空心板桥拓宽后新旧板耦合受力

赵宝俊+谢路+朱郭瑞+孟江

摘要：为了研究拼接拓宽空心板桥梁荷载横向传递及内力变形规律，建立有限元模型，对桥梁新旧板刚接和铰接连接形式下耦合受力情况进行分析，研究不同连接形式对新旧板整体受力的影响。结果表明：采用不同连接形式拓宽后，旧桥各板的横向分布系数均低于原板，即拓宽后旧空心板仍起控制作用，但其整体受力性能得到提高；拓宽后侧边板内力和挠度比中板大，且新板内力和挠度比旧板小；空心板桥梁采用刚接形式拓宽时，结构整体刚度的提升高于铰接形式的；随着耦合刚度增大，桥梁整体刚度增大，弯矩和挠度降低逐渐明显，跨中顶缘压应力减小，底缘拉应力增大；从结构整体受力和结构性能角度来看，刚接形式的新旧板顶缘压应力比铰接形式的小，且完全刚接的连接方式受力更合理。

关键词：桥梁工程；空心板桥；拓宽；耦合受力；连接形式

中图分类号：U443.3文献标志码：A

Analysis on Coupling Force of New and Old Beams After Widening

Hollow Slab BridgeZHAO Baojun1，2， XIE Lu2， ZHU Guorui2， MENG Jiang1

（1. Post Doctoral Research Station of Transportation Engineering， Changan University， Xian 710064， Shaanxi，

China； 2. Shaanxi Provincial Communication Construction Group， Xian 710075， Shaanxi， China）Abstract： In order to study the effect of lateral load transfer and deformation rules of widening hollow slab bridge， the finite element model was established to analyze the new and old connection coupling force in different ways （hinged or rigid）， and the influences of different connections on the force of the new and old boards were studied. The results show that after using different connection form to widen， old bridge transverse distribution coefficient of each plate is lower than that of the original plate， it is showed that old plate still plays a controlling role after widening， but the overall mechanical performance is improved. The force and deflection of side plate is larger than that of the internal plate， and the force and deflection of new internal plate is smaller than that of the old one after widening. When hollow slab bridge is widened using rigid connection， the rise of the overall rigidity of the bridge is larger than that using hinged connection. With the increase of coupling stiffness， the overall rigidity of the bridge increases， bending moment and deflection decrease clearly， the top edge compressive stress decreases， and bottom flange tensile stress increases. In the view of structure stress and the overall structure properties， the compressive stress of the top edge is smaller than that using rigid connection， and fully rigid connection form of stress is more reasonable.

Key words： bridge engineering； hollow slab bridge； widening； coupling force； connection form

0引言

加宽后桥梁横向主梁数量增多，改变了原桥横向荷载传递规律，新旧主梁刚接和铰接的不同连接方式对荷载的横向分布有较大的影响，使单梁内力发生较大变化[12]。本文以不同拼接构造的简支空心板桥为例，对荷载横向传递规律及内力变形定量分析[3]，研究不同连接方式对新旧简支空心板梁整体受力的影响。新旧板连接后会在连接处产生相同的变形，因此，荷载作用后可以看作新旧板为耦合受力[45]。

1空心板梁桥拼接构造

依托工程为13 m预应力混凝土空心板桥，交角为90°，现旧桥加宽，在原桥外侧加宽8.25 m。新旧桥梁连接有铰接和刚接2种方式[67]。

1.1铰接

新旧桥连接时将旧桥边梁悬臂部分的混凝土凿除一部分，露出钢筋或者在悬臂边缘植筋，新桥边板在预制时板内预埋钢筋。连接时将新旧桥边板悬臂的钢筋进行焊接，然后浇注混凝土，使新旧桥形成整体[图1（a）][8]。

1.2刚接

刚接连接采取的措施是在纵向接缝处每隔2 m设置一道宽40 cm的横隔梁。在横梁处旧桥边板植筋，新桥边板预埋钢筋。新桥梁板架设后放置3个月，待收缩徐变和基础不均匀沉降初值消除后焊接钢筋，浇注混凝土形成横梁[图1（b）][9]。

图1空心板拓宽构造（单位：cm）

Fig.1Structure of Widening Hollow Slab （Unit：cm）2荷载横向传递规律分析

采用铰接板法计算分析不同连接形式下结构整体的荷载横向传递规律，计算得每片梁的横向分布系数，直观反映出单片梁承受荷载大小[1011]。在结构抵抗能力一定的情况下，单片梁的横向分布系数越小，则该结构的通行能力越高[1213]。在上部结构相连接的桥梁拓宽中，旧桥主梁所承担的力被新建桥梁分担一部分，因此，其横向分布系数会相应降低[1415]。

