不同加宽方式对空心板桥横向受力的影响

许 钱，李春良

吉林建筑大学 交通科学与工程学院,长春 130118

在空心板桥改扩建项目中,对空心板桥采取加宽处理后,原桥的受力情况也会随之改变,因此研究加宽后空心板桥的横向受力状态,对今后改扩建项目有指导意义.目前,相关学者主要研究了空心板桥加宽的横向分布计算方法[1]、不同铰缝形式[2]以及新旧板之间不同刚度的连接形式对空心板桥横向受力的影响[3].在现有研究的基础上,本文通过建立未加宽前、单向加宽后和双向加宽后的空心板ANSYS模型,并对其进行受力分析,研究不同加宽方式对原桥横向受力状态的影响.

1 旧桥加宽方式与方法

1.1 单向加宽

单向增加主梁片数加宽,是在原有主梁的一侧增加新的主梁,从而达到增加桥面宽度的目的,新建主梁与原桥主梁共同承担荷载.这种加宽方法在对主梁进行加宽的同时,需要对下部结构墩台基础进行加宽[4].

1.2 双向加宽

1.2.1 间插桥墩复桥加宽法

间插桥墩复桥加宽法,通过墩帽处较长的横向连接,将加宽部分主梁设置在原有主梁的两侧,新建桥墩建造在原有桥墩之间,既有效地增加了桥面宽度,又最大限度降低了新增桥墩对地面交通的干扰.间插桥墩复桥加宽的示意图如图1所示[5].

图1 间插桥墩复桥加宽Fig.1 Widened compound bridge by embed pier

1.2.2 双向增加主梁片数加宽

双向增加主梁片数加宽,可保持原桥的标高不变,不拆卸原有桥板,直接在原桥的两侧采取顺接的方法进行加宽[6].加宽部分空心板的截面形式要与原桥保持尽可能相似,且原桥与加宽部分间需要采取适当的连接方式以保证桥梁结构的整体性.与单向加宽主梁的方法类似,双向加宽同样需要对桥梁的下部结构相应的加宽,在其施工的过程中不会影响车辆的正常通行.图2为增加主梁加宽设计图.

图2 增加主梁片数加宽Fig.2 Increase main girder width

2 空心板有限元模型建立

为研究不同加宽方式对空心板桥横向受力的影响,采用ANSYS有限元软件建立跨径为13 m的空心板有限元模型,原桥由9块空心板组成,每块空心板截面宽1 m,高0.6 m,桥面总宽为9 m,两侧人行道宽0.75m,横截面示意图如图3所示,加宽新板与原板截面尺寸相同.

全桥模型包括9块旧板、4块新板,板与板之间横向联接采用铰接.建模时,桥面铺装层可采用与梁单元共节点的板单元模拟,但由于桥面铺装层在多年使用后会出现老化现象,且新桥桥面铺装层和旧桥桥面铺装层又不完全相同,无法准确获取其力学参数,因此建模时统一不考虑桥面铺装的横向连接作用.

为评价不同加宽方式对桥梁结构模型荷载横向分布的影响,本文通过4种情况分别计算空心板的影响线竖标值：① 未加宽前;② 右侧单向加宽后;③ 左侧单向加宽后;④ 双向加宽后.为便于说明,始终把原桥各板编号为1 #～9 #,单向加宽时,加宽新板由左到右依次编号为10 #～13 #.双向加宽时,分别将加宽新板编号-1 #,0 #和10 #,11 #,加宽示意图如图4、图5所示.

图3 模型横截面尺寸Fig.3 Model cross section size

图4 单向加宽示意图Fig.4 Schematic diagram of unidirectional broadening

图5 双向加宽示意图Fig.5 Schematic diagram of bidirectional broadening

使用ANSYS建模时,空心板主体选用SOLID 45单元,铰缝选用COMBIN 14单元来模拟,其中原桥模型节点数为20 148,单元数为14 889,加宽后空心板桥模型节点数为29 120,单元数为18 701.建立的13 m空心板桥实体空间有限元模型如图6所示.

(a) 空心板实体模型(a) Hollow slab solid model

3 计算结果及分析

为反映空心板桥加宽前后的横向受力情况,根据ANSYS模型计算得到加宽前后各板的横向影响线.

图7为桥梁加宽前、左侧单向加宽后及右侧单向加宽后原桥1 #板影响线对比图,图8为桥梁加宽前、左侧单向加宽后及右侧加宽后原桥9 #板影响线对比图.

图7 加宽前和单向加宽后原桥1 #板影响线对比图Fig.7 Comparison diagram of influence lines of original bridge1# plates before and afterUnilateral widening

图8 加宽前和单向加宽后原桥9 #板影响线对比图Fig.8 Comparison diagram of influence lines of original bridge9# plates before and afterUnilateral widening

观察发现,对原桥左侧单向加宽后和右侧单向加宽后,当荷载作用于不同板时,分配到1 #板和9 #板的荷载相较于桥梁加宽前均减小.对于1 #板,左侧单向加宽后1 #板承受的荷载,小于右侧单向加宽后1 #板承受的荷载,左侧加宽新板承受的荷载远大于右侧加宽新板.对于9 #板,左侧单向加宽后9 #板承受的荷载,大于右侧单向加宽后9 #板承受的荷载，右侧加宽新板承受的荷载远大于左侧加宽新板.可见对原桥单向加宽,加宽新板能够有效地分担作用于桥上的荷载,并且单向加宽对加宽侧各板的影响优于对未加宽侧的影响.采用单侧加宽时,距离新加宽板越近的旧板,在承受荷载时,荷载被新板分担得越大.

图9为加宽前、右侧单向加宽后及双向加宽后原桥3 #板的影响线对比图,图10为加宽前、右侧单向加宽后及双向加宽后原桥7 #板的影响线对比图.

图9 加宽前、后原桥3 #板影响线对比图Fig.9 Comparison diagram of influence lines of original bridge3# plates before and after widening

图10 加宽前、后原桥7 #板影响线对比图Fig.10 Comparison diagram of influence lines of original bridge7# plates before and after widening

观察发现,桥梁双向加宽后,当荷载作用于不同板时,分配到3 #板和7 #板的荷载相较于桥梁加宽前均减小.双向加宽后3 #板承受荷载,小于右侧单向加宽后3 #板承受的荷载,而两种加宽方式下7 #承受的荷载较为相似.右侧单向加宽后3 #板影响线的降低程度,小于7 #板影响线的降低程度,而双向加宽后3 #板和7 #板影响线有相同程度的降低.对于加宽新板，各加宽方式下，新板为加宽侧各板承担的荷载远大于未加宽侧.可见,对原桥双向加宽相比单向加宽,可以均匀且更大程度地减小原桥承受的荷载.

4 结论

本文通过对空心板桥的ANSYS有限元实体模型计算和分析,得出以下结论：

(1) 对空心板桥加宽后,加宽新板有效地承担了作用于桥梁的部分荷载,空心板的荷载横向分布得到了优化,两种加宽方式均对于改善原桥结构横向受力作用明显.

(2) 单向加宽对加宽侧各板的影响优于对未加宽侧的影响.采用单侧加宽时,距离新加宽板越近的旧板,在承受荷载时荷载被新板分担得越大.

(3) 双向加宽相比于单向加宽,原桥影响线降低程度更大、更均匀.因此,在条件允许的情况下选用双向加宽,对改善原桥横向受力状态更有利.