拓寬T形梁橋橫向分布系數(shù)計(jì)算方法研究

黨利民

（山西省忻保高速公路建設(shè)管理處，山西 忻州034000）

1 引言

由于中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，車流量也快速增長，當(dāng)前道路基礎(chǔ)設(shè)施已無法滿足日益增長的交通需求。僅僅只依靠新建公路和橋梁來適應(yīng)日益增長的交通量需求，不僅僅是浪費(fèi)現(xiàn)有公路和土地資源，并且實(shí)現(xiàn)的可能性也很小。所以合理地利用正在使用的公路橋梁，通過對(duì)正在使用的公路橋梁進(jìn)行擴(kuò)建，以提高橋梁的通行能力和荷載等級(jí)，是一條可行的途徑，也是現(xiàn)階段大力推行的一種方法[1]。

對(duì)于帶有橫隔板的鋼筋混凝土T形梁橋，舊橋的邊梁與新增構(gòu)件在梁肋處連接是前蘇聯(lián)提出的拓寬原則。在拓寬一座有多片梁的鋼混簡支梁橋工程中，由于拓寬后翼緣板受力改變且邊梁的承載力下降較大，所以為了增大邊梁的剛度，前蘇聯(lián)道路科學(xué)研究院提出了如圖1所示的加寬方法[2]。

圖1 上部結(jié)構(gòu)拓寬拼接（單位：cm）

近幾年，俄羅斯在進(jìn)行小跨徑橋梁拓寬時(shí)，由于大部分新老橋梁結(jié)構(gòu)之間沒有連接，只有行車道板的墊層相連接。在實(shí)際應(yīng)用后發(fā)現(xiàn)，由于沒有進(jìn)行可靠的橫向連接，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了如防水層裂縫、板底裂縫、路面裂縫等問題。

鑿除邊梁的翼緣板一定長度的方法是國內(nèi)T形梁橋常常采用的拓寬方案，通過現(xiàn)澆混凝土和橫隔梁（板）連接新舊T梁，如圖2所示[3]。

圖2 國內(nèi)T梁橋的拓寬連接方法（單位：cm）

國內(nèi)在進(jìn)行T形梁橋拓寬時(shí)，為了解決橋梁拓寬后由于新舊橋梁結(jié)構(gòu)的不均勻沉降所引起的撓度和內(nèi)力的變化，常用的做法是利用與原結(jié)構(gòu)相同的T梁進(jìn)行拓寬，使新舊部分變形協(xié)調(diào)一致，構(gòu)成一個(gè)整體。有時(shí)為了提高設(shè)計(jì)等級(jí)或者施工方便，才會(huì)使用與舊橋不同的形式進(jìn)行梁橋拓寬。

目前，針對(duì)不同的施工工藝及拼接構(gòu)造，國內(nèi)很多學(xué)者對(duì)新、老T形橋梁結(jié)構(gòu)性能、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法、新舊橋結(jié)構(gòu)的收縮徐變差異及不均勻沉降等在拓寬后對(duì)結(jié)構(gòu)性能的影響等問題進(jìn)行了研究。

到目前為止，在T梁橋拓寬方面的研究，大部分還是停留在就具體事例進(jìn)行具體分析和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的層面上，對(duì)T 形梁橋拓寬方案的研究還不全面。同時(shí)很多舊橋已難以滿足不斷更新的規(guī)范要求，隨著車流量的增加和公路等級(jí)的提高，以及受經(jīng)濟(jì)、凈空等條件的限制，在拓寬的同時(shí)，還需要提高舊橋的承載力。這時(shí)候，T形梁橋的拓寬就需要?jiǎng)偠群艽蟮闹髁?，而目前為止國?nèi)外對(duì)此研究得很少。本文針對(duì)T形梁橋拓寬時(shí)可能存在的問題，提出在選擇拓寬方法時(shí)，主要依據(jù)公路橋涵通用圖，具有通用性，可為今后類似情況下的橋梁拓寬提供參考。本文主要研究內(nèi)容如下：（1）拓寬T形梁橋的主梁不同連接方式的荷載橫向分布系數(shù)的計(jì)算模式；（2）通過對(duì)梁格法和剛接梁法兩種方法的對(duì)比，確定了無橫隔梁和有橫隔梁拓寬拼接T梁橋的有效荷載橫向分布系數(shù)的計(jì)算方式，同時(shí)對(duì)比了在兩種連接方式下，橋面板拓寬前后新、老橋的各梁橫向荷載分布系數(shù)的變化規(guī)律。

