[摘要] 总结提出了增强装配式简支T 梁桥横向联系的三种方式结构分析表明: 除横隔板外, 桥面铺装参与主梁结构受力能起到提高结构横向联系的作用; 转变结构体系能极大地提高T 梁桥的整体性.

在钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土T 梁桥中, 横向联系的强弱对桥梁的承载力起到了至关重要的作用, 如何加强T 梁桥间的横向联系, 提高结构的整体性, 是桥梁加固的一个重要课题。在装配式简支T梁桥中, 横隔板对于加强结构的横向联系, 保证结构的整体性有很大的作用。传统桥梁结构设计和计算中不考虑铺装层与主体结构共同受力, 忽略铺装层对结构受力性能的影响。随着桥面铺装技术的提高和新材料的应用, 桥面铺装层的耐久性得到提高, 铺装层与主梁的粘结性能加强, 对多数桥梁而言, 铺装层参与结构受力, 因而在结构加固设计时应考虑铺装层的叠合效应。

T形梁桥通过粘贴钢板方法实现截面转换, 成为钢混组合箱形截面, 使原来的开口截面转换成为闭口截面, 其抗扭惯性矩计算公式发生变化, 桥梁的整体性得到提高。

T形梁的抗扭惯性矩

箱形截面的惯性矩

式中: bi 和ti 为单个矩形截面的宽度和厚度;Ci为矩形截面抗扭刚度系数, 根据t /b 比值查表; m 为梁截面划分成单个矩形截面的块数; 为薄壁中线所围的面积。

由公式可以得出, 由于开口截面和闭口截面的计算原理有着本质上的不同, 所以其惯性矩相差也很大, 通过截面转换加固T形梁桥, 其抗弯、抗扭承载力在得到大幅提高的同时, 结构的内力和整体性也得到改善。

1  工程概况及病害

1. 1  工程概况

八一大桥, 建于1984年, 大桥全长825. 84 m, 上部结构为钢筋混凝土装配式简支T梁桥, 每跨标准跨径22. 2 m, 共37跨, 单跨由11片T梁组成, 9道横隔板( 2道端横隔板、7道中横隔板) , 主梁高度135cm, 腹板高121 cm, 梁片中心距160 cm, 横隔板高95 cm, 横隔板下缘配6根25mm钢筋。桥面净宽为( 15. 0+ 2 # 1. 5) .桥梁设计荷载标准: 汽车--20级, 挂车--100。

全桥病害主要表现为:

( 1) 横隔板病害: 病害主要出现在横隔板的连接部位。 表现为: 1 连接段混凝土不密实; 2 由于预制T梁安装精度问题, 相邻横隔板有不共面、错位等现象; 3 连接钢板焊缝施工质量低劣, 焊缝不饱满或脱焊开裂, 钢板错位连接, 部分钢板焊缝严重脱落; 4 连接部位下缘混凝土开裂, 或连接段分离; 5横隔板连接段下缘断裂, 上缘混凝土松散; 6 部分横隔板下缘主筋及斜筋断裂。

( 2) 桥面铺装病害: 1 桥面混凝土表面出现10条间距均匀的纵向开裂, 且纵向裂缝基本是沿着T梁与T梁之间的接缝处展开, 具有明显的规律性; 纵向裂缝已贯通桥面, T 梁翼缘间有漏水现象; 2 墩顶桥面连续处桥面混凝土大面积损坏, 桥面板出现露筋。

本文对八一大桥病害进行力学分析, 提出了有效提高桥梁横向联系的加固方案。

1. 2  病害分析

横隔板出现的各种病害虽然和受力有关系, 但是经验算, 笔者认为运营荷载并不是横隔板钢筋断裂的根本原因。通过对检查资料的认真整理、比对, 可以看出横隔板出现较宽裂缝病害与两种病害原因有关: 一种是横隔板下部钢筋连接件焊接质量差, 焊接部位强度不足, 受力后沿焊缝脱开; 一种是相邻梁体横隔板不共面, 这是钢筋出现疲劳断裂的主要形态。横隔板出现严重病害, 甚至导致钢筋疲劳断裂的诱因, 是运营荷载的作用, 特别是超重车辆的作用; 而横隔板连接的施工质量差, 没有满足设计要求, 则是形成横隔板病害的内在的根本原因。

纵向裂缝的产生主要是由于中横隔板破坏后, 桥梁在超载车辆作用下T 梁翼缘板横向拉应力过大和各T梁在车载作用下变形不协调。

装配式T型梁桥的承载能力不足, 大部分是由于横向联系薄弱引起的, 为了探讨加强横向联系的有效措施, 根据国内外现有的桥梁加固技术, 现提出三种加强横向联系的方案。

