CN114045738B - 一种桥梁拓宽设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桥梁拓宽设计优化方法，基于特定工程条件或结构本身原因造成，无法使用同结构拼宽时，通过计算新旧结构的单位宽度刚度比m值，以及新旧结构m值之比n，用以选取合理的不同类型拓宽结构，对桥梁进行拓宽设计。本申请提出一种桥梁拓宽设计方法，能快速有效拟定适合不同结构类型的几何参数，再基于工程中常用的截面形式，拟定具体尺寸，为设计提供合理的拓宽结构选择方案，公式简单易行，对于工程设计具有很强的实际意义。

Description

一种桥梁拓宽设计方法

技术领域

本申请涉及一种桥梁设计方法，具体涉及一种桥梁拓宽设计方法，属于桥梁建设施工设计技术领域。

背景技术

近年来，随着我国经济建设高速发展，交通流量不断攀升。现有路网的交通承载量与国家和人们的实际使用需求出现了不匹配的情况，导致交通拥堵和出行困难，一定程度上已经成为阻碍生活秩序和经济发展的“瓶颈”。如何提升交通承载能力，一个选择是建立新的交通路网，这势必引起对土地的需求以及对现有资源的浪费，导致成本较高；另一个选择是基于现有的交通路网，对其进行拓宽改造，既利用了现有的资源，也降低了工程的成本，是一个具有较大优势的方法。

桥梁的拓宽改造是整个交通路网拓宽工程中的重难点。在进行现有桥梁的拓宽改造时，由于中小跨径的预制装配式桥梁成本低，工厂预制导致工程质量较好，节约工期且受力简单，占有较大的比例。这其中，以预制空心板结构所占比重最大。而空心板结构的桥建设过分追求经济指标，忽略构造细节及抗力储备。在使用过程中易出现各种病害：由于支座过多，支座易脱空，支座脱空后导致铰缝破损，铰缝破损出现单板受力情况，从而出现结构裂缝和损伤，铰缝和结构破损又会致使铺装出现问题。

由于预制空心板梁存在以上诸多病害，近年来，行业内已形成共识，不再推荐使用预制空心板梁。部分省份明确要求20m以上跨径的桥梁不得采用空心板结构。2015年《公路桥梁设计通用规范》更新，各大设计院重新编制通用图，也基本废除了相关通用图。

针对改扩建工程进行桥梁拼宽时，国内参照《高速公路改扩建设计细则》(JTG/TL11-2014)等规范，推荐采用与原结构相同结构形式及跨径布置，来进行改扩建工作。由此存在一个问题，现有的空心板桥梁，若使用相同结构拓宽，则结构形式已不被行业推荐；若采用其他结构拼宽，则面临新老结构形式不一致的问题。诸如此类的与既有结构不同结构类型的拓宽改造，是工程中面临的一个普遍问题，拓宽结构如何选择，使变形协调，是亟待解决的问题。

本申请旨在提供了一种当工程受限，或结构本身受限时，如何选择不同结构类型的拓宽设计方法。以使在工程设计中以简洁、快速的方法提供适宜的备选截面类型，结合具体工程及材料要求确定最终方案，使得拓宽后整体结构受力合理，变形协调。

发明内容

本申请的目的在于提供一种桥梁拓宽设计方法，尤其是对于不同结构拼宽时，提供一种截面选型的设计方法。

本申请是这样实现的：

一种桥梁拓宽设计优化方法，基于特定工程条件或结构本身原因造成，无法使用同结构拼宽时，通过计算新旧结构的单位宽度刚度比m值，以及新旧结构m值之比n，用以选取合理的不同类型拓宽结构，对桥梁进行拓宽设计。

