桥梁拓宽加固结构合理刚度设计研究

刘小燕，陈　威，曹宇辞

(长沙理工大学土木与建筑学院，湖南 长沙 410114)



桥梁拓宽加固结构合理刚度设计研究

刘小燕，陈威，曹宇辞

(长沙理工大学土木与建筑学院，湖南 长沙 410114)

摘要：采用纵横梁拓宽加固技术对桥梁进行拓宽加固时，纵横梁刚度的大小决定着拓宽加固后新旧结构的受力分配问题，拓宽加固结构刚度的设计是旧桥拓宽加固中的一个重要部分.以某空心板桥为例，综合比较了纵梁和横梁刚度变化对旧桥的影响，研究了纵横梁刚度与旧桥受力之间的关系，确定了具体的纵横梁刚度.

关键词：拓宽加固；纵横梁；合理刚度；加固设计

纵横梁拓宽加固技术是在原有旧桥两侧各增设一片纵梁，在纵梁之间用横梁连接，一方面加强了整体刚度，另一方面横梁直接将旧桥“托起”，以此来实现旧桥的加宽和提级加固[1].而拓宽加固结构刚度的设计是纵横梁拓宽加固技术中的一个关键问题，拓宽加固结构刚度的大小，将直接关系到新旧结构受力的分配问题.目前国内外针对纵横梁刚度加固设计的研究还少见报道.本文以某空心板桥的拓宽加固结构为例，通过理论分析与有限元计算，对拓宽加固结构的合理刚度进行研究，为同类工程提供参考.

1拓宽加固结构设计基本原则

基于桥梁拓宽加固工程实际，采用纵横梁拓宽加固技术对桥梁进行拓宽加固时主要遵循以下基本原则[2-4]：

(1)安全性原则

一方面结构在拓宽加固后新旧结构满足荷载提级的要求，有足够的承载力；另一方面在荷载提级后尽量不增加原有结构的效应，或者能适当降低原有结构的效应.

(2)结构的受力和变形协调原则

结构在拓宽加固后，新增结构和旧桥在荷载作用下受力和变形应保持协调.

(3)方便施工的原则

新增结构应便于制造和架设，在施工时尽可能不影响交通，并且要便于下部结构基础的施工.

(4)经济性原则

桥梁拓宽加固应使结构受力合理，施工简便，占地少，尽可能减少加固费用.

(5)美观性原则

合理的结构布局和轮廓造型是桥梁美观的重要表现，新增结构应与原结构在外观上有好的协调性，且能融入周围环境.

在桥梁拓宽、提级加固改造中，首先必须满足安全性原则，加固结构的受力要合理，变形应协调，为此需对加固结构的刚度进行设计.

2拓宽加固结构合理刚度设计

拓宽加固结构的刚度是指用来拓宽桥梁的纵横梁刚度.纵横梁合理刚度的定义是：采用纵横梁拓宽加固后，在荷载提级的条件下，保证旧桥主梁在提高的荷载作用下，不会增加负荷或者能适当降低负荷，则此时的纵横梁刚度就是合理的刚度.在进行拓宽加固设计时，纵横梁刚度应该按照合理刚度设计.

为研究纵横梁的合理刚度，需对拓宽加固混凝土桥梁的受力特点进行计算分析.以某13m预应力混凝土空心板桥为例，用纵横梁拓宽加固法对其进行提级加宽加固设计.首先分析拓宽加固后结构的受力特性和受力规律，结构拓宽加固后的受力体系如图1所示，新增纵横梁体系受力简图如图2所示.经纵横梁拓宽加固后桥梁的受力不能再简单地视为简支体系，新加纵横梁如同一个四角点有支承的“H”形构件，将旧桥“托起”，旧桥原本为简支的主梁在跨中受到横梁的支承，旧桥中部分荷载通过横梁传递给新增纵梁.要确定纵横梁的合理刚度，必须求出每片主梁传递给横梁的力，但每片主梁传递给横梁的力值又和采用的纵横梁刚度有关.由于荷载是变化的，加固体系的受力不能按照简支梁桥结构计算，需借助有限元方法进行计算.本文建立了拓宽加固桥梁的有限元模型，拟定几组纵横梁截面进行计算，研究纵横梁刚度与旧桥受力之间的关系，根据计算结果最终确定其刚度.

