梁底配套钢板(无中横隔梁T梁桥病害分析及加固效果评价)

Posted 2023-05-30

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梁底配套钢板(无中横隔梁T梁桥病害分析及加固效果评价)

周增强 陈湘华

广州市交通设计研究院有限公司

摘 要：为解决无中横隔梁T梁桥运营中的常见问题，结合山区公路类似工程实例，对桥梁病害进行理论分析，提出增设中横隔梁以改变结构受力方式的加固改造技术，并通过加固后的试验数据验证其有效性，为今后同类桥梁病害处治方案提供参考。

关键词：T梁桥;病害分析;中横隔梁;加固改造;

基金：广东省公路管理局科研课题，项目编号粤公研2017-1;

T梁桥利用混凝土抗压和钢材抗拉性能优势，广泛应用于中小跨径桥梁建设中。为了最大限度地降低主梁预制和现浇施工难度，早期T梁桥建设方案取消了主梁跨中的横向联系构件，该类桥称为无中横隔梁T梁桥，相比设置多道中横隔梁的T梁桥，其横桥向刚度显著偏弱。

参照《沪宁高速公路桥涵通用图》(1992年4月),其中20 m、30 mT梁均采用无中横隔梁设计，随着时间推移，这类T梁桥已运营20余年。无中横隔梁T梁桥依托相邻主梁之间的湿接缝和桥面板共同承担桥梁整体横向刚度，已建成的桥梁在运营过程中常见桥面网裂、湿接缝纵向裂缝和T梁竖向受力裂缝等病害，对桥上行车安全构成威胁。此类桥梁病害在经过多次维修后常有复发态势，推测该病害为主梁结构横向刚度先天不足所致。本文通过无中横隔梁T梁桥与设置中横隔梁T梁桥的横向刚度、横向分布系数、主梁挠度以及桥梁基频进行对比，采用理论计算结合实例桥梁加固前后试验数据分析，得出无中横隔梁T梁桥常见病害产生的主要原因，并提供多种加固方案以及一种有效的加固改造措施。

1 工程实例分析

1.1工程概况

花都区G106国道上某大桥于20世纪90年代建成通车，跨径组合：13 m+6×30 m+20 m+13 m, 桥梁全长230 m; 横向布置：3.7 m非机动车道+8.5 m车行道+0.3 m护栏=12.5 m(半幅);双向四车道，左右幅分离，桥梁全宽25 m; 上部均为T梁结构，单幅横向布置6片T梁，主梁中距2.1 m; 20 m及30 m跨T梁有两道端横梁，均未设置中横隔梁；桥面铺装为8 cm厚混凝土，桥面横坡为单向2.5%,坡度由铺装层调整，湿接缝厚18 cm。主梁横断面布置见图1。

图1 30 mT梁跨中横断面布置

单位：cm

1.2病害分析

1.2.1常见病害

该桥在建成3年后桥面出现明显的纵横向裂缝，以分布于相邻主梁之间的湿接缝位置纵缝居多，横缝多出现在墩顶梁端的桥面铺装层连接处。管养单位于2003年应用钢纤维增强聚合物混凝土[1]对该桥桥面铺装层进行整体更换，几年后桥面纵缝再次出现，伴随时间推移，裂缝继续延伸最终形成混凝土网状裂缝以及坑槽。此次桥面维修采用刚度较强的聚合物混凝土材料，未能解决桥面开裂的根本问题。

进行整体更换桥面铺装层之后几年时间内，该桥不间断地进行过多次局部桥面维修施工，发现铺装层下方的湿接缝存在纵向开裂迹象，此裂缝为无中横隔梁T梁桥常见病害。对于该桥上部结构其他病害，本文通过查阅近几年的检测报告，得知20 m和30 mT梁的整体技术状况较好，仅存在少量温度收缩裂缝，未出现严重的主梁结构裂缝。

1.2.2理论分析

铺装层及湿接缝开裂的常见病害涉及因素较多，结合无中横隔梁T梁桥结构特点，该桥横向仅依靠18 cm厚的湿接缝和8 cm厚铺装层传递荷载，桥梁横桥向刚度显著不足，在车辆经过时相邻主梁纵横向相对位移不协调，铺装层由相邻主梁顶部的固结结构变成铰支，横向主梁之间的跨中弯矩成倍增加，致使桥面铺装层及湿接缝混凝土承受拉应力而开裂破坏。

竖向抗弯惯性矩计算为式(1):

I=bh312         (1)Ι=bh312         (1)