更进一步的方案是：

设定原结构抗弯刚度为E₁I₁，宽度为B₁；

设定拓宽结构抗弯刚度为E₂I₂，宽度为B₂；

其中，E代表结构的弹性模量，I代表结构的抗弯惯性矩；

引入参数E₁I₁/B₁＝m₁，E₂I₂/B₂＝m₂，即m₁、m₂值为结构的单位宽度刚度比；

引入参数m₁/m₂＝n

当采用同结构拓宽时，n值等于1，即原结构与拓宽结构单位宽度刚度比m值相等，适合同结构拓宽；

当采用不同结构拓宽时，n值越接近1，即原结构与拓宽结构单位宽度刚度比m值越接近的截面，优先选择其作为既有结构的拓宽结构，适合不同结构拓宽。

更进一步的方案是：

当原结构为现浇箱梁结构，则E₁I₁取整个结构的特性值，B₁取整个结构的宽度。

所述现浇箱梁结构为单箱单室或单箱多室结构。

更进一步的方案是：

当原结构为多箱单室的预制装配式结构，E₁I₁取单片梁板的特性值，B₁取单片梁板的宽度；

所述多箱单室的预制装配式结构，包括预制空心板或小箱梁。

更进一步的方案是：

对于拓宽结构的抗弯刚度E₂I₂，取值方式同E₁I₁；对于拓宽结构的宽度B₂，取值方式同B₁。

更进一步的方案是：

若拓宽结构为组合梁板，则需将抗弯刚度进行换算，如下所示：

E₂I₂＝E_CI_C+E_SI_S

式中：

E₂——组合梁的弹性模量；

I₂——组合梁的惯性矩；

E_C——混凝土的弹性模量；

E_S——钢材的弹性模量；

I_C——混凝土截面的惯性矩；

I_S——钢梁截面的惯性矩；

若原结构为组合梁板，取值方式与此一致。

其中组合梁板包括叠合梁。

更进一步的方案是：

在选择拓宽结构时，n值均接近于1时，优先选用闭口截面，如采用小箱梁结构较T梁能进一步降低新旧结构变形差。

本申请具有以下效果：

通过对不同结构形式下拓宽桥梁整体力学分析，不同结构拓宽导致新旧结构产生挠度差，当工程中存在限制条件，或既有桥梁的结构形式已不再允许使用时，如何快速有效设计出适合原结构的拓宽截面，提高设计效率，是工程中亟需解决的问题。本发明提出一种桥梁拓宽设计方法，能快速有效拟定适合不同结构类型的几何参数，再基于工程中常用的截面形式，拟定具体尺寸，为设计提供合理的拓宽结构选择方案。

根据有限元分析，不同结构拓宽时，由于新老桥梁结构存在着刚度差，导致恒载或活载作用下，结构产生不同的挠度差，这个差值使的新老桥梁之间的接缝处存在着较大的应力，影响结构的安全性和耐久性，出现裂缝或脱落等病害后，对行车舒适性也造成很大影响。为使条件受限时，拓宽后桥梁整体能受力合理，变形协调，本申请基于不同结构的拓宽，考虑到不同结构断面，不仅其刚度有差异，其上荷载作用的范围也不相同，这些均会产生不均匀的挠度差。基于有限元模拟和数据分析，综合考虑拓宽结构宽度和刚度的影响，提出单位宽度刚度比值m，新老桥梁在m值相近时，受力更为合理，变形更为协调，公式简单易行，对于工程设计具有很强的实际意义。

附图说明

图1为预制装配式T梁结构拓宽示意图；

图2为预制装配式小箱梁梁结构拓宽示意图；

图3为横向整体式现浇箱梁结构拓宽示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没做出创造性改变前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护范围。

对于不同结构的桥梁拓宽，以既有结构为空心板为例，如图1所示为拼宽结构为预制装配式结构拓宽，相应参数取值，如图2所示为拼宽结构为现浇箱梁，即横向整体式结构的拓宽，其相应参数取值。同理，当既有结构为整体式结构时，参照拓宽部分参数取值。具体如下：

假定原结构抗弯刚度为E₁I₁，其宽度为B1；

假定拓宽结构抗弯刚度为E₂I₂，其宽度为B2；

引入参数E₁I₁/B₁＝m₁，E₂I₂/B₂＝m₂，即m₁、m₂值为结构的单位宽度刚度比；

引入参数m₁/m₂＝n，采用同结构拓宽时，n值等于1，即原结构与拓宽结构单位宽度刚度比m值相等，适合结构拓宽；

引入参数m₁/m₂＝n，采用不同结构拓宽时，n值越接近1，即原结构与拓宽结构单位宽度刚度比m值越接近的截面，优先选择其作为既有结构的拓宽结构，适合结构拓宽；

若既有结构为现浇箱梁等单箱单室、单箱多室等结构，E₁I₁取整个结构的特性值，B₁取整个结构的宽度；

若既有结构为预制空心板、小箱梁等多箱单室的预制装配式结构，E₁I₁取单片梁板的特性值，B₁取单片梁板的宽度；

对于拓宽结构的抗弯刚度E₂I₂，取用方式同E₁I₁；对于拓宽结构的宽度B₂，取用方式同B₁；

在式中，E代表结构的弹性模量，I代表结构的抗弯惯性矩；

若结构为叠合梁等不同结构的组合梁板，则需将弹性模量换算为同一种材料，再乘以相应的抗弯惯性矩；

在选择拓宽结构时，n值均接近于1时，优先选用闭口截面，能进一步降低新旧结构变形差。

具体，以既有结构为空心板，拼宽结构为T梁、小箱梁及现浇箱梁为例，计算如下：

1、T梁拓宽

如附图1所示，对于20m跨空心板结构，为预制装配式结构，参数均选用单片板梁。老桥原宽12m，拼宽桥梁部分宽度7.75m。考虑其板宽度为1.24m，即B₁＝1.24m，普通预应力混凝土构件，混凝土标号为C50，20m跨径标准图求得其抗弯刚度为：