2 T梁橋在拓寬時(shí)的荷載橫向分布計(jì)算

近年來，隨著工程師對(duì)橋梁拓寬的研究增加，較常采用的是橋面板、橫隔梁和翼緣板均相連接的連接方式。小跨徑鋼筋混凝土橋梁主梁可采用前蘇聯(lián)提出的拼接法。

然而對(duì)于拓寬梁橋來說，最重要的改變是拓寬后橫向分布系數(shù)的變化。不同的拼接拓寬方式可采用不同的計(jì)算模式，確定合理正確荷載橫向分布系數(shù)的計(jì)算方式對(duì)拼接拓寬設(shè)計(jì)及以后的荷載試驗(yàn)都有重要的影響。

2.1 有橫隔梁連接的T形梁橋荷載橫向分布計(jì)算模式

目前關(guān)于有橫隔梁連接的T形梁橋橫向分布系數(shù)的計(jì)算，已有許多人做過研究，一般情況下采用現(xiàn)有的荷載橫向分布系數(shù)的計(jì)算方法就能實(shí)現(xiàn)。對(duì)比各個(gè)橫向分布系數(shù)的計(jì)算方法的適用范圍，認(rèn)為適用的是剛接梁法和比擬正交異性板法[4]。

荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算模型：舊橋?yàn)殇摻罨炷梁喼偨覶 形梁橋，跨度L=19.5m，橋面凈寬為7m，有5根預(yù)制T形主梁，每根等截面T梁有2根端橫梁，每根常截面T梁有3根內(nèi)橫梁，橫隔梁間距為4.88m，采用單側(cè)形式拓寬，采用與原截面T 梁相同截面的拓寬主梁，拓寬部分橫斷面及T梁截面如圖3 所示。T 梁編號(hào)為：舊橋主梁變化梁從左到右分別為1、2、3、4、5，拓寬新梁編號(hào)從左到右分別為6、7、8、9。求拓寬后荷載的橫向分布系數(shù)。

圖3 橫斷面布置圖（單位：cm）

2.1.1 有橫隔梁連接的T形梁橋荷載橫向分布系數(shù)的變化規(guī)律

對(duì)于橫隔梁連接的T形梁橋，使用剛接梁法計(jì)算時(shí)，可近似地把橫隔梁與實(shí)有橋面板一起轉(zhuǎn)化成等剛度的虛擬橋面板來計(jì)算，具體方法見《公路橋梁荷載橫向分布計(jì)算》[5]。

計(jì)算荷載橫向分布系數(shù)時(shí)，通過MIDAS/CIVIL軟件用梁格法建立有限元模型，如圖4所示。在有橫隔梁的地方用橫隔梁連接，無橫隔梁的地方用虛擬橫梁連接，虛擬梁的厚度與翼板的厚度相同，寬度取虛擬梁中距。對(duì)跨中施加移動(dòng)荷載，提取各梁的撓度值，用各片梁的撓度值確定橫向影響線[6]，通過橫向影響線，求得橫向荷載分布系數(shù)[7]。

