基于公路网提升的分离式桥梁承载能力分析及应用
摘要
关键词
路网提升；分离式桥梁；公路桥梁；承载力；验算
正文
我国的经济和科技水平发展十分迅速，公路网的建设也得到了非常显著的发展，人们对公路通行的要求越来越高。为改善通行条件，现有路网进行拼宽改造较为常见。分离式桥梁在公路路网中较为常见，为了更好的在保证工程质量、降低工程成本，路网提升过程中一般对原有桥梁进行拼宽处理，在工程建设中得到了较为广泛的应用。拼宽后的桥梁应进行承载力验算，验算目的是考虑改造后承载能力、抗裂性能及刚度等能否满足设计规范要求。
一、工程概况
某分离式立交桥进行了扩宽建设，西幅桥基本结构保持不变，在原桥东侧新建了一幅10米宽空心板梁桥。桥梁上部结构采用结构简支，桥面连续型空心板梁桥。西幅桥跨径组合为（5×16+11+2×25+11+5×16）米，东幅桥跨径组合为（5×16+16.6+2×25+11+10.4+4×16）米。
二、路网提升后过桥要求
分离式立交桥原设计荷载等级为汽20挂100，后按公路Ⅱ级荷载，目前限行载重20t，现由于公路改造，考虑提高该立交桥荷载等级，按照《公路桥梁设计规范》（JTG D60-2015）规定的公路Ⅰ级及公路Ⅱ级等两级移动荷载标准对现状桥梁结构的承载能力、抗裂性能及刚度等进行验算。
三、验算分析模型和荷载
采用桥梁结构专业分析软件Midas Civil建立该桥空心板和盖梁的空间有限元模型，包括西幅桥16m跨空心板、东幅桥16m跨空心板、东幅桥25m跨空心板、东幅桥异形8~13m跨空心板、东幅桥异形14~19m跨空心板。
3.1-1 西幅桥16m跨空心板模型图
3.1-2 东幅桥16m跨空心板模型图
3.1-3 东幅桥25m跨空心板模型图
3.1-4 东幅桥异形8~13m跨空心板模型图
3.1-5 东幅桥异形15~19m跨空心板模型图
3.2.1荷载取用
（1）恒载、预应力和收缩徐变
恒载包括结构自重、二期铺装和防撞护栏等，并按照实际情况考虑横向偏心。预应力按照设计考虑。收缩徐变按照10年考虑。
（2）汽车荷载
汽车荷载为两车道，先按照公路Ⅰ验算，不通过再按照公路Ⅱ级验算。
（3）温度荷载
温度荷载考虑温度梯度和整体升降温，按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）规定的梯度温度计算，日照正温差T1采用14℃，T2采用5.5℃，日照反温差T1采用-7℃，T2采用-2.75℃，桥梁竖向温度梯度曲线如图3.2.1所示。设计整体升降温按照设
考虑。
图3.2.1 竖向梯度温度（单位：mm）
3.2.2荷载组合
根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）规范，荷载组合如表3.3.1所示。
表3.2.2-1 计算荷载组合
结构 | 组合类型 | 组合内容 | 备注 |
上部结构 | 组合Ⅰ | 1.2恒载+1.4汽车荷载（计冲击力）+1.0收缩徐变＋1.05温度 | 基本组合 |
组合Ⅱ | 1.0恒载+0.7汽车荷载（不计冲击力）＋1.0预应力+1.0收缩徐变＋0.8温度 | 频遇组合 | |
组合Ⅲ | 1.0恒载+1.0汽车荷载+1.0预应力+1.0+收缩徐变＋1.0温度 | 标准值组合 | |
盖梁 | 组合Ⅳ | 1.0恒载（包括梁板恒载支反力）+1.4汽车荷载支反力最不利位置+1.0收缩徐变＋1.05温度 | 基本组合 |
组合Ⅴ | 1.0恒载（包括梁板恒载支反力）+0.7汽车荷载支反力最不利位置+1.0收缩徐变＋0.8温度 | 频遇组合 |
四、拼宽验算
公路Ⅰ级及公路Ⅱ级等两级移动荷载标准对现状桥梁结构的承载能力、抗裂性能及刚度等进行验算。
4.1 公路承载能力极限状态
根据《公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计规范》(JTG 3362-2018)的相关规定，承载能力极限状态验算需进行正截面抗弯验算与斜截面抗剪验算。
4.1-1 西幅桥16m跨空心板梁桥抗弯承载能力极限状态验算结果图（kN.m）
4.1-2 西幅桥16m跨空心板梁桥抗剪承载能力极限状态验算结果图（kN）
4.2 正常使用极限状态
根据《公路钢筋混凝土及预应力钢筋混凝土桥涵设计规范》(JTG3362-2018)的相关规定，正常使用极限状态验算需进行正截面抗裂验算与斜截面抗裂验算。
图4.2-1 西幅桥16m跨荷载频遇组合下斜截面最大主拉应力包络图（MPa）
4.3 刚度验算
荷载频遇效应组合计算的长期挠度，即为按荷载频遇效应组合所计算得到的挠度值，乘以C50混凝土挠度长期增长系数1.425。
图4.3-1 东幅桥16m跨公路I级荷载频遇组合作用下结构变形图（mm）
4.4 计算结果
桥梁上部结构中东幅桥25m跨径空心板、异形空心板梁桥9~13米跨满足公路I级技术要求。西幅桥16m跨径空心板、东幅桥16m跨径空心板和异形空心板梁桥15~19米跨不满足公路I级技术要求，满足公路Ⅱ级荷载等级技术要求，但安全储备不足，安全富余量偏低，个别控制截面公路II级荷载安全富余量低于10%。
五、拼宽后荷载试验
根据承载能力验算结果，选择西幅第3跨16m跨及西幅第7跨25m跨进行荷载试验，其中16m跨以公路II级荷载进行试验验证，25m跨以公路I级荷载进行试验验证。
荷载试验结果显示16m试验跨静载试验挠度校验系数在0.47～0.56之间，应变校验系数在0.39～0.62之间；25m试验跨静载试验挠度校验系数在0.48～0.58之间。均为超过规范允许值（1.0），空心板的强度、刚度良好，能够满足试验荷载等级要求。
六、结论
（1）桥梁上部结构中拼宽后部分满足公路I级技术要求，桥梁既有部分不满足公路I级技术要求，既有部分满足公路Ⅱ级荷载等级技术要求，但安全储备不足，安全富余量偏低。
（2）路网提升后对既有病害进行有针对性地维修加固处治，同时加强巡检、定检力度，及时发现病害，做好管养维护。
（3）路网提升、桥梁拼宽后，由于连接的公路等级提高、过桥车流量增大、重车过桥增多，桥梁既有部分无法满足目前I级公路通行标准，应做好超载超限车辆管控，并限制重车过桥，做好病害观测，适时维修改建。
参考文献：
[1]《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）；
[2]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018）；
[3]《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011）；
[4]《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363-2019）；
[5]《公路工程技术标准》（JTG B01-2014）；
[6]《公路桥梁板式橡胶支座》（JT/T 4-2019）；
...