对旧桥铰接拓宽、刚接拓宽模型分别进行计算，得旧桥主梁的横向影响线，根据影响线得到荷载的最不利布置情况下旧桥主梁的横向分布系数，如图2所示。

图2不同拓宽方式下旧桥横向分布系数比较

Fig.2Comparison of Transverse Distribution

Coefficients of Old Bridge Under Different

Widening Modes由图2可知：采用不同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中各梁的横向分布系数，表明拓宽后新桥承担了部分活荷载，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；拓宽后，不论采用刚接还是铰接，旧桥靠近加宽侧横向分布系数减小均较多，表明旧桥靠近加宽侧的梁板比拓宽前更多地承担了荷载，梁板的承载能力得以充分发挥；拓宽后旧桥各梁的横向分布系数大于新桥的横向分布系数，说明拓宽后起控制作用的仍然是旧桥部分的梁。3新旧梁耦合受力计算分析

3.1有限元数值模拟

采用有限元程序ANSYS对新旧桥梁进行建模，并模拟两者间不同的连接方式。在建模过程中采用约束方程和耦合连接形式来建立自由度和节点的关系，完成节点自由度耦合，达到准确模拟新旧板梁之间的不同连接形式[16]。本文中采用共节点的耦合方法，由于连接段尺寸较小，将其视为一个整体与新旧桥相耦合，通过改变连接段的刚度来实现不同耦合受力刚度的计算分析[1718]。

3.2有限元模型的建立

3.2.1拓宽结构的几何特征

依托工程旧桥中梁和边梁截面尺寸、旧桥典型横截面、拓宽后桥梁整体横截面布置见图3。

图3拓宽结构的几何特征（单位：cm）

Fig.3Geometrical Features of Widening

Structure （Unit：cm）3.2.2材料特性

材料特性如表1所示。

表1材料特性

Tab.1Characteristic of MaterialsMPa位置旧桥接缝处新梁混凝土标号C45C50C45设计强度轴心抗压19.723.120.5轴心抗拉1.711.891.74标准强度轴心抗压28.532.429.6轴心抗拉2.472.642.51弹性模量33 10034 50033 5003.2.3建立有限元模型

采用Solid65单元分别对旧桥、铰接加宽桥梁、刚接加宽桥梁建立有限元模型（图4）。旧桥模型节点数为31 443，单元数为23 736；铰接加宽模型节点数为52 781，单元数为39 790；刚接加宽模型节点数为53 074，单元数为40 048。

图4铰接和刚接加宽模型下表面

Fig.4Lower Surface of Hinged and

Rigid Broadening Models3.3计算工况选取

按照不同连接方式选取计算工况。为明确铰接连接和刚接连接更细致的区别，增加从铰接到刚接的过渡分析，将连接段混凝土刚接部分采用不同的耦合刚度进行计算[19]。连接部耦合刚度的拟合单独建模型进行计算[20]。为得到更为普遍的新旧板梁耦合受力整体变化规律，按照标准图集中13 m简支空心板梁桥计算分析，结构形式与示例相同。考虑到预应力筋具有离散性，而本文研究重点针对整体结构的性能，故计算荷载只考虑恒活载（含二期铺装）[2122]。计算工况见表2。

3.413 m简支空心板梁桥计算分析

3.4.1变形对比分析

不同连接形式的空心板梁位移云图见图5。计算表明，不论新旧桥以何种形式连接，横桥向和竖向的变形趋势基本一致。简支板纵桥向顶缘受压，在混凝土泊松比的影响下顶缘混凝土在横桥向向两侧延伸，且两边梁横桥向位移最大。铰接连接时，左边

表2计算工况

Tab.2Calculation Cases工况编号新旧板梁连接情况耦合刚度1旧桥，11片板梁2铰接连接3刚接连接0.25EI4刚接连接0.50EI5刚接连接0.75EI6刚接连接EI注：EI为完全刚接时的刚度。

图5工况1～6下板梁位移云图（单位：m）

Fig.5Displacement Nephogram of Beam

Under Conditions 16 （Unit：m）板的横桥向最大位移由原来旧桥工况下的0.11 mm变为0.14 mm，而当以不同的耦合刚度刚接时，左边板的横桥向最大位移由0.25EI刚接后的0.13 mm变为以EI刚接（完全刚接）后的0.12 mm，随着耦合刚度增大，横桥向位移变小。竖向位移都是跨中截面处最大，且两边板较中板更大。当以铰接方式连接时，连接段混凝土跨中也会产生较大的竖向位移。采用刚接后，连接段混凝土跨中竖向位移明显减小，且随着耦合刚度的增大而减小，而向两侧延伸影响越小。两边板竖向位移基本不随耦合刚度变化。相比旧桥而言，由于纵向跨度不变，不论采用何种方式连接，空心板梁的竖向位移最大值也基本保持不变。表明新旧桥连接形式对连接段混凝土及邻近板梁有明显影响，而对两边板附近板梁影响较小。