圖4 梁格法有限元模型圖

由圖5可見，不同的兩種荷載橫向分布系數(shù)的計(jì)算結(jié)果數(shù)值相差不大，變化趨勢基本一致。整體來說，梁格法計(jì)算數(shù)值比剛接梁法計(jì)算結(jié)果稍小，但誤差都不大，在2%以內(nèi)。由計(jì)算結(jié)果可知，剛接梁法可以用來計(jì)算有橫隔梁的T梁拓寬梁橋荷載橫向分布系數(shù)。

圖5 兩種方法荷載橫向分布系數(shù)對(duì)比

2.1.2 有橫隔梁連接的T形梁橋拓寬前后橫向分布系數(shù)

同時(shí)，將新、舊橋的各片梁的荷載橫向分布系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

圖6 拓寬前后舊橋荷載橫向分布系數(shù)對(duì)比圖

由圖6可看出，采用有翼緣板、橫隔梁和橋面的，主梁拓寬橋梁后，舊橋主梁只有1#梁的橫向荷載分布系數(shù)略有增加，而2#～5#主梁都略有降低，并且以舊橋的加寬側(cè)邊梁減小最為明顯。新橋中梁為加寬側(cè)的舊橋邊梁，該邊梁對(duì)于提高荷載的效果明顯，但對(duì)未拓寬側(cè)邊梁的受力有不利的影響。

2.2 無橫隔梁連接的T 形梁橋荷載橫向分布計(jì)算模式

中小跨徑的T形梁橋常采用無橫隔梁連拓寬拼接方式。對(duì)于這種連接方式，《公路橋梁荷載橫向分布計(jì)算》一書中也給出了計(jì)算方法。其橫向荷載分布系數(shù)的計(jì)算模型與2.1節(jié)中實(shí)例舊橋完全相同，新橋拓寬連接形式也完全相同，只是在新橋和舊橋的連接處不設(shè)橫隔梁，新舊橋梁橫隔梁不相連，其拓寬后橫斷面如圖7所示。

圖7 橫斷面布置圖（單位：cm）

2.2.1 無橫隔梁連接的荷載橫向分布系數(shù)

用剛接梁法計(jì)算荷載橫向分布系數(shù)的方法是通過橋面板和T梁翼緣相連接，采用無橫梁的剛接梁法進(jìn)行橫向分布系數(shù)的計(jì)算。由《公路橋梁荷載橫向分布計(jì)算》[8]求出各梁在汽車荷載作用下橫向分布影響線坐標(biāo)值。通過各片梁的橫向分布影響線坐標(biāo)值計(jì)算出荷載橫向分布系數(shù)。

同2.1.1 節(jié)計(jì)算方法相同，建立MIDAS 模型，無橫隔梁連接的部分采用虛擬橫梁剛接連接，虛擬梁取法與2.1.1 節(jié)相同，進(jìn)而求出荷載橫向分布系數(shù)。剛接梁法和梁格法計(jì)算結(jié)果的對(duì)比如圖8所示。

圖8 兩種方法荷載橫向分布系數(shù)對(duì)比

由圖8可知，用兩種方法計(jì)算得到的邊梁的荷載橫向分布系數(shù)基本相同，誤差在1%以內(nèi)，但無橫隔梁連接的拼接拓寬部分的4#、5#、6#梁的計(jì)算結(jié)果相差較大。各片梁的橫向荷載分布系數(shù)變化規(guī)律趨勢基本一致，梁格法的計(jì)算結(jié)果比剛接梁法計(jì)算結(jié)果稍小。由計(jì)算結(jié)果可知，認(rèn)為無橫隔梁的剛接梁法僅翼緣板剛接起連接作用屬過低估計(jì)。但是作為拼接拓寬的關(guān)鍵位置，可能會(huì)出現(xiàn)各種問題，偏安全地考慮荷載橫向分布系數(shù)是合理的。所以剛接梁法可以用來計(jì)算無橫隔梁連接的T梁拓寬梁橋橫向荷載分布系數(shù)。

2.2.2 無橫隔梁連接梁橋拓寬前后荷載橫向分布系數(shù)

