不同横向刚度劣化类型下的拼宽桥受力影响

何启龙, 钱若霖, 贺书磊, 秦发祥

(长安大学 桥梁与隧道陕西省重点实验室, 陕西 西安 710064)

目前国外对拼宽桥梁的横向刚度研究主要集中在新材料和新拼接构造的改进[1]上.针对拼宽桥的横向刚度问题也有研究,但均是在设计上提高结构刚度.如Phung等[2]以Saigon桥的加宽为例,采用横向体外预应力系统提高了新增主梁与既有主梁的横向刚度.Fábry等[3]在Vah河上的某3跨钢筋混凝土梁桥的拼宽中,上部结构采用横向体外预应力系统将加宽用的钢箱梁和旧梁横向固定.Furlanetto等[4]通过对意大利国家公路系统内的加宽桥的设计总结,提出了基本的加宽标准,其中加宽部分与现有部分应采用刚性连接,以确保在抗力方面有很强的协作性.Swett等[5]对钢桥加宽中存在的问题进行了有限元分析和计算,提出了多种适合钢桥拼宽的横向设置范例作为参考.

新桥在建成后因材料和结构劣化不明显,其新梁部分的横向连接偏刚性;旧桥则由于服役时间长,承受重载交通的状况较多,材料劣化和裂缝[6]等因素,其主梁和横向刚度均存在耐久性和受力性能下降的问题,有偏刚性、半刚接和铰接3种情况[7-8].旧桥的横向刚度劣化类型偏向可通过对实桥的静载试验[7]来判断,而新桥的偏向类型则保守地选为铰接.目前国内已有研究主要针对的是新旧梁连接处的横向刚度类型[7-9],或是采用新旧梁格相同横向连接方式[10]进行分析,针对新旧桥横向刚度不同类型下的结构受力是本文研究的重点工作.

1 工程概况

本文以某3×40 m连续拼宽T梁桥工程为依托,并建立模型,其主要技术指标见表1. 该桥采用同结构T梁单边加宽、上部结构新旧梁采用超刚接,下部结构为不连接的拼宽方式,将主桥由由双向4车道扩容成双向8车道,并按照原桥与拼宽部分共同受力的原则进行设计,如图1所示.

表1 依托工程的主要技术指标表Table 1 Main technical indicators of the project

图1 连续T梁上部结构加宽断面示意图(以跨中为例)Fig.1 Schematic of widening section of continuous T beam upper structure (an example of midspan)

该桥采用了设置横隔板的刚接法[11]进行横向连接.对T型梁桥而言,不同拼接连接方式对旧梁承载能力的贡献也不同[10],贡献由大到小排序[9-12]为刚接、半刚接、铰接、不连接.同时,该桥为加超刚接效果,在采用翼缘与横隔梁均拼接(刚接)的设计基础上,增加了预应力短钢筋[12]来加强横向刚度(强刚接[13]),具体如图2所示.采用的强刚接的拼宽方法相对于不设置预应力的短钢筋,可以在确保结构整体性完好的基础上,进一步增大横向连接刚度梁端约束能力,提高纵向拼宽接缝及拼宽用横隔板的抗剪能力和抵抗变形能力,降低裂缝出现的风险.

图2 拼接端横隔梁钢筋布置图Fig.2 Layout diagram of steel bar of cross beam in joints

2 拼宽桥有限元模型建立

本文采用MIDAS/Civil进行空间梁格法的有限元建模,模型如图3所示.针对横向刚度的劣化模拟采用了“释放梁端约束”,并通过调整残余约束的能力(数值)[14]实现刚接、 半刚接和铰接,将横向虚梁简化设置为铰接,同时调整铰接处的可传递弯矩的比率来模拟残余的抗弯刚度,从而实现不同的横向联系刚度类型.其中,由于T梁拼接处横隔板采用预应力短束,因此假设新旧梁结合段的横向刚度不存在劣化情况,即一直保持刚接状态;新建桥墩沉降采用新旧桥容许沉降差5 mm来控制[10].

图3 3×40 m拼宽T梁桥有限元模型示意图

图4 新旧梁片编号示意图Fig.4 Diagram of the number of new and old beams

3 新旧桥横向刚度劣化对桥梁性能的影响

通过对恒载荷、收缩徐变(旧桥运营10年+新桥运营5年)、汽车载荷(中、偏载)和沉降等4种工况进行了计算.在前2种因素的作用下,新旧桥的横向刚度劣化对新旧梁受力基本没有影响,而后两者的影响明显.因此,本文主要针对3个代表截面,分析汽车载荷和沉降的影响.新旧梁横向刚度劣化组合状况如表2所示.

表2 新旧梁横向刚度劣化组合表

针对新旧梁的结构受力研究,通常采用横向载荷分布系数[14]进行.实际上,采用空间梁格法后,新旧梁受力可以直接采用最大弯矩进行表示.因此,本文以旧桥铰接+新桥刚接和旧桥铰接+新桥铰接2种情况下的计算值为基准,计算不同于其他4种组合下的最大弯矩变化值,以便下文分析.

