黃永超

（山西路橋第一工程有限責(zé)任公司，山西 太原 030006）

隨著國內(nèi)交通事業(yè)的大力發(fā)展，高速公路網(wǎng)域逐年遞增，但早期修建的高速公路已無法滿足現(xiàn)有的交通量需求，急需對已有的高速公路進(jìn)行擴(kuò)建改造。

高速公路的擴(kuò)建改造必然涉及到橋梁拼寬改造。目前國內(nèi)大多數(shù)學(xué)者針對空心板，T梁等橋型的拼寬問題研究已很成熟，而裝配式小箱梁相對研究較少[1-2]。橋梁拼寬改造的成功關(guān)鍵在于選取合適的橫向連接方式。因此有必要研究不同橫向連接方式對拓寬裝配式小箱梁混合受力性能的影響[3]。

1 裝配式箱梁主梁橫向連接構(gòu)造

依托工程為430 m預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁。舊橋單側(cè)拓寬，加寬7.5 m。新舊橋主梁橫向連接方式有鉸接、半剛接、弱剛接、強(qiáng)剛接4種方式，連接構(gòu)造示意如圖1所示。

2 有限元模型的建立

2.1 結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)

依托工程中新橋、舊橋的邊，中梁跨中截面尺寸如表1所示，拓寬后橋梁橫截面布置和主梁編號如圖2所示。

圖1 裝配式小箱梁主梁橫向連接構(gòu)造（單位：cm）

表1 結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù) cm

圖2 拓寬后箱梁主梁編號示意（單位：cm）

2.2 建立有限元模型

采用MIDAS CIVIL軟件建立空間梁格模型，新舊橋結(jié)構(gòu)之間按照鉸接、弱剛接、強(qiáng)剛接3種橫向連接方式分別建立相對應(yīng)的模型。在梁格建模時(shí)，將主梁作為縱向單元，橫橋向依據(jù)實(shí)際橫向剛度采用虛擬橫梁與主梁連接起來。虛擬橫梁只有剛度（不計(jì)質(zhì)量），從而實(shí)現(xiàn)對橫向剛度的模擬。

鉸接模型是在弱剛接模型的基礎(chǔ)上，通過對應(yīng)單元釋放梁端約束來實(shí)現(xiàn)；強(qiáng)剛接模型是在弱剛接模型的基礎(chǔ)上，在拼接部位建立相應(yīng)的橫隔梁。為了保證計(jì)算分析新舊主梁受力大小和變化趨勢的準(zhǔn)確性，應(yīng)確定單元的劃分?jǐn)?shù)量合理，數(shù)值仿真模型見圖3。

圖3 數(shù)值仿真模型

2.3 計(jì)算工況的確定

以不同橫向連接方式的拓寬橋?yàn)橐罁?jù)定義計(jì)算工況如表2所示。

表2 計(jì)算工況

2.4 控制截面的選取

由于有限元模型的建立采用4跨連續(xù)箱梁。選取前兩跨的跨中、內(nèi)支座截面作為控制截面，提取主梁控制截面的內(nèi)力和撓度來對比分析?？刂平孛娴倪x取及編號如圖4所示。

圖4 控制截面選取及編號示意

3 分析與評價(jià)

3.1 荷載橫向分布系數(shù)

選取邊跨跨中截面作為分析對象，拓寬前后主梁的橫向分布系數(shù)對比如圖5所示。

圖5 拓寬前后主梁邊跨跨中橫向分布系數(shù)

由圖5可知：采用不同橫向連接方式拓寬改建后，舊橋各梁的橫向分布系數(shù)均明顯低于拓寬前舊橋各梁的橫向分布系數(shù)，表明拓寬后加寬部分新橋承擔(dān)了部分活載，減輕了舊橋主梁所承擔(dān)的荷載，拓寬后結(jié)構(gòu)的整體工作性能得到了改善，結(jié)構(gòu)承載能力得到提高。

3.2 控制截面內(nèi)力

通過荷載橫向分布系數(shù)的研究，確定在活載作用下橋梁最不利狀態(tài)為兩車道偏載布置。

以邊跨跨中截面為研究對象，比較評判不同拓寬方式對箱梁混合受力的影響。

表3 舊橋主梁控制截面彎矩表 kN·m

由表3可知：舊橋邊梁（①號梁）的各控制截面彎矩值拓寬后比拓寬前有所降低。3種不同橫向連接方式對原橋主梁的受力有一定改善，且改善程度按鉸接、弱剛接、強(qiáng)剛接拓寬方式依次增強(qiáng)，但增加的程度稍小。鉸接拓寬方式及弱剛接拓寬方式影響程度相同，邊跨跨中的正彎矩值降低了5.9%；而強(qiáng)剛接拓寬方式下，邊跨跨中的正彎矩值降低了6.3%。不同連接方式對舊橋主梁彎矩改善程度如圖6所示。

圖6 舊橋拓寬后主梁彎矩降低程度

由圖6可知：舊橋拓寬后主梁彎矩降低程度從邊梁到中梁逐漸增大。相比其他兩種拓寬方式，強(qiáng)剛接拓寬方式對中梁的改善程度較大。

以邊跨跨中截面為研究對象，比較評判不同拓寬方式對箱梁混合受力的影響。

表4 舊橋主梁控制截面撓度表 mm

由表4可知：舊橋邊梁（①號梁）的各控制截面撓度值在拓寬后比拓寬前有較小程度降低。3種不同橫向連接方式對原橋邊梁的撓度有一定改善，且改善程度按鉸接、弱剛接、強(qiáng)剛接拓寬方式依次增強(qiáng)，但增加的程度較小。鉸接拓寬方式及弱剛接拓寬方式影響程度相同，邊跨跨中的下?lián)隙戎禍p小了9.2%；而強(qiáng)剛接拓寬方式下，邊跨跨中的下?lián)隙戎禍p小了9.7%。不同連接方式對舊橋主梁撓度改善程度如圖7所示。

由圖7可知：舊橋拓寬后主梁撓度降低程度從邊梁到中梁逐漸增大。相比其他兩種拓寬方式，強(qiáng)剛接拓寬方式對中梁的改善程度較大。

4 結(jié)語

圖7 舊橋拓寬后主梁撓度降低程度

本文以某座430 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁拓寬改造為依托，研究了新舊橋之間不同橫向連接方式對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的影響，得到如下結(jié)論：

a）從荷載橫向分布規(guī)律可知，拓寬后舊橋各梁的橫向分布系數(shù)均明顯低于拓寬前舊橋各梁的橫向分布系數(shù)。隨著連接方式剛度的增強(qiáng)，舊橋各梁的荷載橫向分布系數(shù)降低。

b）從內(nèi)力分析可知，在活載作用下，相比于拓寬前，拓寬后舊橋邊梁的彎矩值降低6%左右，有利于改善舊橋的受力狀況。不同橫向連接方式對舊橋主梁的受力影響差異不大，從貢獻(xiàn)程度來說，強(qiáng)剛接拓寬方式對舊橋主梁受力上的貢獻(xiàn)最大，鉸接拓寬方式最小。

c）從變形分析可知，相比于拓寬前，拓寬后舊橋邊梁的撓度值降低9%左右。其改善程度按鉸接、弱剛接、強(qiáng)剛接拓寬方式依次增強(qiáng)。