改變結(jié)構(gòu)體系方法在T形剛構(gòu)橋梁加固中的應(yīng)用

張 坤，楊桂杰

（1.山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006；2.山東英才學(xué)院，山東 濟(jì)南 250000）

連續(xù)剛構(gòu)橋和連續(xù)橋梁一樣，把主梁做成連續(xù)梁體，它具有T形剛構(gòu)橋的受力特點(diǎn)，即主梁與橋墩固結(jié)。因此，連續(xù)剛構(gòu)橋既擁有連續(xù)梁的主梁連續(xù)、無需設(shè)置伸縮縫、行車平順等優(yōu)點(diǎn)，還同T形剛構(gòu)橋一樣，免去了墩梁之間構(gòu)造復(fù)雜、價(jià)格高昂的支座構(gòu)造，在中大跨徑混凝土梁橋中很有競爭優(yōu)勢[1～5]。

基于以上研究背景，提出一種改變結(jié)構(gòu)體系加固T形剛構(gòu)橋的方法，即把原結(jié)構(gòu)的掛梁拆除，替換為鋼箱梁，鋼箱梁與T構(gòu)主梁固結(jié)在一起，這樣T形剛構(gòu)橋轉(zhuǎn)換為連續(xù)剛構(gòu)橋，靜定體系轉(zhuǎn)變?yōu)槌o定體系；闡述該種加固方法的具體設(shè)計(jì)方案，對加固后的主梁進(jìn)行承載力、應(yīng)力和撓度的驗(yàn)算，并與加固前實(shí)橋的受力狀態(tài)進(jìn)行對比分析，從理論上研究此種加固方法的可行性，評估加固效果。

1 原橋概況

依托工程主橋原橋設(shè)計(jì)為帶掛梁的預(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu)橋，當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)采用的是具有代表性的交通部公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院的《預(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu)JTGQS009—75》圖集。主橋跨徑布置為52.5 m+80 m+52.5 m=185 m，其中一個“T”形懸臂梁長 55 m，掛梁長25 m，總體布置圖如圖1所示。掛梁由5片T梁組成，梁底設(shè)有支座，支撐于懸臂梁的牛腿上，掛梁為簡支體系。“T”形懸臂梁采用變高度單箱雙室截面，支點(diǎn)梁高4.8 m、底板厚0.3 m、懸臂端梁高1.8 m、底板厚 0.16 m、腹板厚度 0.28 m、頂板厚0.24 m，掛梁由5片小T梁組成，掛梁橫斷面布置如圖2所示。主橋縱向預(yù)應(yīng)力鋼束采用24φs5的預(yù)應(yīng)力鋼絲，每束由24根直徑5 mm鋼絲組成。主、副墩均采用雙箱室空心矩形墩，主墩墩身與T構(gòu)固結(jié)成整體?！癟”形懸臂梁采用懸臂拼裝施工，除S1拼接縫采用小石子混凝土外，其余懸臂梁段的拼接縫均采用環(huán)氧樹脂。

圖1 總體布置圖（單位：cm）

圖2 掛梁橫斷面(單位：cm)

南北引橋跨徑布設(shè)均為11×25 m，采用25 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁，斷面與主橋掛梁相同。橫向5片T梁組成，梁高1.80 m，主梁間距2 m，梁底設(shè)有支座。橋墩為排架柱樁墩，橋臺為墻式橋臺。

2 加固設(shè)計(jì)方案

馬蘭大橋原橋?yàn)閹炝旱目鐝讲贾脼椋?2.5+80+52.5）m的預(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu)橋，立面布置圖如圖3所示。改變結(jié)構(gòu)體系加固該橋指的是把原結(jié)構(gòu)跨徑25 m的5片“T”字型掛梁拆除，替換為梁高不變、外形相仿的鋼箱梁，鋼箱梁與原T構(gòu)混凝土主梁懸臂端通過一定的連接方式進(jìn)行固結(jié)，繼而形成鋼-混凝土混合梁連續(xù)剛構(gòu)體系，這就完成了帶掛梁的預(yù)應(yīng)力混凝土T形剛構(gòu)體系轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)剛構(gòu)體系，加固后的實(shí)橋立面布置如圖4所示。之所以混凝土掛梁采用鋼箱梁替換，一方面邊跨與中跨主梁的梁高受到原結(jié)構(gòu)T構(gòu)主梁懸臂端梁高的限制，另一方面，鋼箱梁的自重比等效的混凝土要輕，這對于大跨徑的連續(xù)剛構(gòu)橋來說可以減小控制截面的彎矩峰值。采用鋼箱梁不僅減小了自重，相當(dāng)于對原橋起到了部分卸載的作用，而且跨中的承載能力也相應(yīng)增加。

圖3 加固前主橋結(jié)構(gòu)

圖4 加固后主橋結(jié)構(gòu)（單位：cm）

原橋由T形剛構(gòu)橋轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)剛構(gòu)橋，最為突出的優(yōu)勢是免去了掛梁與T構(gòu)主梁之間數(shù)目較多的伸縮縫，改善了橋梁縱橋向線形，提高了實(shí)橋的整體結(jié)構(gòu)剛度，改善了結(jié)構(gòu)的整體受力性能，有利于高速行車的平順性和舒適性。

