李靜斌，陳淮，李亞龍

(1.鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001;2.鄭州市公路勘察設(shè)計(jì)院，河南 鄭州 450006)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，快速增長(zhǎng)的汽車保有量給交通運(yùn)輸帶來巨大的壓力，尤其是高速公路的主要干線日益不能滿足飛速增長(zhǎng)的交通需求［1］。在既有干線高速公路的原有基礎(chǔ)上進(jìn)行加寬改造，是改善交通擁堵的首選方案［2－3］。道路的加寬研究必然包括高速公路上橋梁加寬的研究，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)橋梁加寬改造開展了大量研究工作，根據(jù)不同橋梁結(jié)構(gòu)形式提出了3種常用連接方案:上部構(gòu)造、下部構(gòu)造均不連接，上部構(gòu)造、下部構(gòu)造均連接及上部構(gòu)造連接、下部構(gòu)造不連接［4－7］。這3種方案在一定程度上解決了工程實(shí)際問題，并在高速公路加寬項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。但是，通過對(duì)加寬后橋梁的工程調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這3種加寬方案都會(huì)在新舊橋連接縫處出現(xiàn)不同程度的工程病害［8－9］。對(duì)上述新舊橋連接縫部位的病害特征進(jìn)行分析，可發(fā)現(xiàn)新增的加寬橋板與原有舊橋板之間的剛度不協(xié)調(diào)是造成此類病害的重要原因之一。如果能沿橋橫向在新增橋板與舊橋板之間布設(shè)一定數(shù)量的剛度漸變構(gòu)件，就可在一定程度上緩和新舊橋板之間的剛度突變，進(jìn)而防止或減緩此類病害的出現(xiàn)［10］。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，簡(jiǎn)支梁承受荷載時(shí)，跨中部位產(chǎn)生較大的豎向位移，因此在沿空心板橋縱向位置布設(shè)剛度漸變構(gòu)件時(shí)，宜盡量布設(shè)在空心板橋的跨中部位。剛度漸變效果應(yīng)首要考慮結(jié)構(gòu)承受靜載時(shí)豎向位移的影響，故可選定在空心板橋的1/2跨，1/3跨和2/3跨或1/4跨和3/4跨布置剛度漸變構(gòu)件。同時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理:簡(jiǎn)支梁第1階振型的最大值在1/2跨，第2階振型的最大值在1/4跨和3/4跨，由于對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)起主要影響的是低階振型，因此，本文考慮在空心板橋的跨中和1/4跨、3/4跨位置布設(shè)漸變結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

1 工程概況

京港澳高速公路安陽至新鄉(xiāng)段加寬改造工程中橋梁加寬的主要橋型為20，16，13和10 m跨徑的預(yù)應(yīng)力裝配式空心板橋。本文以其中某座20 m跨徑空心板橋加寬工程為例。該橋?yàn)樗穵A角110°的斜橋，原有橋梁上部為先張預(yù)應(yīng)力混凝土裝配式空心板，單幅橋梁由寬度為1 m的12塊雙孔空心板組成;下部結(jié)構(gòu)為單排柱式墩臺(tái)，樁基為混凝土鉆孔灌注樁。為滿足當(dāng)前交通需求，將原有舊橋的外側(cè)邊板拆除后在舊橋中板外側(cè)增設(shè)7塊新的單孔空心板組成新橋。與舊橋中板相鄰的2塊新橋內(nèi)邊板板寬為1 m，中間設(shè)寬度為0.335 m的現(xiàn)澆段，其余4塊新橋中板與1塊新橋外邊板寬度均為1.333 m，即新增加的新橋總寬為9 m。為適應(yīng)新、舊橋之間的沉降差異，采用“上連、下不連”的設(shè)計(jì)原則，即新、舊橋上部空心板間用現(xiàn)澆混凝土濕接，橋面連續(xù);下部墩臺(tái)身及基礎(chǔ)不再連接，各自相對(duì)獨(dú)立受力。加寬后的半幅橋梁的正斷面如圖1所示。為便于說明，將加寬后橋梁的全部18塊空心板從左到右按順序編號(hào)，即在圖1中各塊空心板上部帶圓圈的數(shù)字為各空心板的編號(hào)。

