空心板桥梁加宽对旧桥上部结构受力的影响
摘要：本文针对高速公路16m跨径空心板桥梁结构的加宽，建立空间梁格模型，考虑恒载、活载等级变化、新桥沉降及材料收缩徐变的效应，分析旧桥上部结构的内力的变化趋势，并判断旧桥梁体的安全性。
关键词：空心板桥梁加宽,拼接,梁格法,有限元分析
随着珠江三角洲地区经济的高速发展，高速公路逐渐连接成网，交通流量大增，目前道路服务水平明显降低，高峰时段常有交通事故发生。为发挥高速公路的最大效益，满足经济发展的需要，拟将佛开高速公路谢边至三堡段长46.1km按双向八车道标准进行改扩建。桥梁加宽扩建成为高速公路改扩建关键技术之一，针对目前我省已建成高速公路的桥梁结构中,大量使用了部颁典型空心板简支梁结构的现状,本文对16m跨径空心板梁桥的加宽进行研究,分析桥梁加宽设计中关心的加宽后旧桥上部构造的内力变化趋势，为桥梁加宽设计提供依据。
1空心板桥梁加宽方案介绍
本方案结构特性为铰接,采用铰缝与整体化层共同连接，在旧桥空心板边缘植入钢筋,新桥则预埋，新梁架梁并预压一年后,待收缩徐变基本完成时再进行连接。施工前先将旧桥边缘50cm范围桥面铺装及整体层凿开,置放连接钢筋,再在凿开的整体层内浇筑C40混凝土,桥面铺装仍为沥青砼。空心板梁拼接方案拼接构造如图1.1。
2计算分析
计算中实际建模时，利用MIDAS（civil）程序，建立全桥空间仿真模型，将全桥划分为900个节点，1867个单元，8个施工阶段及1个运营阶段。新、旧桥空心板见采用铰接连接方式，单元组成：空心板采用空间梁格模拟，整体化层采用薄板单元。板与梁通过共节点连接。铰缝模拟：各空心板之间用横向梁单元连接，通过释放梁端约束来模拟铰接。具体拼接方式见图2.1所示(1#-8#梁为新桥，9#-19＃为旧桥),8#梁及9#梁拼接。其结构仿真模型如图2.1。
2.1恒载作用下跨中恒载作用下位移
通过对拼接和不拼接情况下靠近拼接缝处几片空心板梁挠度进行对比得出结论，预应力空心板梁预应力的作用下产生上挠变形，在不拼接的情况下，旧桥已经经过多年的收缩徐变，其变形已经接近停止，在新桥建成10年内旧桥9#空心板跨中挠度变形从-14.8mm增加到-15.8mm，增幅仅增加0.3mm；新桥由于建成不久，其收缩徐变对挠度的影响较为明显，在运营十年后恒载作用下新桥8#空心板的跨中挠度变形为-22.1mm，和建成时-19.2mm相比增加2.9mm。在拼接情况下，旧桥和新桥之间相互作用，旧桥在拼接后由于受到新桥空心板上挠趋势的影响，对其有向上拖的趋势，其9#空心板跨中挠度经10年运营之后由-14.8mm变为-15.8mm，跨中上挠挠度增加1mm，与不拼接情况相比，挠度增加0.7mm；同样新桥变形由于旧桥对其阻碍作用，新桥8#空心板经过10年的收缩徐变跨中挠度增加1.2mm，与不拼接时增加的2.9mm相比减少1.7mm。
从以上对比结果可以看出，新桥对旧桥变形起到积极的作用，使旧桥继续往上变形，这对于旧桥受力是有利的，而旧桥对新桥的变形起阻碍作用这相对与自由变形下的新桥而言，对其受力是不利的。
2.2支反力比较
计算结果表明，支反力发生变化的主要是相连的两边板和靠近相连处的新老桥两中板（下表中分别用新中支座和老中支座表示）。表2.1表统计出了支反力的变化幅度，其中以拼接前为基准值。
表2.1支反力的变化比较表
上表可知：由于新桥空心板向上挠的带动作用，相临几片梁的支座反力发生了重新分配，拼接前后支反力的变化不大，支座不易出现脱空现象。
2.3恒载作用下内力（弯矩、剪力）比较
新、旧结构拼接后结构体系发生改变，收缩、徐变引起的相对位移差使得新、旧结构内力发生变化。
由表2.2可以看出，拼接后，由于新桥收缩对旧桥向上拖的作用，旧桥跨中负弯矩继续增大，新桥变形由于受到旧桥的阻碍作用以及收缩徐变的影响，其跨中弯矩较小进一步加剧，但仍未出现正弯矩。拼接前后在拼接位置老桥空心板受新桥上挠所带来的影响，其支座附近剪力呈明显减小。新桥由于上挠过程中受到老桥阻碍作用,其支座附近剪力明显增大。
2.4支座沉降作用下的比较
由于空心板拼接采用铰接连接，新旧桥梁之间主要是通过剪力来进行内力传递。以下是新桥空心板按照沉降2mm进行考虑的计算结果。
由表2.3可以看出，新桥支座沉降对旧桥产生向下的拖动作用，对旧桥产生正弯矩和剪力，旧桥跨中弯矩增大，支座剪力增大，由此可知，沉降将对旧桥产生不利影响。新桥跨中弯矩进一步减小，支座剪力减小，可见沉降对新桥受力有利。沉降还对新、旧桥梁产生一扭矩作用，产生的扭矩较小，不对结构造成大的影响。
2.5活载作用下的比较
在拼接前旧桥采用QC-C20汽车荷载（JTJ021-89规范），新桥采用公路I级汽车荷载（JTGD60-2004），拼接后桥梁均采用公路I级汽车荷载（JTGD60-2004）。拼接前后空心板横向分布系数变化对比见表2.4
从表2.4中可以看出，拼接前后旧桥9#梁由边梁转化为中梁，其横向分布系数明显减小，由于拼接前后结构体系的转变，旧桥其它空心板横向分布系数也有不同程度减小。
2.6拼接前后旧桥内力变化趋势
在恒载、活载、支座沉降作用下，拼接对旧桥受力产生有利和无利的影响，本节将对在这些影响的共同作用下对桥梁产生的影响情况进行汇总分析。表2.5给出了拼接前后空心板梁内力影响变化对比情况。
拼接前后汽车荷载等级由QC-C20汽车荷载（JTJ021-89规范）提升为公路I级汽车荷载（JTGD60-2004），旧桥跨中弯矩在拼接梁附近由于横向分布系数降低的影响比荷载等级提升的影响大，其活载弯矩有所减小，在远离拼接缝处，横向分布系数减小幅度降低，且活载等级提升，跨中弯矩出现明显增加。
3、结论
(1)加宽拼接前后新、旧桥均未出现支座脱空现象。
(2)加宽拼接后旧桥拼接处边梁变中梁，在活载作用下，旧桥空心板跨中弯矩在拼接缝附近9#～12#梁有所减小，其余有所增加。
(3)加宽拼接后旧桥空心板在拼接缝附近9#～12#梁座附近剪力有所减小，其它梁支座附近剪力有所增加。
(4)拼接后需对旧桥空心板最外边梁进行承载力验算以确定结构是否需要进行补偿加固。