图1　拓宽加固后受力体系

图2　拓宽加固后受力简图

2.1有限元建模

取用预制长度为12.60m，高0.7m，宽0.99m的空心板，全桥共由8片空心板组成.采用midas/civil建立旧桥的空间梁单元模型如图3，分别计算旧桥在公路Ⅱ级和公路Ⅰ级荷载作用下的效应值，计算结果见表1(仅列出跨中最大弯矩与支点剪力).经计算，提级后旧桥抗弯不能满足要求，需进行加固，同时因为旧桥太窄，所以采用纵横梁拓宽加固技术对旧桥进行拓宽加固，依据规范及已有设计经验[5-7]，先初步拟定新加纵横梁截面尺寸构造如图4所示.用空间梁单元建立拓宽加固后的有限元模型如图5所示[8]，全桥共分为403个单元，317个节点，支座按实际位置模拟，桥面横向联系采用铰接模拟，纵梁与横梁的连接采用固结模拟，空心板与横梁间的接触受力只考虑受压作用，加固后结构的受力计算通过定义不同阶段的方法实现，对单元进行“激活”与“钝化”，“激活”旧桥作为第一阶段，在第二阶段“激活”纵横梁.将图5中最左侧纵梁编号为纵1#，最右侧纵梁编号为纵2#，空心板自左向右编号为1～8#.

图3　旧桥有限元模型

荷载等级γoMd/kN.mMu/kN.mγoVd/kNVu/kNf/mm公路II级779.3871.4299.4669.816.5公路Ⅰ级958.9871.4389.5669.818.6

图4新增纵梁(1)横梁(2)截面(单位：mm)

图5　拓宽加固后全桥有限元模型

2.2有限元计算

为了确定纵横梁刚度变化对结构受力的影响，计算了不同的纵横梁截面形式下全桥受力，综合比较计算结果来确定纵横梁刚度.设计计算时以初始拟定的截面尺寸为基础，通过改变纵梁高度和横梁尺寸拟定5组纵梁和5组横梁截面，分别对全桥的效应进行计算.采用的纵梁和横梁尺寸见表2和表3.

表2　纵梁截面高度及刚度

表3　横梁截面尺寸及刚度

对各种荷载工况下旧桥效应进行比较分析，可知旧桥最不利工况(中载)下，4#和5#梁跨中弯矩、支点剪力、跨中挠度最大，限于篇幅，此处仅列出不同纵横梁组合下最大效应的情况.

由表4-表6可知，在各种纵横梁刚度组合下，旧桥最大剪力均满足合理刚度设计要求，故拓宽时主要考虑弯矩效应和挠度.由表4和表6得出纵横梁刚度变化对主梁最大弯矩的影响如图6-图8所示：

表4　不同纵横梁组合下4#/5#弯矩

表5　不同纵横梁组合下4#/5#主梁最大剪力

表6　不同纵横梁组合下4#/5#主梁最大挠度

图6纵梁变化时4#/5#主梁最大弯矩值

图7　横梁变化时4#/5#主梁最大弯矩值

图8　纵横梁变化时4#/5#主梁最大弯矩值

由表4-表6和图6-图8反应出：当横梁刚度不变时，随着纵梁刚度的增大，旧桥的效应值逐渐减小；当纵梁刚度不变时，随着横梁刚度的增大旧桥效应也逐渐减小.当纵横梁刚度增加到一定值时，旧桥效应将小于旧桥在公路II级荷载作用下的效应值，此时，就是纵横梁的合理刚度状态.

2.3拓宽加固结构刚度的确定

基于拓宽加固设计中合理刚度的定义及以上计算结果，在所有计算截面中，当纵梁高度增加到1.2m，横梁尺寸采用H×B=60cm×30cm时，旧桥效应将小于加固前公路II级荷载作用下的效应值，此时如果再增加纵横梁刚度，旧桥效应虽然会减少，但减少得并不多，所以拓宽加固结构最终选用1.2m高的T梁，60cm×30cm的横梁.

3拓宽加固结构设计计算与验算

在确定了纵横梁的截面尺寸后，需对拓宽加固后的全桥结构进行效应计算，并验算拓宽加固后桥梁的承载力和变形协调情况，以完成对整个拓宽加固方案的设计.

以前文所述空心板桥为例，建立实际拓宽加固模型如图9.车道荷载布置位置按最不利效应加载.

图9　拓宽加固后有限元离散效果图

3.1荷载效应的计算

最不利荷载组合采用承载力极限状态组合，汽车荷载等级按公路Ⅰ级取用.进行全桥的设计荷载效应计算，有限元计算得到全桥最不利工况下各主梁最大效应见表7和表8.