由于舊橋是在20世紀(jì)90年代設(shè)計(jì)，采用了當(dāng)時(shí)非常通用的雙孔空心板標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，雙孔板的抗彎剛度較低。而為適應(yīng)新的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，增設(shè)的新橋板采用單孔空心板的設(shè)計(jì)方案，抗彎剛度較高。經(jīng)過計(jì)算，新橋中板的抗彎剛度約為舊橋中板抗彎剛度的1.33倍，新橋內(nèi)邊板的抗彎剛度約為舊橋中板抗彎剛度的1.16倍，舊橋中板與新橋內(nèi)邊板之間以及新橋內(nèi)邊板和新橋中板之間均存在較為顯著的抗彎剛度差異。因此，為達(dá)到理想的剛度漸變效果，經(jīng)過反復(fù)計(jì)算對(duì)比，剛度漸變構(gòu)件選用規(guī)格［12.6的熱軋槽鋼，共3道:在空心板橋的跨中位置沿橋橫向布置1道，長(zhǎng)度為7 m，布置在10～15號(hào)板的板底;在空心板橋的1/4跨、3/4跨位置沿橋橫向各布置1道，長(zhǎng)度均為5 m，布置在12～15號(hào)板的板底。各槽鋼布置時(shí)肢尖朝下，截面長(zhǎng)邊平面與空心板底貼緊并通過膨脹螺栓連接。

圖1 跨徑20 m加寬后橋梁半幅正斷面圖Fig.1 Half－ bridge cross section view of 20 m span new bridge after widening

2 橋梁有限元建模

為分析設(shè)置剛度漸變構(gòu)件對(duì)加寬空心板橋承受靜力荷載的影響，采用通用有限元程序MIDAS/Civil，建立上述20 m跨徑空心板橋的空間有限元模型，對(duì)其靜力性能進(jìn)行分析。全橋模型包括圖1所示的全部11塊舊橋板、7塊新橋板以及3道剛度漸變構(gòu)件。在有限元建模中，新、舊空心板和設(shè)置在空心板底部的剛度漸變構(gòu)件均采用梁?jiǎn)卧M。橋面鋪裝層在建模時(shí)可采用與梁?jiǎn)卧补?jié)點(diǎn)的板單元模擬，但在本工程中，因舊橋橋面鋪裝層與新橋面鋪裝層不盡相同，且舊橋在經(jīng)過多年使用后鋪裝層已有老化跡象，其力學(xué)參數(shù)較難準(zhǔn)確獲取，故建模時(shí)統(tǒng)一不考慮橋面鋪裝的橫向連接作用。剛度漸變構(gòu)件的梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)與模擬空心板的梁?jiǎn)卧?jié)點(diǎn)采用節(jié)點(diǎn)彈性連接中的剛性連接，以模擬實(shí)際情況中的螺栓連接。結(jié)合有限元程序MIDAS/Civil的特點(diǎn)，考慮空心板企口縫的連接作用，在空心板的梁?jiǎn)卧g采用節(jié)點(diǎn)彈性連接，通過設(shè)置豎向剛度等效企口縫的豎向抗剪作用。企口縫的豎向抗剪剛度值根據(jù)企口縫的材料特性設(shè)定。有限元建模時(shí)，空心板的彈性模量采用鋼筋與混凝土的折算彈性模量，折算模量根據(jù)體積加權(quán)平均法折算。全橋共劃分為353個(gè)梁?jiǎn)卧?97個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于該橋?yàn)楹?jiǎn)支板橋，故邊界條件設(shè)為兩端簡(jiǎn)支，全橋共計(jì)42個(gè)支座。圖2所示為所建立的該20m空心板橋的空間有限元模型。

圖2 空心板橋空間有限元模型Fig.2 Spatial finite element model of hollow slab bridge

3 計(jì)算結(jié)果及分析

為評(píng)價(jià)設(shè)置剛度漸變構(gòu)件后的新舊橋板之間的剛度漸變效果，本文分2種情況分別計(jì)算空心板橋各塊橋板的跨中位移:(1)不設(shè)置剛度漸變構(gòu)件;(2)設(shè)置剛度漸變構(gòu)件。有限元分析時(shí)所布設(shè)的靜力荷載工況應(yīng)與理論分析的目的相適應(yīng)，因此計(jì)算時(shí)分別在新舊橋交接位置準(zhǔn)備設(shè)剛度漸變構(gòu)件的6塊空心板(10～15號(hào)板)的跨中處分別布置單位集中荷載，通過計(jì)算得到的各塊空心板的跨中豎向位移可進(jìn)一步計(jì)算出各塊空心板的荷載橫向分布影響線。

荷載橫向分布影響線的計(jì)算過程簡(jiǎn)述如下:

(1)在j號(hào)板跨中位置的寬度中心處作用1個(gè)單位集中荷載;

(2)計(jì)算在此荷載作用下跨中第i號(hào)板寬度中點(diǎn)的豎向位移(i=1，2，…，n);