式中：b(单位宽度)=1 m, h(高度)=0.18 m+0.08 m=0.26 m。

原桥横桥向抗弯刚度EI(原)=E×bh312=5.13×104EΙ(原)=E×bh312=5.13×104kN·m2;对比组在30 mT梁跨中均布3道中横隔梁，梁板厚0.25 m, 高1 m, 考虑湿接缝及铺装层厚度，中横隔梁截面竖向抗弯惯性矩等效为相同刚度的桥面板抗弯惯性矩，可以得出EI(比)=2.55×105 kN·m2>EI(原);显然增设中横隔梁后横桥向结构的竖向抗弯刚度提升效果显著。

然而新增T梁构件将会增加主梁恒载以及削弱顺桥向主梁竖向抗弯刚度，为了分析增设中横隔梁对桥梁整体结构产生的影响，主梁受力理论计算上通过横向分布系数将其简化为单片梁之后再进行承载力分析。按照该桥设置与不设置中横隔梁进行对比，通过刚接板梁法[2]计算20 m、30 m跨主梁横向分布系数，计算步骤如下。

(1)计算主梁纵桥向竖向抗弯惯性矩，计算方法见式(1)。

(2)求解主梁纵桥向跨中截面抗扭惯性矩IT。

T梁的抗扭惯性矩可以近似等于各个矩形截面的抗扭惯性矩之和，计算为式(2)和式(3):

IT=∑cbt3 (2)

c=13[1−0.630tb+0.052(tb)5]         (3)c=13[1-0.630tb+0.052(tb)5]         (3)

式中：b、t为等效矩形截面长、宽值。

(3)求解中横隔梁截面等效刚度桥面板的抗弯惯性矩IL,无中横隔梁T梁桥不考虑此部分影响。

取中横隔梁截面，考虑设置12 cm厚混凝土桥面板，横隔梁抗弯惯性距Iy平均分布于中横隔梁中距L1(L/4=748 cm)作为等效刚度桥面板的抗弯惯性矩IL,计算为式(4):

IL=1L1Iy         (4)ΙL=1L1Ιy         (4)

(4)主梁抗弯与抗扭刚度比参数γ以及主梁与桥面板抗弯刚度比β,计算为式(5)和式(6)。

γ=π2EI4GIT(b1l)2=5.8IIT(b1l)2         (5)β=π4Id313l4I1=390Id31l4h31         (6)γ=π2EΙ4GΙΤ(b1l)2=5.8ΙΙΤ(b1l)2         (5)β=π4Ιd133l4Ι1=390Ιd13l4h13         (6)

式中：b1(中距)=2.1 m; l(计算跨径)=29.94 m; E(50号混凝土弹性模量)=3.5×104 MPa; G(剪切模量)=0.425E;I、IT(主梁截面竖向抗弯惯性矩和抗扭惯性矩);d1(中横隔梁宽度一半)=1.84 m; I1(单位宽度纵桥向等效桥面板抗弯惯性矩);h1(等效桥面板厚度)。

(5)根据上述计算出的γ和β,参照《公路桥梁荷载横向分布计算》刚接板梁法荷载横向分布影响线Gη求得影响线竖标值，按最不利车辆位置横向排列得到各片主梁横向分布系数，最终对比两种方案计算结果见表1。

由表1可以看出，增设中横隔梁后，内边梁横向分配系数略有增加，部分中梁有所增加。为此增加中横隔梁对提高桥梁横向抗弯刚度作用明显，可以有效改善桥面受力状况，但顺桥向抗弯刚度也有所折减。

表1 20 mT梁、30 mT梁跨中车辆横向分布系数

1.2.3加固方案

考虑该桥横向刚度不足，拟采用增设中横隔梁的方式以增加相邻主梁之间荷载传递效率。增设中横隔梁的形式可采用常规的钢筋混凝土结构、便于施工的钢横隔梁结构或技术要求较高的预应力钢管拉杆系统。典型结构见图2。

图2 增设中横隔梁典型断面

在我国铁路桥梁中存在一批无中横隔梁T梁桥，该类桥梁由2～4片T梁构成，在运营过程中发现横向振动幅度偏大，后期使用增设混凝土横隔梁的横向加固技术[3],该技术在公路桥梁中应用较少。