E₁I₁＝2.36x10⁶kN·m²

则其单位宽度刚度比为：

m₁＝E₁I₁/B₁＝2.36x10⁶/1.24＝1.91x10⁶

同理，对于拼宽T梁，其梁宽度2.1m，20m跨径结构抗弯刚度为：

E₂I₂＝7.78x10⁶kN·m²

则其单位宽度刚度比为：

m₂＝E₂I₂/B₂＝7.78x10⁶/2.1＝3.70x10⁶

则对于新旧结构m值之比n为：

n₂＝m₁/m₂＝0.52

2、小箱梁拓宽

如附图2所示，若采用小箱梁进行拼宽设计，老桥空心板同上，其m₁值不变，对于拼宽小箱梁，其宽度2.1m，抗弯刚度为：

E₃I₃＝5.47x10⁶kN·m²

则其单位宽度刚度比为：

m₄＝E₄I₄/B₄＝5.47x10⁶/2.1＝2.6x10⁶

则对于新旧结构m值之比n为：

n₃＝m₁/m₃＝0.74

3、现浇箱梁拓宽

如附图3所示，若采用现浇箱梁进行拼宽设计，老桥空心板同上，则其m₁值不变，对于拼宽现浇箱梁，为横向整体式构件，其宽度取整体拼宽宽度7.75m，抗弯刚度为：

E₄I₄＝35.5x10⁶kN·m²

则其单位宽度刚度比为：

m₄＝E₄I₄/B₄＝35.5x10⁶/7.75＝4.58x10⁶

则对于新旧结构m值之比n为：

n₄＝m₁/m₄＝0.42

4、结果对比

由以上计算结果：

n₂＝0.52

n₃＝0.74

n₄＝0.42

则，1>n₃>n₂>n₄

由计算结果，对于以上三种拓宽结构，小箱梁与原空心板整体受力更好，变形更协调，T梁次之，现浇箱梁最差，与n值相对关系匹配，越靠近1的n值，为优先选择的结构，则应选择小箱梁拓宽。

尽管这里参照本发明的解释性实施例对本发明进行了描述，上述实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。

Claims (8)

1.一种桥梁拓宽设计优化方法，其特征在于：基于特定工程条件或结构本身原因造成，无法使用同结构拼宽时，通过计算新旧结构的单位宽度刚度比m值，以及新旧结构m值之比n，用以选取合理的不同类型拓宽结构，对桥梁进行拓宽设计；

设定原结构抗弯刚度为E₁I₁，宽度为B₁；

设定拓宽结构抗弯刚度为E₂I₂，宽度为B₂；

其中，E代表结构的弹性模量，I代表结构的抗弯惯性矩；

引入参数E₁I₁/B₁＝m₁，E₂I₂/B₂＝m₂，即m₁、m₂值为结构的单位宽度刚度比；

引入参数m₁/m₂＝n；

当采用同结构拓宽时，n值等于1，即原结构与拓宽结构单位宽度刚度比m值相等，适合同结构拓宽；

当采用不同结构拓宽时，n值越接近1，即原结构与拓宽结构单位宽度刚度比m值越接近的截面，优先选择其作为既有结构的拓宽结构，适合不同结构拓宽；

在选择拓宽结构时，n值均接近于1时，优先选用闭口截面，能进一步降低新旧结构变形差。

2.根据权利要求1所述桥梁拓宽设计优化方法，其特征在于：

当原结构为现浇箱梁结构，则E₁I₁取整个结构的特性值，B₁取整个结构的宽度。

3.根据权利要求2所述桥梁拓宽设计优化方法，其特征在于：

所述现浇箱梁结构为单箱单室或单箱多室结构。

4.根据权利要求1所述桥梁拓宽设计优化方法，其特征在于：

当原结构为多箱单室的预制装配式结构，E₁I₁取单片梁板的特性值，B₁取单片梁板的宽度。

5.根据权利要求4所述桥梁拓宽设计优化方法，其特征在于：

所述多箱单室的预制装配式结构，包括预制空心板或小箱梁。

6.根据权利要求2至5任一权利要求所述桥梁拓宽设计优化方法，其特征在于：

对于拓宽结构的抗弯刚度E₂I₂，取值方式同E₁I₁；对于拓宽结构的宽度B₂，取值方式同B₁。

7.根据权利要求1所述桥梁拓宽设计优化方法，其特征在于：

若拓宽结构为组合梁板，则需将抗弯刚度进行换算，如下所示：

E₂I₂＝E_CI_C+E_SI_S

式中：

E₂——组合梁的弹性模量；

I₂——组合梁的惯性矩；

E_C——混凝土的弹性模量；

E_S——钢材的弹性模量；

I_C——混凝土截面的惯性矩；

I_S——钢梁截面的惯性矩；

若原结构为组合梁板，取值方式与此一致。

8.根据权利要求7所述桥梁拓宽设计优化方法，其特征在于：所述组合梁板包括叠合梁。