表1所示為未設(shè)置剛度漸變構(gòu)件的各空心板荷載橫向分布影響線豎標(biāo)值，表2所示為設(shè)置剛度漸變構(gòu)件后的各空心板荷載橫向分布影響線豎標(biāo)值。表1、表2中所列空心板的編號(hào)見圖1。其中采用粗體字表示的豎標(biāo)值為各荷載工況的豎標(biāo)最大值，剛好分別對(duì)應(yīng)于在該板上作用有單位集中荷載的情形。

由表1可見:在未設(shè)置剛度漸變構(gòu)件之前，在6種荷載工況下，各空心板的荷載橫向分布峰值豎標(biāo)均超過了0.45，最大值達(dá)到0.777，表明空心板橋在承受集中荷載時(shí)出現(xiàn)較為明顯的單板受力現(xiàn)象。另一方面，由表2可見:設(shè)置剛度漸變構(gòu)件后，各空心板的荷載橫向分布峰值豎標(biāo)大幅降低，最小值為0.222，最大值也降低到0.48，表明設(shè)置剛度漸變構(gòu)件顯著改善了空心板橋的單板受力現(xiàn)象。

為更直觀地表達(dá)上述計(jì)算結(jié)果，可由表1和表2分別繪制出10～15號(hào)板的荷載橫向分布影響線，如圖3所示。

由圖3可見:布設(shè)橫向剛度漸變構(gòu)件前加寬空心板橋的荷載橫向分布系數(shù)峰值明顯，表現(xiàn)出顯著的單板受力現(xiàn)象;布設(shè)橫向剛度漸變構(gòu)件后，加寬空心板橋的荷載橫向分布系數(shù)峰值減小，表明所承受的集中荷載由多塊橋板共同承擔(dān);此外，在新舊橋板過渡區(qū)域之外是否布設(shè)剛度漸變構(gòu)件，對(duì)荷載橫向分布影響不大。但對(duì)于加寬后的橋梁，舊橋板的荷載橫向分布系數(shù)在布設(shè)剛度漸變構(gòu)件后增大，新橋板的荷載橫向分布系數(shù)在布設(shè)剛度漸變構(gòu)件后減小。因此，舊橋板的相對(duì)剛度得到提高，新橋板的相對(duì)剛度被適當(dāng)減小，這些都為新舊橋面板抗彎剛度的有效過渡創(chuàng)造了有利條件。布設(shè)橫向剛度漸變構(gòu)件后荷載橫向分布影響線大致呈斜線狀態(tài)，也說明了新舊橋板的剛度變化呈線性平緩變化趨勢(shì)。綜上所述，通過布設(shè)橫向剛度漸變構(gòu)件，能夠起到預(yù)期的目的，增大了新舊板橋的之間的可靠聯(lián)接。

圖3 空心板荷載橫向分布影響線Fig.3 Distribution of horizontal line of hollow slab

表1 未設(shè)置剛度漸變構(gòu)件的空心板荷載橫向分布影響線豎標(biāo)Table 1 The vertical standard form of the hollow slab distribution of horizontal lines without rigidity gradient components

表2 設(shè)置剛度漸變構(gòu)件的空心板荷載橫向分布影響線豎標(biāo)Table 2 The vertical standard form of the hollow slab distribution of horizontal lines with rigidity gradient components

4 結(jié)論

(1)布設(shè)橫向剛度漸變構(gòu)件前后的空心板橋在新舊橋板過渡區(qū)域位移有較大不同，在布設(shè)橫向剛度漸變構(gòu)件前，新橋板和舊橋板之間出現(xiàn)較大剛度突變，引起位移突變;布設(shè)橫向剛度漸變構(gòu)件后，各個(gè)橋面板的位移呈現(xiàn)逐步變化的趨勢(shì)。

(2)布設(shè)橫向剛度漸變構(gòu)件前空心板荷載橫向分布系數(shù)峰值明顯，即單板受力明顯;布設(shè)橫向剛度漸變構(gòu)件后，荷載橫向分布系數(shù)峰值大幅減小，說明施加的集中荷載由多塊板共同承擔(dān)。對(duì)比布設(shè)橫向剛度漸變構(gòu)件前后空心板橋的靜力力學(xué)性能，證明了布設(shè)橫向剛度漸變構(gòu)件的有效性，橫向剛度漸變效果良好。

［1］中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部.2010年公路水路交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)［EB/OL］.［2011］.http://www.moc.gov.cn/zhuzhan/tongjigongbao/fenxigongbao/hangyegongbao/201104/t20110428_937558.html.Ministry of Transport of the Penple’s Republic of China.Highway and water transportation development situation statistics bulletin 2010［EB/OL］.［2011］.http://www.moc.gov.cn/zhuzhan/tongjigongbao/fenxigongbao/hangyegongbao/201104/t20110428_937558.html.

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