箱梁拓宽后的力学特性分析

来源:期刊VIP网所属分类:路桥建设发布时间:2012-07-20浏览:

  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

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