横向拓宽斜交板梁桥荷载横向分布系数研究

马中文，汪 剑

（1.武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北 武汉430015；2.中南勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430071）

0 引言

为了满足近年来急剧增长的交通流量需求，2000年前后建成的高速公路相继进行扩建。广佛线、沈大线、沪杭甬线等多条高速公路已经由四车道拓宽为八车道，福泉线、厦漳线等高速公路也正在进行拓宽。随着国内大规模高速公路拓宽建设的推进，越来越多的高速公路桥梁需拓宽，其中板梁桥占较大比例。

对于预应力空心板梁桥，横向拓宽后能否保证桥梁安全，取决于旧桥能否满足拓宽后的荷载等级标准，其中与新桥相接的旧桥边梁控制整个拓宽设计。横向拓宽一般通过纵向现浇湿接缝和桥面铺装来横向连接新、旧桥梁，拓宽后旧桥的边梁成为新桥的中梁，对于旧桥的主梁，其荷载横向分布系数变化直接关系到其安全性能，而对于斜板梁桥，其荷载横向分布系数更为复杂[1-2]。因此对横向拓宽后斜交板梁桥的荷载横向分布系数进行研究，比较拓宽前后荷载横向分布系数的差异，具有重要的理论和工程意义。

1 旧桥拓宽方法及荷载横向受力影响

预应力简支空心板梁桥一般横向拓宽方式如图1所示。

拼接部位的主要施工流程如下：

图1 空心板梁桥横向拓宽（单位：cm）

（1）拆除原桥外侧护墙（栏）→切除原桥外边板的翼缘板→凿除原外边板上的现浇混凝土层→原外边板相应部位植筋→拓宽板梁架设安装（拓宽的内侧边板与原外边板侧面凿有湿接缝间隙）→新拓宽板梁部分。

（2）现浇厚 80～100 mm的混凝土现浇桥面板→连接新旧板梁现浇混凝土的钢筋→湿接缝区段采用微膨胀混凝土现浇→新旧桥上部结构整体化。

新、旧主梁及其之间的连接形式是多样化的，造成新、旧主梁的刚度及间距不同，因此荷载横向分布系数不能直接采用等刚度截面假定编制的桥梁荷载横向分布系数计算图表进行简便计算[3]。斜板梁桥拓宽后，主梁上分配的活载一般会减小，但主梁的荷载横向分布系数与拓宽前相比变化还不明确，与正交板梁桥相比斜交梁桥的荷载横向分布系数变化规律也不明确[4]。为此本文依托某高速公路拓宽工程，对横向拓宽后斜交板梁桥的荷载横向分布系数进行研究。

2 工程实例分析

2.1 工程概况

某高速公路桥梁扩建工程，旧桥为1×20 m简支预应力混凝土斜交板梁桥，斜交角度为60°。桥面布置为净9.5 m+2×0.5 m防撞护栏，主梁横向由10片预应力空心板梁组成，主梁高度0.85 m。其中，中梁预制宽度0.99 m，边梁预制宽度1.245 m，下部为U台配扩大基础。

桥梁采用单侧拓宽，桥面拓宽4.25 m，单侧横向增设4片新板梁，新梁的主梁高度为0.85 m，拼接中梁预制宽度0.99 m，边梁预制宽度1.245 m，下部为U台配扩大基础。桥梁拓宽断面如图2所示。主梁和现浇湿接缝采用C40混凝土，沥青混凝土铺装层厚9 cm，防水混凝土铺装层厚10 cm。

图2 板梁拓宽横断面（单位：cm）

图3和图4分别为中板和边板跨中断面图。新、旧板梁桥的支座均选用GYZ 225×42和GYZF4 225×44板式橡胶支座。

图3 中板跨中断面图（单位：cm）

图4 边板跨中断面图（单位：cm）

2.2 预应力空心板梁桥分析模型

预应力空心板梁桥采用midas分析，计算模型采用梁格法模型，将主梁作为纵向单元，横隔梁作为横向单元，桥面板用横向虚拟梁模拟[5-6]。原桥模型如图5所示，拓宽后桥梁模型如图6所示。基本假定为新、旧主梁间通过整体现浇段和横隔板铰接，同时新、旧主梁在改造前后的边界条件相同。

图5 拓宽前模型

图6 拓宽后模型

3 计算结果分析

分别选取旧桥拓宽前和拓宽后计算模型，将荷载（10 kN）分别依次加载在各梁的跨中节点上，计算得到在各工况下每根梁跨中截面的竖向位移，即得到各梁跨中位移横向分布情况。通过各主梁跨中位移值的横向分布计算结果，换算出各梁跨中位移值的横向分布影响线，进而按照规范通过在横向分布影响线上进行最不利加载得到各主梁的横向分布系数[7]。

为对比斜交与正交预应力板梁桥荷载横向分布系数差异，计算了板梁桥正交时拓宽前后各主梁的荷载横向分布系数。斜交和正交情况下，旧桥拓宽前后各板梁的荷载横向分布系数如图7所示。

图7 板梁桥拓宽前后主梁横向分布系数

从图7可以看出：

（1）桥梁正交时，旧桥主梁拓宽前后的荷载横向分布系数基本保持不变，新梁的荷载横向分布系数与旧梁也相差不大。

（2）斜交60°时，旧桥边梁的荷载横向分布系数与正交时基本相同，但旧桥中梁的荷载横向分布系数比正交时略大3%。

（3）斜交60°时，拓宽后拼接缝附近旧梁的荷载横向分布系数跟拓宽前变化不大，但距离拼接缝越远，旧梁的荷载横向分布系数变化越大，最外侧边梁比拓宽前增大约6%。

（4）斜交60°时，拓宽部分新梁的荷载横向分布系数比正交拓宽时的对应新梁约大13%。

由此可见，如果不拓宽，正交和斜交板梁桥各主梁的横向分布系数基本相同。对于正交板梁桥，拓宽前后旧梁的横向分布系数基本不变，新梁的横向分布系数比旧梁略大，但增量很小，可以忽略。而对于斜交60°的板梁桥，拓宽后除拼接缝附近旧梁横向分布系数变化不大外，其他旧梁的横向分布系数均变化较大。其原因在于桥梁拓宽后按影响线横向布载的车辆数增加，从而导致主梁的荷载横向分布系数增大。因此斜交板梁桥拓宽时，部分旧梁上的荷载增量对旧梁的纵向受力不利，在进行桥梁拓宽设计时需考虑其荷载效应增大，同时也要考虑到新梁荷载效应增量。

4 结语

采用有限元法分析了斜交空心板梁桥拓宽前后的荷载横向分布系数，分析结果表明斜交60°的板梁桥在拓宽设计时应提高新梁的承载力，并对部分旧梁进行加固处理。