3.1 中载作用下拼宽结构受力分析

(1) 中载作用下边跨跨中最大不利弯矩分析.由表3可知,在中载作用下的边跨跨中截面处,旧桥横向刚度劣化到半刚接时,对拼宽桥结构影响较小.一旦旧桥劣化到铰接,则旧桥横向刚度的劣化对靠近新桥的旧桥中梁部分影响最大,对旧桥左、右边梁的影响次之,而新桥刚接和半刚接对拼宽桥影响较小.新桥横向刚度变为铰接时,旧桥影响微弱,但对靠近拼接处新桥中梁的最大正弯矩影响最大,新边梁次之.

(2) 中载作用下中跨跨中最大不利弯矩分析.根据表4,以旧梁铰接+新梁刚接和旧梁铰接+新梁铰接为分析基准可知,在中载作用下的中跨跨中截面处,旧桥横向刚度为劣化到半刚接时,对拼宽桥结构影响较小,一旦旧桥劣化到铰接,则旧桥横向刚度的劣化对靠近新桥的旧桥中梁部分影响最大,其次是对旧桥右边梁的影响,新桥刚接和半刚接对拼宽桥影响较小;新桥横向刚度变为铰接时,对旧梁影响微弱,但对靠近拼接处新梁的最大正弯矩影响最大,其他新梁受到的影响次之.

表3 中载作用下边跨跨中截面处最大正弯矩计算结果

表4 中载作用下中跨跨中截面处最大正弯矩计算结果

(3) 中载作用下中支点处最大不利弯矩分析.依据表5,以旧梁铰接+新梁刚接和旧梁铰接+新梁铰接为分析基准可知,在中载作用下的中支点处,旧桥横向刚度为劣化到半刚接时,对拼宽桥结构影响较小,一旦旧桥劣化到铰接,则旧桥横向刚度的劣化对靠近新桥的旧桥中梁部分影响最大,旧桥边梁和新桥左右边梁次之,而新桥刚接和半刚接对拼宽桥影响较小;新桥横向刚度变为铰接时,对旧桥的影响微弱,但对靠近拼接处新桥中梁的最大负弯矩影响最大,其他新梁受到的影响次之.

表5 中载作用下中支点处最大负弯矩计算结果

3.2 偏载作用下拼宽结构受力分析

(1) 偏载作用下边跨跨中处最大不利弯矩分析.依据表6,以旧梁铰接+新梁刚接和旧梁铰接+新梁铰接为分析基准可知,在中载作用下的边跨跨中截面处,旧桥横向刚度劣化到半刚接时,对拼宽桥结构影响较小,一旦旧桥劣化到铰接,则旧桥横向刚度的劣化对靠近新桥的旧梁部分影响最大,其次是新边梁,而新桥刚接和半刚接对拼宽桥影响较小;新桥横向刚度变为铰接时,旧桥影响微弱,但对靠近拼接处新桥中梁和新边梁的最大正弯矩影响最大.

表6 偏载作用下边跨跨中截面处最大正弯矩计算结果

(2) 偏载作用下中跨跨中处最大不利弯矩分析.依据表7,以旧梁铰接+新梁刚接和旧梁铰接+新梁铰接为分析基准可知,在中载作用下的中跨跨中截面处,旧桥横向刚度劣化到半刚接时,对拼宽桥结构影响较小,一旦旧桥劣化到铰接,则旧桥横向刚度的劣化对靠近拼宽处的旧梁部分影响最大,而新桥刚接和半刚接对拼宽桥影响较小;新桥横向刚度变为铰接时,旧桥影响微弱,但对靠近拼接处新梁的最大正弯矩影响最大.

表7 偏载作用下中跨跨中截面处最大正弯矩计算结果

(3) 偏载作用下中支点处最大不利弯矩分析.依据表8,以旧梁铰接+新梁刚接和旧梁铰接+新梁铰接为分析基准可知,在中载作用下的中支点截面处,旧桥横向刚度劣化到半刚接时,对拼宽桥结构影响较小,一旦旧桥劣化到铰接,则旧桥横向刚度的劣化对旧梁部分影响最大,新桥影响次之;而新桥刚接和半刚接对拼宽桥影响较小,新桥横向刚度变为铰接时,旧桥影响微弱,但对靠近拼接处新中梁和新边梁的最大负弯矩影响最大.

表8 移动荷载(偏载)作用下中支点跨中截面处最大负弯矩计算分析

3.3 新建桥墩沉降工况

对沉降工况在不同横向刚度组合下的边跨跨中、中跨跨中及中支点处的最大不利弯矩进行计算,相应的计算值最大的前3片梁的梁号及计算结果如表9所示.

表9 新建桥墩沉降作用下边跨跨中截面处最大不利弯矩计算结果

假设旧桥不发生沉降,而新建桥墩沉降5 mm的工况条件下,沉降工况对拼宽桥结构的受力影响不能忽视.但考虑到横向刚度劣化后,对3处截面位置的最大正负弯矩值的变化影响较小,可不做进一步分析.