1.3加固改造技术

根据病害分析20 m和30 m无中横隔梁T梁桥横向刚度不足，同时考虑到增设构件可能导致主梁顺桥向的竖向抗弯刚度折减，需要对T梁进行承载力加固，具体措施如下：

(1)在T梁桥跨中位置增设中横隔梁，对提高桥梁整体横向刚度效果显著[4],故在20 m及30 mT梁L/2、L/4及3L/4各增设1道钢筋混凝土中横隔梁；

(2)由于增设横隔梁局部加大了部分主梁横向分配系数，对20 m及30 mT梁底板粘贴钢板处治；

(3)增加桥面刚度，铺装层厚度由原设计8 cm增加到12 cm, 横向钢筋直径取用16 mm, 新建铺装层通过植筋方式与主梁连接，确保钢筋与主梁的黏结效应。

2 加固技术效果评价

2.1评价内容

本文通过理论计算数值与荷载试验数据对比分析，了解加固改造前后该桥受力改善情况，为加固方案的有效性提供依据。主要对比分析内容包括30 m跨主梁跨中截面竖向挠度、跨中主梁底缘应变、桥梁一阶基频。

2.2 计算模型[5,6]

根据该桥结构特点结合增设中横隔梁的分析需要，计算采用有限元软件Midas 2019进行空间梁格法模拟分析，计算模型见图3。

图3 30 m跨T梁加固后计算模型

(1)单元选择：

T梁、中横隔梁采用梁单元模拟，梁底粘贴钢板采用等效钢筋截面模拟。

(2)计算荷载：

永久荷载包含铺装、中横隔梁、防撞墙以及护栏以梁单元均布荷载施加；活载为汽车-超20级、挂车-120。

(3)试验荷载：

按照规范要求的加载效率[7]现场制定试验荷载车辆。

(4)加载工况：

按照最不利荷载位置分级加载，并以主梁跨中截面为控制截面表述。

2.3试验数据分析评价

2.3.130 mT梁跨中截面各主梁挠度

加固改造前、后实测值与改造后理论值对比见图4。

图4 30 mT梁跨中弹性挠度曲线

由图4试验结果可知，除了非机动车道附近2号主梁加固后实测值大于加固前外，30 m跨其他各T梁加固后跨中挠度实测值较加固前有所减小，均小于理论计算值，说明加固后30 mT梁结构刚度满足规范要求。

2.3.230 mT梁跨中底缘应变

加固改造前、后实测值与改造后理论值对比见图5。考虑到1号梁与2号梁位于人行道范围，本次以车行道范围内的3号～6号梁为分析对象。

图5 30 mT梁跨中弹性应变曲线

由图5试验结果可见，30 m跨3号～6号梁实测应变曲线与理论计算应变曲线的变化规律基本一致，加固后理论值及实测值较加固前有明显改善，加固后实测梁底应变小于理论应变，说明加固后30 mT梁结构强度满足规范要求。

2.3.330 m跨桥梁一阶基频

根据桥梁结构振动特性结合有限元软件计算结果比较，桥梁加固改造前后桥梁一阶基频实测值及理论值见表2。

表2 30 m跨桥梁基频测试结果

由表2可知，30 m跨桥梁加固后结构基频实测值均超过加固前结构基频理论计算值，结构响应正常，说明桥梁实际刚度大于理论刚度。

通过上述数据对比分析，说明增设钢筋混凝土中横隔梁对提高无中横隔梁T梁桥横向刚度和改善结构受力的有效性，实例桥梁已加固后通车2年，目前桥面状况良好，除墩顶存在少量横向裂缝外，湿接缝位置纵向裂缝尚未出现，荷载车辆通过时桥梁震感也有所减轻。

3 结语

中横隔梁是维持T梁桥横向抗弯刚度的重要构件，有不可代替的作用。本文旨在通过上述工程实例，得出以下结论。

(1)加强铺装层刚度不能有效解决无中横隔梁T梁桥桥面纵向开裂的问题，可通过增设中横隔梁方案改善桥梁整体受力以解决桥面病害的问题。

(2)增设钢筋混凝土中横隔梁对提升结构横向刚度效果显著，在T梁桥加固中有很高的可实施性。

(3)T梁桥设计应重视中横隔梁的设置，采取至少1道中横隔梁的方案。

参考文献

[1] 樊世平，胡胜敏.钢纤维增强聚合物混凝土在梯面大桥桥面铺装中的应用[J].广东公路交通，2003,(4).

[2] 李国豪，石洞.公路桥梁荷载横向分布计算[M].北京：人民交通出版社，1984.

[3] 王新刚，朱德华，闻宝联.32 m预应力混凝土简支双T梁横向加固技术研究[J].铁道建筑，2009,(9).

[4] 凌华，韩振峰.无横隔梁的T梁桥受力分析[J].工程与建设，2007,(6).

[5] JTJ 021-89 公路桥涵设计通用规范[S].

[6] JTJ 023-85 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[7] JTG/T J21-2011 公路桥梁承载能力检测评定规程[S].

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