由圖9可知，采用有翼緣和橋面板的拓寬方式拓寬橋梁后，舊橋主梁只有1#梁的橫向荷載分布系數(shù)有所增加，2#梁系數(shù)基本不變，其他主梁均相應(yīng)減小，5#梁（拓寬拼接側(cè)）位置荷載橫向分布系數(shù)減小量變小，加寬側(cè)邊梁荷載的承載力提高效果明顯。

圖9 拓寬前后舊橋荷載橫向分布系數(shù)對(duì)比圖

2.3 不同的拓寬連接方式橫向荷載分布系數(shù)比較

對(duì)剛接梁法求得的兩種拓寬方式的橫向分布系數(shù)對(duì)比見圖10。由圖10 可知，無橫隔梁連接時(shí)各梁荷載橫向分布系數(shù)明顯大于有橫隔梁連接的各梁荷載橫向分布系數(shù)。荷載橫向分布系數(shù)差值更加明顯的是無橫隔梁連接的新舊主梁加寬位置處的主梁及其相鄰主梁。無橫隔梁的連接方式新橋邊梁部分荷載橫向分布系數(shù)的反而較小。而舊橋部分荷載橫向分布系數(shù)都較大。

圖10 兩種拓寬方式荷載橫向分布系數(shù)對(duì)比

將用剛接梁法求得的兩種不同的拓寬方式的新舊橋部分拓寬前后的荷載橫向分布系數(shù)進(jìn)行對(duì)比，見圖11。可以看出，有橫隔梁連接方式對(duì)于減輕舊梁的荷載作用比無橫梁連接方式明顯，同時(shí)未拓寬一側(cè)邊梁荷載橫向分布系數(shù)提高較小。

故對(duì)于有橫隔梁的舊橋，在拓寬時(shí)，若施工條件允許，建議選用選擇有橫隔梁的拓寬連接方式，將新、舊橫梁連接組合起來成為一個(gè)整體。若不方便設(shè)置橫隔梁，則應(yīng)加強(qiáng)橋面板與翼緣的連接。

圖11 拓寬前后舊橋荷載橫向分布系數(shù)對(duì)比圖

3 結(jié)語

本文對(duì)兩種拓寬方式下的橫向荷載分布系數(shù)計(jì)算模式進(jìn)行了研究。根據(jù)幾種常用的荷載橫向分布系數(shù)計(jì)算方法的適用范圍，挑選出合適的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算，并與梁格法計(jì)算結(jié)果作對(duì)比，得出剛接梁法能夠作為拓寬T形梁橋荷載橫向分布系數(shù)的有效計(jì)算方法。

無橫隔梁連接梁格法與剛接梁法在新舊橋主梁拼寬處計(jì)算結(jié)果相差較大，剛接連接的作用被過低地估計(jì)，從而使得橫向分布系數(shù)較大。然而有橫隔梁連接梁格法與剛接梁法的計(jì)算結(jié)果基本一致。

對(duì)比拓寬前后兩種方法計(jì)算的荷載橫向分布系數(shù)變化規(guī)律，能夠看出橋梁的拓寬對(duì)舊橋部分有明顯的提高荷載的作用，但是未拓寬一側(cè)邊梁提載作用并不明顯，甚至橫向荷載分布系數(shù)可能會(huì)提高。

對(duì)比兩種拓寬方式下各片梁橫向荷載分布系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，無橫隔梁的連接方式對(duì)舊橋提載作用不如有橫隔梁的連接方式明顯，未拓寬一側(cè)的邊梁橫向荷載分布系數(shù)提高幅度很小，整體的橫向分布系數(shù)也較小；沒有橫隔梁的連接方式只有新橋邊梁處的橫向分布系數(shù)較小，拼接部分的T梁荷載橫向分布系數(shù)都較大，對(duì)拓展連接的舊橋邊梁較為不利，由此可知有橫隔梁的連接方式更為合理。

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