方案一: 横隔板方案, 全跨共设9道横隔板, 由横隔板起横向联系的作用。

方案二: 叠合梁方案, 凿除原桥面铺装, 更换为叠合梁, 加铺15 cm 整体式桥面铺装, 植筋使之与T梁完好粘结, 由桥面铺装起横向联系的作用。

方案三: T转箱方案, 在T梁底部粘贴厚度6 mm 的钢板, 转变结构体系为箱形梁。

2  有限元分析

2. 1  模型的建立

方案一模型中简支T梁桥采用梁格法建立有限元模型, 不考虑铺装层参与受力(因桥面已有贯穿的纵向裂缝) ; 方案二模型中简支T梁采用实体单元建立有限元模型, 横隔板保留。

采用实体单元建立模型, 假设所有中间横隔板全部破坏, 因此模型中只设置端部横隔板。

分析中三种方案均按照公路-I级车道荷载进行布载, 车道荷载由均布荷载和集中荷载组成, 公路-I级车道荷载的均布荷载标准值qk 为10. 5 kN /m, 集中荷载根据跨径计算为Pk 为246 kN。为了对比分析计算结果, 三种方案布载完全一致, 如图1所示。

T梁相关参数如表1所示。

2. 2  计算结果分析

方案一和方案二在活载作用下结构内力及挠度结果如图1~ 图9所示, 最大应力和最大挠度值见表2.

表2结果表明: 方案二跨中最大应力值在三个方案中为最小, 为5. 29MPa, 因为桥面铺装与T梁一起受力增加了梁的受力高度; 方案三应力值最大, 为7. 91MPa, 因为T梁截面转换之后极大地增加了桥梁的整体刚度; 方案二的应力介于两者之间。

方案三跨中最大挠度在三个方案中为最小, 仅3. 2mm, 而方案一的挠度达到8. 17mm, 将近方案一的3倍, 可见桥梁加固中体系转换T转箱能极大地增大桥梁的整体刚度。

相对于方案一, 方案二不仅减小了跨中挠度, 同时减小了桥梁的应力水平。

结构分析表明: 除横隔板外, 桥面铺装参与主梁结构受力能起到提高结构横向联系的作用, 转变结构体系能极大地提高T梁桥的整体性。

3. 加固及试验

3. 1 维修加固措施

根据对大桥病害的检测和以上分析, 综合方案一和方案二以及八一大桥的实际情况, 采取了以下维修加固措施: 对损坏严重的横隔板进行更换, 对焊接质量有问题的钢筋钢板补焊; 凿除原桥面铺装层, 在主梁顶部钻孔植入钢筋, 与新铺装层的钢筋网焊接在一起, 以增强梁体整体性, 最后再重新浇筑桥面铺装层。

3. 2 荷载试验结果

通过对该桥加固后进行荷载试验, 得出如下结论:

( 1) 挠度最大平均校验系数为0. 54, 应变最大平均校验系数为0. 49, 校验系数小于1. 0, 表明结构的整体强度和刚度满足规范要求。

( 2) 各工况下, 全部荷载卸除后, 最大残余值为4. 3% , 结构变形的残余值很小, 表明结构处于弹性工作状态。

( 3) 跨中断面在试验荷载作用下的最大挠度为6. 99 mm, 小于挠度的最大限制L /1 000, 满足规范对挠度的要求。

( 4) 加载过程中, T型梁未产生新的肉眼可见的裂缝, 已有裂缝在荷载卸除后基本回复原有宽度,说明主梁有一定的弹性工作性能。

( 5) 实测荷载横向分布系数与理论分布系数的变化趋势与竖直都较接近, 表明桥梁横向联系良好。

( 6) 该桥的竖向基频约为4. 49H z, 桥梁动刚度满足要求, 桥梁加固后, 跑车时的动力响应明显减弱, 表明桥梁整体性与动刚度得到了一定加强。

( 7) 综上所述, 该桥达到了公路I级的运营要求。

4 结论

利用有限元实体单元模型对T梁桥三种不同的横向联系的力学性能进行了研究, 对三个方案的受力分析结果表明, 桥面铺装参与结构受力对大桥受力状态影响很大, 可以提高荷载横向分配能力, 降低T梁的最大拉应力和挠度; T转箱能极大地减小桥梁的挠度, 增大桥梁的整体性。 研究结果表明考虑桥面铺装参与受力进行加固设计与施工, 能提高桥梁的横向联系, 加强结构的整体性, 提高桥梁的承载力,同时解决了桥面铺装被破坏的情况。

通过对八一大桥的维修加固及荷载试验, 结果表明此种维修加固措施是可行的。