3.4.2应力对比分析

不同连接形式空心板梁的应力云图见图6。计算表明，不论新旧桥以哪种形式连接，横桥向和纵桥向的应力分布特点基本一致，在拼接处应力突变最大，板梁横桥向中心受压，且跨中截面顶缘压应力最大。随着新旧板梁连接刚度增大，横桥向压应力的范围也逐渐增大；以铰接形式连接时，连接段混凝土顶缘的压应力最大，达到2.3 MPa；以刚接形式连接时，连接段混凝土顶缘的压应力减小，与板梁过渡均匀，且随着耦合刚度的变化，顶缘压应力的范围仍基本保持不变，最大压应力不超过1 MPa；从纵桥向应力云图来看，板梁的应力变化较小，均是跨中压应力最大，向两端递减。

图6工况1～6板梁应力云图（单位：Pa）

Fig.6Stress Nephogram of Beam Under

Conditions 16 （Unit：Pa）不同连接形式连接段混凝土的应力云图见图7。计算表明，不论新旧桥以哪种形式连接，横桥向和纵桥向的应力分布特点基本一致，均是跨中顶缘压应力和底缘拉应力最大。随着耦合刚度增大，跨中顶缘压应力减小，底缘拉应力增大，且刚接相比铰接而言，底缘压应力较小，同一竖向高度处的拉应力较大。

图7工况2～6连接段应力云图（单位：Pa）

Fig.7Stress Nephogram of Connection Section

Under Conditions 26 （Unit：Pa）3.4.3跨中截面内力和挠度对比分析

对有限元模型中跨中截面应力进行积分可得跨中截面内力，位移根据节点提取，对比分析跨中截面的纵桥向弯矩和底缘挠度。

不同连接形式下19片板梁的跨中截面纵桥向弯矩见图8。边板跨中截面的纵桥向弯矩比中板大，最内侧中板弯矩最小。在旧桥拓宽后，原先的右边板变为中板，弯矩也迅速减小，且离连接段越远，内力减小越少，左边6块板的弯矩基本不受桥梁拓宽的影响。新板梁侧的边板和中板的弯矩相比于旧板梁的边板和中板都小一些。新旧板梁之间不论是铰接，还是不同耦合刚度的刚接，除靠近连接段的两相邻板的弯矩发生明显变化外，其余板的跨中截面弯矩基本不变化。随着耦合刚度的增大，靠近连接段的两相邻板的弯矩减小得越多。完全刚接连接时，靠近连接段的两相邻板的弯矩比其他中板还小，且新板梁侧的更小。在新旧板梁连接后，新板梁的图8工况1～6跨中截面纵桥向弯矩

Fig.8Longitudinal Bending Moments of Cross

Section at Midspan Under Conditions 16 右侧板梁弯矩与旧桥的右侧边板弯矩基本相同。

不同连接形式下19片板梁的跨中截面底缘挠度见图9。左右边板跨中截面挠度比中板大，最内侧中板挠度最小。旧桥拓宽后，原先右边板变为中图9工况1～6跨中截面底缘挠度

Fig.9Bottom Edge Deflections of Cross Section at

Midspan Under Conditions 16板，挠度也迅速减小，且离连接段越远，挠度减小得越少，左边6块板的挠度基本不受桥梁拓宽的影响。新板梁侧的边板和中板的挠度相比于旧板梁的边板和中板都要小一些。刚接相对于铰接而言，使得连接段附近的板梁挠度减小得更多。随着耦合刚度的增大，连接段附近的板梁的挠度变得更小。完全刚接连接时，连接段附近的板梁挠度基本与邻近中板持平，变化不大。在新旧板梁连接后，新板梁的右侧板梁挠度比旧桥的右侧边板挠度小。

4结语

（1）采用不同连接形式拓宽后旧桥各梁的横向分布系数均明显低于拓宽前旧桥中各梁的横向分布系数，表明拓宽后结构承载能力得到提高。拓宽后各主梁的横向分布系数均小于拓宽前旧桥各主梁的横向分布系数，起控制作用的仍然是旧桥的梁。

（2）对于靠近拓宽侧的新桥左边板而言，其横桥向最大位移依工况排序为铰接、0.25EI刚接、0.5EI刚接、0.75EI刚接、EI刚接，表明拓宽后桥梁整体刚度随着耦合刚度的增大而增大。

（3）拓宽侧边板内力和挠度比中板大，且拓宽后新板的内力和挠度比旧板小。拓宽后旧桥板梁在恒活载作用下的内力及挠度均降低，尤其靠近拓宽部分的板梁挠度及内力降低较大。刚接比铰接影响更大，且随着耦合刚度的逐渐增大，弯矩和挠度减小得越多。

（4）新旧板梁横桥向跨中截面顶缘压应力最大，刚接比铰接顶缘的压应力小；对于连接段混凝土，跨中顶缘压应力和底缘拉应力最大，随着耦合刚度的增大，跨中顶缘压应力减小，底缘拉应力增大。

（5）从结构整体受力和结构性能方面来看，完全刚接的连接形式更为合理。参考文献：

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