根据设计要求，拓宽改造方案断面如图2所示，拓宽新桥中板宽1.25 m，边板宽1.625 m，高均为0.9 m。为便于下文分析，对图中空心板由左至右依次编号为1～14号。8号（最后一片旧板）、9号（第一片新板）为接缝连接板，接缝宽0.7 m，采用刚性连接。

2 拓宽对旧桥受力性能的影响分析方法

对于空心板桥的设计计算，常用计算方法为荷载横向分布系数法[5-6]（通常跨中截面采用刚（铰）接板梁法计算，支点截面采用杠杆法计算）。它是将一个多主梁问题转换为单主梁问题，也是将一个空间问题转化为平面问题的有效方法，其意义在于通过荷载横向分布系数大小反映出单梁受荷大小，横向分布系数变化规律，反映了整桥横向受力分布规律。工程实践证明这一计算方法科学合理，所得计算结果符合规范设计要求。因此，本文研究空心板桥拓宽改造对拓宽后旧桥受力性能的影响大小，可通过分析其拓宽后旧桥荷载横向分布系数的变化来实现，即通过分析旧桥荷载横向分布系数变化幅度可知拓宽改造对旧桥受力性能的影响程度，分析旧桥荷载横向分布系数变化规律可知拓宽改造对旧桥受力性能的影响规律。

因此，基于这一分析方法，下文将从旧桥拓宽改造的接缝方式、接缝宽度、拓宽片数三个方面分别分析拓宽后旧桥荷载横向分布系数的变化情况，通过这一变化分析其拓宽改造对旧桥受力性能的影响。

3 拓宽接缝形式对旧桥受力性能的影响分析

接缝设计是现役空心板桥拓宽设计的重要环节，连接方式一般有铰接与刚接两种形式[7-9]，下文采用桥梁专业有限元计算软件桥梁博士4.2分别对拓宽前旧桥、铰接拓宽后旧桥、刚接拓宽后旧桥荷载横向分布系数进行计算。其计算结果如表1所示。

由表1分析可知，支点截面荷载横向分布系数拓宽前后几乎无变化，符合杠杆法计算荷载横向分布系数的理论，且手算结果与程序计算结果一致，侧向证明采用桥博4.2计算空心板荷载横向分布系数是正确的。

进一步分析发现，跨中截面荷载横向分布系数拓宽后明显降低，且越靠近接缝处，其荷载横向分布系数降低得越明显。由此可见，空心板桥拓宽改造后，拓宽后的旧桥梁板受力性能得到了很好的改善，理论上证明了通过对旧空心板桥实施拓宽改造来改善旧桥梁板受力性能的思路是正确可行的。

此外，对比接缝连接的铰接与刚接两种形式可以发现，其荷载横向分布系数几乎一致，可见两种连接方式对旧桥受力性能的改善作用相當。但铰接连接一般存在连接不够牢靠，后期易发生病害等问题，实际工程中建议尽量采用刚接连接方式。

4 拓宽接缝宽度对旧桥受力性能的影响分析

空心板桥拓宽接缝宽度一般在30～80 cm之间，

为进一步研究拓宽接缝宽度对旧桥受力性能影响，下文在背景工程的基础上，分别选取缝宽0.3 m、0.5 m、0.7 m、0.9 m四种接缝宽度，对其支点及跨中截面荷载横向分布系数进行计算。计算结果如下页表2所示。

由表2分析可知，接缝处8号梁支点截面荷载横向分布系数随接缝宽度增大而增大;远离接缝的1号及2号梁跨中荷载横向分布系数随接缝宽度增大而增大;3号梁跨中荷载横向分布系数几乎不变化;4～8号梁跨中荷载横向分布系数随接缝宽度增大而减小。整体来看，荷载横向分布系数接近线性变化，但变化幅度相对较小。由此可见，拓宽接缝宽度对旧桥受力性能影响接近线性，但影响幅度相对较小。

5 拓宽主梁片数对旧桥受力性能的影响分析

为进一步探讨拓宽主梁片数对旧桥受力性能的影响大小，下文在背景工程的基础上，分别选取拓宽0片（原旧桥）、拓宽3片（拓宽1个车道）、拓宽6片（拓宽2个车道）、拓宽9片（拓宽3个车道）、拓宽12片空心板（拓宽4个车道）5个工况，分析其荷载横向分布系数变化情况。荷载横向分布系数计算结果如表3所示。

由表3分析可知，支点截面荷载横向分布系数不随拓宽空心板片数增加而增加，跨中截面荷载横向分布系数随宽空心板片数增加而减少，减少速率越來越慢，当拓宽梁片数达到一定数量时，荷载横向分布系数保持稳定不再变化。如当拓宽至6片梁时，1～3号梁跨中荷载横向系数基本保持稳定，当拓宽至9片梁时，1～7号梁跨中荷载横向系数基本保持稳定。由此可见，拓宽空心板片数越多对旧桥受力性能改善作用越大，但影响程度越来越弱，当拓宽片数达到一定数量时，影响也随即趋于稳定。

6 结语

本文以某改扩建高速公路空心板桥拓宽改造设计为背景工程，从旧桥拓宽改造的接缝方式、接缝宽度、拓宽主梁片数三个主要方面分别分析其荷载横向分布系数变化情况，并通过这一变化进而研究旧桥受力性能受以上三个方面的影响大小。研究结果表明，旧桥受力性能可通过拓宽新空心板得到很好的改善;接缝方式对旧桥受力性能影响不大，但刚接连接后期病害相对较少;旧桥受力性能受接缝宽度影响接近线性，但整体影响幅度相对不大;拓宽主梁片数越多，对旧桥受力性能改善作用越大，但影响程度越来越小，当主梁拓宽片数达到一定数量后，旧桥受力性能影响也随即趋于稳定。

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