表7　梁(板)截面最大效应值

表8　横梁效应值

3.2旧桥主梁弯矩及剪力验算

表9　旧桥各关键截面最大效应与抗力

注：表中加固前结果为公路II级荷载作用下的结果，加固后结果为提级为公路Ⅰ级荷载后的结果.

为了确定拓宽提级加固结构是否满足设计要求，需要验算旧桥主梁在荷载提级情况下的受力情况.按照拓宽加固结构合理刚度的定义，经拓宽加固后不应增加旧桥部分的效应.但同时应尽量大地发挥旧桥本身的抗力作用，避免过度加固，造成资源的浪费.拓宽加固前后，有限元计算旧桥部分各关键截面处最大效应值，计算结果见表9.

验算结果表明：拓宽加固后，旧桥弯矩、剪力和挠度均小于其在拓宽加固前公路II级荷载作用下的效应值，并且变化不大，保证结构的受力协调，能满足拓宽加固设计的要求.

3.3拓宽加固后全桥挠曲变形分析

在拓宽提级加固后，需要保证全桥在荷载作用下变形的协调性，避免出现不协调变形而导致结构的破坏.拓宽提级加固后全桥在最不利荷载组合作用下的横桥向1/4截面.1/2截面所有纵向主梁竖向挠度见表10和图10.

表10　全桥主要截面纵向主梁挠度　(单位：mm)

图10拓宽加固前后全桥主要截面挠度

由表10中数据可知：最不利荷载组合作用下全桥纵梁挠度最大的为4#和5#梁，挠度值为16.3mm，小于《公路桥规》的L/600=21mm.由绘制出的主要截面变形图(图10)可以看出，拓宽加固后全桥横向变形较为协调良好，说明纵横梁加固刚度适宜.

4结论

本文对空心板桥拓宽加固结构的合理刚度设计进行研究.通过结构受力分析及有限元计算，综合比较了纵梁和横梁刚度变化对旧桥荷载效应的影响，研究了纵横梁刚度与旧桥受力之间的关系.通过比较各种情况下加固结构的弯矩、剪力、挠度结果，从而确定一个合理的纵横梁刚度.计算思路可供同类工程参考.

参考文献：

[1] 李黎明.混凝土桥梁拓宽加固利用研究[D]. 长沙:长沙理工大学硕士学位论文,2015.

[2] 姚玲森.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,1985.

[3] 范立础.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社,1996.

[4] 郭永深,叶见曙.桥梁技术改造[M].北京:人民交通出版社,2004.

[5] 中交公路规划设计院. JTG D60-2004 公路桥涵设计通用规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[6] 中交公路规划设计院. JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[7] 张建仁,刘小燕.结构设计原理[M].北京:人民交通出版社,2015.

[8] 王富万.基于ANSYS的梁格计算方法研究与应用[D].武汉:华中科技大学硕士学位论文,2006

(责任编校：晴川)

On Reasonable Rigidity Design of Structures for Bridge Broadening and Reinforcement

LIU Xiaoyan, CHEN Wei, CAO Yuci

(School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science and Technology,Changsha Hunan 410114, China)

Abstract：When bridges are broadened and reinforced with horizontal and vertical beams broadening and reinforcement technology, the rigidity level of horizontal and vertical beams decides the force distribution of new and old structures after the broadening and enforcement. Also the rigidity design of structures for bridge widening and reinforcement is an important part in the process of broadening and reinforcing an old bridge. Taking a voided slab bridge as an example, the study comprehensively compared the influence of the change of horizontal and vertical beams’ rigidities on the old bridge, researched the relationship between the rigidities of horizontal and vertical beams and the load condition of the old bridge, and confirmed the specific rigidities of horizontal and vertical beams.

Key Words：broaden and reinforce; horizontal and vertical beams; reasonable rigidity; reinforcement design

中图分类号:U445.7+2

文献标识码：A

文章编号：1008-4681(2016)02-0031-05

作者简介：刘小燕(1963— )，女，湖南桃江人，长沙理工大学土木与建筑学院教授，硕士.研究方向：桥梁结构分析与工程控制.

基金项目：长沙市科技计划项目“旧路改造工程中既有桥涵拓宽加固利用研究”(批准号：K1309003-11).

收稿日期：2016-02-21