桥梁加宽设计探讨
1.概述
随着经济的发展，全国公路运输事业迅猛发展，对道路的等级要求也越来越高。但许多旧桥的设计荷载较低，大多数桥面宽度过小，无法满足目前的交通需求，而重建桥梁费用高，且会引起交通中断，因此迫切需要对其进行改造，桥梁加宽则成为旧桥改造的常用方法。
通过对某简支梁空心板桥在不同加宽方式下结构受力性能影响的计算分析，可以得到两点结论：一是通过有限元分析可以看出，经过加宽后，旧桥的受力性能会得到一定的改善，结构整体承载力得到提高；二是对于空心板桥，横向联系刚度能影响结构的受力性能。
2.数值分析
2．1 工程背景
某简支梁空心板桥为13m，桥面净宽为8.0m，由于道路拓宽，现要求该桥桥面净宽加宽到净12m，设计荷载在加宽前后均为公路I级。拟采用以下方式进行桥梁加宽：单边加宽，新旧板之间铰接连接；双边加宽，新旧板之间铰接。加宽前后的横断面布置见下图1～图3。
2．2 建模与计算
桥梁是个空间结构，当汽车荷载作用在桥梁某个部位时．其荷载的影响将向周围传递，由空间结构的计算模型求出各截面的内力影响面，按最不利位置加载求出最大设计内力，这是十分复杂的。目前大多应用“荷载横向分布”的概念，把空间问题合理地简化为平面问题来解决。该方法先求出横向分布影响线，通过横向最不利位置布载求出各片梁的横向分布系数，横向分布系数在形式上反映的是活载分配到各片梁的比例关系，由该系数就可求出各片梁的最不利内力。因此要计算桥梁的承载力，分析各梁的受力情况，可以通过分析横向分布系数来实现。对桥梁结构进行有限元分析时，应根据桥梁结构型式及分析目的来选择合适的分析方法。对于本桥，结合桥梁结构特点先采用空间模型计算各梁的横向分布系数，再由此计算各梁的受力。计算其横向分布系数时，空心板可采用梁单元；原桥的各梁之间是依靠铰缝进行联系的，铰缝用刚性链杆（截断横粱）来模拟，将刚性链杆一个端点的转动约束全部放松；当梁板之间采用刚性连接时（即横向采用较强大的连接方式），刚接的两板之间不能转动，其刚性链杆两端的转动自由度需全部约束。
为求得横向分布系数，对原桥、单边(双边)加宽桥梁结构在不同连接方式下分别进行建模分析，根据互等定理将单位荷载分别作用于各片梁的跨中，可以得到原桥1～5号板的荷载横向分布影响线。图4为原桥1号梁在不同加宽方式下的荷载横向分布影响线。
在得到各梁横向分布影响线后，根据横向最不利位置布载，可以得到原桥的1～5号板在加宽前后的横向分布系数，具体数值见表1。
由表1可见，除了横向无联系的加宽方式外，其余的都使原桥各板的横向分布系数减小，即分配到原桥各板的荷载减少了，这说明新桥分担了部分荷载，使原桥的结构性能得到了改善，提高了其整体承载能力。旧桥的横向分布系数在横向采用刚接时，比采用铰接时下降得多，即刚接时提高的承载能力相应地大一些。
2．3 方案设计及结构数值分析
单边加宽与双边加宽相比，施工方便、工作量小，可以在不阻断交通的情况下施工，且桥梁结构整体性也好。由于该桥的加宽量较小，单侧加宽不会影响道路与桥梁连接线形的平顺性，且加宽前后桥梁的设计荷载不变，原桥的承载力也已满足要求，故决定采用单侧加宽、新旧桥之间铰接的加宽方式。由于是加宽桥梁，故桥梁的长度、跨径及桥面标高等必须与原桥相协调。新加主梁采用13m预应力混凝土空心板，宽1m，共四片。下部采用钻孔灌注桩基础。为比较该桥加宽前后的工作性能，采用实体单元建模，计算加宽前后桥梁在恒载、汽（挂）车纵向最不利布载下的最大变形、拉应力及压应力，结果如表2所示结构在加宽前后的最大变形及应力的变化量很小，说明加宽后结构的工作性能是正常的，能保证加大交通量情况下的行车安全。
3.结论
3．1 通过有限元分析可以看出，经过加宽后，旧桥的受力性能会得到一定的改善，结构整体承载力得到提高。
3．2 对于空心板桥，新旧结构之间采用刚接连接时比采用铰接连接时承载能力的提高程度相对大一些，说明横向联系刚度能影响结构的受力性能。
参考文献
【1] 中华人民共和国交通部，公路桥涵设计规范(合订本) 【M】，北京：人民交通出版社，1989。
【2】范立础：桥粱工程【M】，北京：人民交通出版社，2001。
【3】李国豪，石洞：公路桥梁横向分布系数计算【M】，北京：人民交通出版社，1987。
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