拓宽桥梁新建梁体刚度取值范围研究

□文/刘 野 常翔宇

在桥梁加宽扩建中，新旧主梁之间拼接部位的受力状况往往是改造后桥梁整体性能优劣的关键所在[1]。通过改变新梁的刚度，对新老桥之间整体性能进行研究，确定新旧主梁之间拼接部位的受力状况，从而明确新梁的最优刚度，进而为设计提供优化方案。

1 工程概况

某高速公路上的简支梁桥，跨径13 m。新桥在既有桥梁基础上扩建3.25 m，1#～12#梁为既有桥梁主梁，13#～15#梁为扩建后新桥部分主梁，见图1。

图1 扩建后桥梁横断面布置

2 荷载横向分布均匀性系数的定义

将横向分布影响线均值与其最大值的比值定义为荷载横向分布均匀性系数，记为k并将扩建前后k值的变化记为Δk。

式中：Δk为横向分布影响线的均值；ηmax为横向分布影响线的最大值；k1为扩建前横向分布影响线均匀性系数；k2为扩建后横向分布影响线均匀性系数。

它们分别反映了荷载横向分布的均匀性和其在扩建前后的变化情况，进而反映出结构整体性及其扩建前后的变化[2]。k越大说明荷载横向分布越均匀，结构整体性越好；Δk越大，说明扩建后结构整体性越好[3]。

3 新建梁体的刚度取值范围研究

新旧梁均采用C50混凝土，旧梁抗弯惯性矩I=0.046 m4，新建梁体的抗弯惯性矩分别取I、1.2I、1.4I、1.6I、1.8I、2I。采用铰接板法计算该结构的荷载横向传递规律，由计算得每片梁的荷载分配情况，可直观的反映新旧梁体抗弯惯性矩的不同对梁体所受荷载的影响。

于12#梁轴线跨中位置施加一个单位荷载，得到单位荷载作用在12#板梁轴线上时任一板梁所分配的荷载，见表1。

表1 单位荷载作用于12#梁时各梁的荷载分配

续表1

由表1可以看出，桥梁扩建后，既有桥梁部分各主梁承担的荷载均有所降低，表明扩建后新桥承担了部分荷载，减轻了既有桥梁主梁所承担的荷载。

新旧梁体之间的剪应力是沿着铰缝长度连续变化的，见图2。

图2 连接处剪应力

选取剪应力最大的跨中位置作为研究对象。根据实际调查中行驶的车列情况和最不利工况，选择加载一辆807.5 kN的重车，见图3和图4。

图3 加载汽车单排轴重

图4 汽车加载布置

利用有限元软件ANSYS进行实体建模，见图5，连接处剪应力见图6和图7。

由图6和图7可以看出，随着刚度比的增大，连接处剪应力及变形差值不断增大。当刚度相同时，新旧梁体之间的剪应力差值和变形差值均为最小，此时全桥的整体性最好。

图5 空心板梁模型

图6 连接处剪应力

图7 连接处变形差

4 结论

在加宽宽度一定的情况下，随着新旧梁体刚度比的增大，荷载横向分布的均匀性越差。在既有桥梁扩建宽度和新桥扩建后的梁数一定的情况下，为了保证扩建后全桥的整体性，荷载横向分布均匀性系数差值应尽可能高，所以新旧梁体的抗弯刚度比应控制在1左右。此时新旧梁连接处剪应力及变形差相对较小，扩建后荷载横向分布均匀性系数差值相对较大，扩建后桥梁的整体性较好。