4 结 论

(1) 在移动载荷的作用下,横向刚度的劣化会增加新旧梁的结构受力.在旧桥横向刚度劣化的情况下,拼接处附近的旧桥中梁及右边梁结构受力最为明显.因此,在后期旧桥加固中,应着重对该部分梁片进行加固;而在新桥横向刚度劣化的情况下,新桥结构中拼接处附近的新梁和新边梁结构受力变化最为明显,对旧桥影响较弱.

(2) 从新建桥墩沉降工况的角度出发,新旧桥不同横向刚度劣化组合对结构所承受的最大弯矩值的影响较小.在考虑新建桥墩沉降时,应主要研究其沉降差值对结构的影响,若沉降处理措施可靠,可仅在模型计算中直接采用容许沉降差计算.

(3) 考虑到拼宽桥长期服役的情况,针对旧桥的模型计算,横向刚度应偏向铰接处理,而新梁除中支点外,应在设计阶段就加强其横向刚度,避免长期运营劣化作用对结构受力的不利影响.

参考文献:

[ 1 ] BOGAERT P V. Bridge design: combining old and new into aesthetic structures[C]∥International Conference on New Dimensions in Bridges, 2006:77-88.

[ 2 ] TIENP M,VAN-CHUONG N. Application of the external prestressing method in the repair, strengthening and widening of the Saigon Bridge[C]∥Proceedings of the EASTS Conference 2001 in Hanoi, Vietnam, 24-27, Oct 2001.

[ 4 ] MARCHIONDELLI A,TORRICELLI L F,FURLANETTO G. Design solutions for widening the A1-A9-A14 Italian highways[J]. Structural Engineering International, 2008,18(4):356-364.

[ 5 ] SWETT G,STANTON J,DUNSTON P. Methods for controlling stresses and distortions in stage-constructed steel bridges[J]. Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board, 2000,1712(1):164-173.

[ 6 ] 张延年,李玉兵,柳成林,等. 混凝土梁式桥裂缝调查分析与防治[J]. 沈阳大学学报(自然科学版), 2015,27(2):143-150.

ZHANG Y N,LI Y B,LIU C L,et al. Analysis and prevention of cracks in concrete beam bridge survey[J]. Journal of Shenyang University (Natural Science), 2015,27(2):143-150.

[ 7 ] 黄文波. 公路旧桥扩宽加固及连接技术研究[D]. 广州:华南理工大学, 2009.

HUANG W B. The width reinforcement and the splicing engineering research of old bridge expands[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2009.

[ 8 ] 王浩,朱若溪,张肇红. 连接刚度对加宽桥梁荷载横向分布的影响分析[J]. 公路, 2013(7):143-146.

WANG H,ZHU R X,ZHANG Z H. Analysis of the influence of connection stiffness on lateral distribution of load of widened Bridge[J]. Highway, 2013(7):143-146.

[ 9 ] 张湧,刘斌. 银川-古窑子高速公路黄河特大桥加宽连接方式研究[J]. 铁道建筑, 2006(6):11-12.

ZHANG Y,LIU B. The research of widening connection type of Yinchuan-Yellow River expressway bridge[J]. Railway Construction, 2006(6):11-12.

[10] 陈敏. 高速公路中先简支后连续T型梁桥空间受力分析[D]. 重庆:重庆交通大学, 2014.

CHEN M. Spatial stress analysis of the first simple supported T beam bridge in the freeway[D]. Chongqing: Chongqing Jiaotong University, 2014.

[11] 叶奂. 改扩建项目中桥梁拼宽技术的探索与应用分析[C]∥中国公路学会养护与管理分会. 中国公路学会养护与管理分会第七届学术年会论文集. 中国公路学会养护与管理分会, 2017:5.

YE H. The research and application analysis of bridge expansion project in widening technology[C]∥The Seventh Annual Conference of China Institute of Highway Maintenance and Management. China Institute of highway maintenance and Management Branch, 2017:5.

[12] 高小妮. 拓宽后桥梁结构相互作用分析[D]. 西安:长安大学, 2009.

GAO X N. Analysis of bridge structure interaction after widening[D]. Xi’an: Chang’an University, 2009.

[13] 廖朝华. 高速公路改扩建工程关键技术研究[D]. 武汉:武汉理工大学, 2009.

LIAO Z H. Research on key technology of expressway reconstruction and extension project[D]. Wuhan: Wuhan University of Technology, 2009.

[14] 葛俊颖. 桥梁工程软件MIDAS/Civil使用指南[M]. 北京:人民交通出版社, 2013.

GE J Y. Bridge engineering software MIDAS/Civil guide[M]. Beijing: People's Transportation Press, 2013.

[15] 苏佩,钱若霖,邬晓光,等. 装配式简支T梁宽桥横向分布[J]. 沈阳大学学报(自然科学版), 2017, 29(3):229-232.

SU P,QIAN R L,WU X G,et al. Transverse distribution of fabricated simply supported T-girder bridge[J]. Journal of Shenyang University (Natural Science), 2017,29(3):229-232.