加寬橋梁不同拼接模式下的抗震性能比較分析

付玉輝

(遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院，沈陽110005)

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國道主干線已建的高速公路的交通量迅速增長，部分高速公路交通量已趨于飽和，服務(wù)水平嚴(yán)重下降，難以滿足交通發(fā)展的需要，早期修建的高速公路陸續(xù)由雙向4車道擴(kuò)建為雙向6、8車道，由此帶來既有橋梁的橫向拼寬課題.本文針對目前高速公路橋梁拼寬常用的幾種模式，建立有限元模型，分析其成橋狀態(tài)下的抗震性能.

1 橋梁拼接模式概述

從橋梁橫向拼寬的技術(shù)特點(diǎn)來看，新老橋梁的橫向連接方式通常采用以下3種拼接模式[1]:

1)上部構(gòu)造與下部構(gòu)造均不連接;2)上部構(gòu)造與下部構(gòu)造均連接;3)上部構(gòu)造連接下部構(gòu)造不連接;簡稱“上連下不連”.上、下部結(jié)構(gòu)不連接，則相互間為各自獨(dú)立受力的橋;上、下部結(jié)構(gòu)連接，則上、下部結(jié)構(gòu)相互間為共同受力的橋;上或下部結(jié)構(gòu)連接，則上或下部結(jié)構(gòu)相互間為共同受力的橋.

以上三種模式各有優(yōu)缺點(diǎn):上部構(gòu)造與下部構(gòu)造均不連接，加寬橋與原橋各自受力明確、互不影響，簡化了施工程序，基本不影響原路交通;上部構(gòu)造與下部構(gòu)造均連接，加寬橋與原橋形成完整一體，減少各種荷載作用下新老橋連接處的不均衡變形，其缺點(diǎn)為新橋與老橋的上部混凝土梁變形不一致，加寬橋基礎(chǔ)沉降大于原橋基礎(chǔ)沉降，由此產(chǎn)生的附加內(nèi)力加大，易造成下部結(jié)構(gòu)的蓋梁、墩臺連接處產(chǎn)生裂縫，上部結(jié)構(gòu)連接部位也可能出現(xiàn)裂縫，下部結(jié)構(gòu)需采用植筋，成本高、工期長，且需封閉舊橋，對原路交通影響較大;上部構(gòu)造連接下部構(gòu)造不連接，上部連接，形成整體，有利于行車舒適、路面養(yǎng)護(hù)，新橋施工及拼接施工方便，下部結(jié)構(gòu)不連接，各自受力，減少了新橋與原橋的上部結(jié)構(gòu)的變形不一致、新舊橋基礎(chǔ)整體沉降差產(chǎn)生的附加內(nèi)力，下部不連接對原有交通的影響降到最低，其缺點(diǎn)為由于新舊基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，易導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)拼接處開裂[2－3].

以上三種拼接模式在實(shí)際工程中均有應(yīng)用，廣佛高速公路擴(kuò)建工程采用上部構(gòu)造與下部構(gòu)造均不連接;沈大高速公路擴(kuò)建工程采用上部構(gòu)造與下部構(gòu)造均連接;滬杭甬高速公路擴(kuò)建工程采用上部構(gòu)造連接下部構(gòu)造不連接.

2 橋梁概況及模型建立

某高速公路空心板橋4孔一聯(lián)，橋面單幅寬度13 m，采用1.2 m 圓柱，雙柱墩，柱距7 m.本橋所處場地為Ⅲ類場地，分區(qū)特征周期0.35 s，工程場地抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10 g.本文綜合考慮連接方式對成橋后狀態(tài)的不同，根據(jù)加寬寬度的不同，加寬橋下部選擇采用雙柱或單柱.橋梁橫斷面布置如圖1所示.

圖1 加寬橋橫斷面布置

上部構(gòu)造與下部構(gòu)造均不連接，既有橋梁與加寬橋為獨(dú)立橋梁，本文僅考慮上部構(gòu)造均連接，分以下4種情況，利用MIDAS有限元程序建立空間計算模型:加寬橋下部為雙柱、下部連接;加寬橋下部為雙柱、下部不連接;加寬橋下部為獨(dú)柱、下部連接;加寬橋下部為獨(dú)柱、下部不連接.上部空心板橫向采用虛擬梁連接形成整體，板式橡膠支座采用空間彈簧模擬，樁基礎(chǔ)采用6根彈簧模擬樁土作用.空間模型如圖2、3所示.

圖2 原橋結(jié)構(gòu)模型

圖3 加寬橋結(jié)構(gòu)模型

3 計算結(jié)果及分析

采用反應(yīng)譜方法，對本文建立的有限元模型，進(jìn)行水平地震作用下的地震反應(yīng)分析.地震輸入采用橫橋向和順橋向兩種方式，不考慮豎向地震作用，對采用不同加寬方式加寬后成橋狀態(tài)的抗震性能進(jìn)行了分析.其地震分析結(jié)果如表1～7所示.

表1 雙柱加寬前5階頻率及振型比較表

表2 單柱加寬前5階頻率及振型比較表

表3 雙柱加寬新建橋墩彎矩比較表

表4 獨(dú)柱加寬新建橋墩彎矩比較表

表5 獨(dú)柱加寬既有橋墩彎矩比較表

表6 E2地震作用下雙柱加寬新建橋墩位移比較表

從表1、2可知，加寬模式的選擇對結(jié)構(gòu)頻率及振型影響不大，從表3可看出，在E1及E2地震作用下，對于采用雙柱加寬的橋梁，從抗震角度考慮，下部連接方式的改變對新建橋墩整體受力影響不大，最大為9.5%.從表4、5可看出，對于采用獨(dú)柱加寬的橋梁，下部連接方式的改變對既有橋墩受力影響不大，而對于新建橋墩，由于上連下不連，獨(dú)柱加寬新建橋墩塑性鉸只位于橋墩底部，順橋向墩底彎矩影響不大，橫橋向墩底及墩頂彎矩影響較大，采用上下部均連接的加寬方式，新建獨(dú)柱墩受力上下均勻，采用上連下不連加寬方式，新建獨(dú)柱墩墩底彎矩與墩頂彎矩差別加大，且最大值大于上下部均連接的加寬方式，該受力模式不利于橋墩配筋設(shè)計.從表6、7的位移比較來看，對于采用獨(dú)柱加寬的橋梁，上連下不連加寬方式的Y向位移明顯大于上下部均連接的位移.

表7 E2地震作用下獨(dú)柱加寬新建橋墩位移比較表

4 結(jié)語

本文通過建立的有限元模型，進(jìn)行了“上下部均連接”與“上連下不連”兩種拼接模式下的抗震性能分析，可得出以下結(jié)論:對于采用雙柱加寬的橋梁，兩種加寬模式下抗震能力相差不大;對于采用獨(dú)柱加寬的橋梁，采用上下部均連接的加寬模式要優(yōu)于上連下不連加寬模式.

[1]張海龍，代筠杰，張世平，等.高速公路橋梁擴(kuò)建關(guān)鍵技術(shù)研究[J].公路，2010(5):1－6.

[2]吳文清，付佳佳，單宏偉，等.高速公路寬幅空心板梁橋橫向拓寬結(jié)構(gòu)形式的比較[J].公路交通科技，2012(3):93－98.

[3]焦彥利.板式橋梁加寬設(shè)計[J].北方交通，2012(8):57－59.