箱梁拓宽后的力学特性分析
摘要：研究结果表明：新、旧桥横向拼接后，在汽车活载作用下旧桥的悬臂板受力、主桥跨中截面和悬臂端部等挠度变形有明显改善作用。横向拼接采用铰接方案时应力状态优于刚接方案，挠度变形则无明显差异，原则上可优先考虑铰接方案。拼接后翼缘板厚没有必要增大。本文研究成果可对桥梁拓宽工程提供一定的参考。
关键词：箱梁;拓宽;应力;挠度;接缝
1.绪论
高速公路拓宽工程目前在国内开始兴起。对于高速公路全线扩建的桥梁拓宽，为了保证设计的质量和提高工作效率，必须在高速公路扩建的技术标准和总体方案基础上，对桥梁拓宽的结构型式和构造进行研究，既要考虑拓宽结构使用性能还要考虑施工可行性。本文结合某高速公路扩建的技术要求，参照国内外工程的建设经验[1]-[5]，对预应力混凝土箱梁梁桥拓宽后的力学特性进行了相关研究。
2.空间有限元分析
主桥为三跨变截面连续预应力钢筋混凝土箱梁。桥跨为38.5m+65m+38.5m，大桥全长142m。原桥宽为12.5m。加宽为半幅对称加宽，加宽后大桥宽20.5m。新旧桥的模型见图1。x方向为横向，y方向为竖向，z方向为纵向。
按汽车-超20级加载，对于新、旧桥，横向布置4列车。根据《规范》横向布置4列车队时，荷载应乘以折减系数0.67。荷载布置形式为将车队的重车布置在中跨的跨中截面，其余车辆按《规范》布置。将荷载直接施加桥面板上，将产生过高的局部应力，因此，将荷载按轮载作用面积均布施加在桥面上。根据规范规定按45°扩散后轮载作用面积为0.8m×0.4m。
荷载工况布置为：
工况1-旧桥横向4列车队布置在旧桥距缘石50cm处;
工况2-新旧桥接缝铰接横向4列车队布置在旧桥距缘石50cm处;
工况3-新旧桥接缝刚接横向4列车队布置在旧桥距缘石50cm处;
工况4-新旧桥接缝铰接横向4列车队对称布置在新旧桥接缝处;
工况5-新旧桥接缝刚接横向4列车队对称布置在新旧桥接缝处。
3.拓宽后原桥内力比较
拓宽后，原桥、拓宽后新桥的横向正应力、竖向剪应力及接缝处的竖向挠度见表1、表2、表3。表1、表2中的应力值为图3中各点位的应力值。图3中3点位于旧桥悬臂板根部上缘;2点位于旧桥悬臂板根部下缘。
沿桥的纵向取各跨跨中截面、l/2截面各点的应力值。
表1 新、旧桥接缝处横向正应力计算结果
|
工况 |
计算点位 |
横向正应力σx（Mpa） |
|
左边跨 |
中跨 |
右边跨 |
|
支座 |
L/2 |
支座 |
支座 |
L/2 |
支座 |
支座 |
L/2 |
支座 |
|
工况1 |
1 |
0.0085 |
-0.004 |
0.35 |
0.35 |
0.76 |
0.29 |
0.29 |
0.52 |
-0.0046 |
|
2 |
-0.16 |
0.22 |
0.12 |
0.12 |
-0.55 |
0.099 |
0.099 |
-0.51 |
-0.097 |
|
工况2 |
1 |
0.0028 |
-0.095 |
0.25 |
0.25 |
-0.071 |
0.19 |
0.19 |
-0.25 |
0.19 |
|
2 |
-0.2 |
0.13 |
0.076 |
0.076 |
0.25 |
0.16 |
0.16 |
-0.20 |
-0.17 |
|
工况3 |
1 |
0.028 |
-0.094 |
0.24 |
0.24 |
-0.056 |
-0.13 |
-0.13 |
0.25 |
-0.20 |
|
2 |
-0.20 |
0.13 |
-0.076 |
-0.076 |
0.23 |
0.062 |
0.062 |
-0.21 |
-0.16 |
|
工况4 |
1 |
0.096 |
0.064 |
0.27 |
0.27 |
0.84 |
0.22 |
0.22 |
0.38 |
-0.19 |
|
2 |
0.64 |
-0.077 |
0.084 |
0.084 |
-0.92 |
0.07 |
0.07 |
-0.49 |
0.11 |
|
工况5 |
1 |
0.085 |
0.046 |
0.27 |
0.27 |
0.77 |
0.22 |
0.22 |
0.37 |
0.20 |
|
2 |
0.50 |
-0.06 |
0.082 |
0.082 |
-0.84 |
0.068 |
0.068 |
-0.47 |
0.098 |
表2 新、旧桥接缝处剪应力计算结果
|
工况 |
计算位置 |
竖向剪应力τxy（Mpa） |
|
左边跨 |
中跨 |
右边跨 |
|
支座 |
L/2 |
支座 |
支座 |
L/2 |
支座 |
支座 |
L/2 |
支座 |
|
工况1 |
1 |
0.025 |
0.01 |
0.049 |
0.049 |
-0.019 |
0.009 |
0.009 |
-0.039 |
-0.002 |
|
2 |
0.037 |
-0.00016 |
-0.024 |
-0.024 |
0.074 |
-0.015 |
-0.015 |
0.017 |
0.20 |
|
工况2 |
1 |
-0.025 |
-0.0023 |
0.0005 |
0.0005 |
-0.18 |
0.0008 |
0.0008 |
-0.10 |
0.0012 |
|
2 |
-0.033 |
0.00001 |
-0.015 |
-0.015 |
0.10 |
-0.0067 |
-0.0067 |
0.0023 |
0.0036 |
|
工况3 |
1 |
-0.022 |
-0.022 |
0.005 |
0.005 |
-0.17 |
-0.009 |
-0.009 |
-0.1 |
0.015 |
|
2 |
-0.032 |
0.0002 |
-0.015 |
-0.015 |
0.1 |
-0.007 |
-0.007 |
0.024 |
0.038 |
|
工况4 |
1 |
0.099 |
0.028 |
0.0013 |
0.0013 |
0.11 |
0.0054 |
0.0054 |
0.0034 |
-0.014 |
|
2 |
0.12 |
-0.0091 |
-0.021 |
-0.021 |
-0.036 |
-0.012 |
-0.012 |
-0.015 |
0.32 |
|
工况5 |
1 |
0.096 |
0.024 |
0.0011 |
0.0011 |
0.095 |
0.053 |
0.053 |
-0.0011 |
-0.01 |
|
2 |
0.12 |
-0.0093 |
-0.021 |
-0.021 |
-0.036 |
-0.012 |
-0.012 |
-0.016 |
0.31 |
表3 接缝处、跨中最大位移
|
|
跨中最大位移（cm） |
接缝处（悬臂端部）最大竖向位移（cm） |
|
原桥 |
工况1 |
1.262 |
1.308 |
|
拓宽后原桥 |
工况2 |
0.971 |
0.678 |
|
工况3 |
0.97 |
0.691 |
|
工况4 |
0.748 |
0.984 |
|
工况5 |
0.753 |
0.931 |
从表1、表2中可以看出，各点的横向正应力值较小。最大拉应力值1.36Mpa，位于接缝处6点中跨跨中截面，由工况5作用的荷载产生。各点的竖向剪应力值也较小。最大剪应力为工况4作用荷载下产生值为0.32Mpa，位于原桥悬臂板根部2点右边跨支座处。
根据桥规，汽车荷载作用下跨中最大竖向挠度规定的限值为l/600，本桥为10.83 cm。悬臂体系的端点挠度规定的限制为l/300，本桥为1cm。表3中的跨中竖向挠度值、接缝处挠度值均满足规范要求。同时，横向拼接改善了原有旧桥的受力变形，效果显著。
从计算结果可知，接缝处采用刚接方案时，在中跨跨中截面新、旧桥接缝处横向正应力
明显大于铰接方案。同时接缝处(即悬臂端部)最大竖向位移在两种方案下无明显差异。由此看来，翼板拼接时刚度不宜过大，连接刚度减小反而有利于改善受力状况。
4.新旧桥接缝处板厚对接缝处应力的影响
分析了新旧桥接缝处板厚分别为17.6cm、21.2cm、24.8cm三种情况。这三种情况分别对应将旧桥箱梁悬臂板凿除50cm、100cm、150cm。图中给出的应力值是5点的应力值。
5.结论
通过以上计算，可初步得出以下结论：1、新、旧桥横向拼接后，在汽车活载作用下旧桥的悬臂板受力、主桥跨中截面和悬臂端部等挠度变形有明显改善作用。2、横向拼接采用铰接方案时应力状态优于刚接方案，挠度变形则无明显差异，原则上可优先考虑铰接方案。3、拼接后翼缘板厚没有必要增大。
参考文献：
[1] 李满红，肖清亮.浅谈改建公路中加宽桥梁的合理设计.东北公路，1994,第四期,p58-62
[2] 鲁昌河.广佛高速公路新旧桥梁结构连接试验段设计.广东公路交通，2003年第4期，p24-27
[3] 黄姝，刘守良.对旧桥加宽的几点看法.东北公路，1997第20卷第4期,p45-47
[4] 张世平，廖朝华.桥涵构造物扩建的勘察方法与拼接设计思路. 高速公路扩建工程技术研究会论文集，P258-265
[5]茅兆祥，桂炎德，陆耀中.梁式体系桥梁纵向拼接缝设计、分析与施工.高速公路扩建工程技术研究会论文集，P270-277