替代原橋預(yù)應(yīng)力混凝土“T”字型掛梁的鋼箱梁采用Q235鋼，鋼箱梁主要由頂板、底板、腹板、縱橫向隔板及各自的加勁肋組成，外形幾何尺寸采用和T構(gòu)主梁懸臂端主梁相同的截面尺寸。其中橋面采用正交異性板，頂板板寬11 m、板厚18 mm，底板板寬8.36 m，梁高為1.8 m，在鋼箱梁中設(shè)置一道縱向隔板，以增強(qiáng)主梁橫斷面的整體受力剛度，頂板設(shè)U型加勁肋，底板、腹板和縱向隔板設(shè)厚度為8 mm的加勁肋，主梁的橫斷面布置示意圖如圖5所示。

圖5 加固用鋼箱梁橫斷面設(shè)計(jì)(單位：cm)

3 改變結(jié)構(gòu)體系加固前后結(jié)構(gòu)受力對比

3.1 有限元模型建立

采用Midas Civil對馬蘭大橋主橋建立空間桿系有限元模型，全橋共120個單元，131個節(jié)點(diǎn)。實(shí)橋的有限元模型如圖6所示。

圖6 有限元計(jì)算模型

3.2 恒載作用

此階段計(jì)算實(shí)橋加固后恒載作用（自重、二期荷載等作用）下主梁的彎矩、剪力、豎向位移等，并與原橋進(jìn)行對比，實(shí)橋加固前后恒載作用下主梁的剪力、彎矩、豎向位移對比如圖7～圖9所示。

圖7 加固前后恒載作用下主梁剪力

圖8 加固前后恒載作用下主梁彎矩

圖7、圖8結(jié)果表明，在恒載作用下，由于加固后自重的減輕，主梁的彎矩、剪力都有很大幅度的降低；主梁最大剪力出現(xiàn)在主墩墩頂截面，加固前為-8 491 kN，加固后為-7 967 kN，剪力減小了524 kN；加固前主梁最大負(fù)彎矩為-125 423 kN·m，加固后最大值為-99 319 kN·m，彎矩減小了26 104 kN·m，同樣也出現(xiàn)在主墩墩頂截面；原混凝土掛梁截面位置處主梁承受正彎矩，加固后正彎矩值有所增加，懸臂端部部分截面由加固前承受負(fù)彎矩轉(zhuǎn)變?yōu)槌惺苷龔澗兀@是因?yàn)閷?shí)橋由T形剛構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)剛構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)體系的轉(zhuǎn)換，改變了全橋的整體受力性能。

圖9 加固前后恒載作用下主梁豎向位移

圖9結(jié)果表明，在恒載作用下，主梁最大豎向位移出現(xiàn)在中跨跨中，加固前主梁最大下?lián)现禐?3.6 mm，加固后最大下?lián)现禐?4.5 mm，兩者相差19.1 mm，加固后的連續(xù)剛構(gòu)體系比T形剛構(gòu)整體受力性能好。

3.3 活載作用

此階段計(jì)算實(shí)橋加固后活載（汽車荷載）作用下主梁的彎矩、剪力、豎向位移等，并與原橋進(jìn)行對比分析，主梁加固前后活載作用下主梁的剪力、彎矩、豎向位移對比如圖10～圖12所示。

圖10 加固前后活載作用下（最小值）主梁剪力

圖11 加固前后活載作用下（最小值）主梁彎矩

由圖10和圖11對比結(jié)果可知，在活載作用下，由于結(jié)構(gòu)體系的不同，加固后主梁受力得到很大改善；加固前后主梁的最大剪力值雖然沒有太大差別，但是從整體受力來看，加固后的大部分截面的剪力值都有所降低；加固前主梁墩頂截面最大負(fù)彎矩為-26 714 kN·m，加固后為 -19 254 kN·m，彎矩減小了7 460 kN·m，主梁的彎矩值降低的幅度較大。

圖12 加固前后活載作用下（最小值）主梁豎向位移

由圖12可知，在活載作用下，加固后主梁各截面的豎向位移均有很大幅度的減小，由于結(jié)構(gòu)體系的不同，加固前主梁最大豎向位移出現(xiàn)在T構(gòu)主梁懸臂端部，其值為25.8 mm，加固后最大下?lián)现党霈F(xiàn)在中跨跨中，其值為12.4 mm，兩者相差13.4 mm。

活載作用下主梁的豎向位移值是反映主梁整體剛度最重要的指標(biāo)之一，由以上對比結(jié)果可以看出，與加固前的原橋相比較，改變結(jié)構(gòu)體系加固后的實(shí)橋整體抗變形能力顯著增強(qiáng)，整體剛度明顯增大。

4 加固后承載能力分析

表1為加固前后主梁各截面抗彎承載力值的對比分析。

由表1所列結(jié)果可知，加固后，各截面抗彎承載能力均有一定程度的提高，各截面抗彎承載力最大提高了約23%，其中主墩墩頂截面加固前抗彎承載力為 296 816 kN·m，加固后為 315 748 kN·m，抗彎承載力增加了18 932 kN·m，增長率約為6%。

表1 加固前后主梁抗彎承載力對比

5 結(jié)語

提出了一種T形剛構(gòu)轉(zhuǎn)換為連續(xù)剛構(gòu)的加固方法，分析了加固前后結(jié)構(gòu)的受力情況，對比結(jié)果顯示，在各荷載或荷載組合作用下，加固后主梁的彎矩、剪力值都有所減??；加固后主梁的豎向位移相較于加固前有很大幅度的降低。因此，改變結(jié)構(gòu)體系加固T形剛構(gòu)橋方法，減小了上部結(jié)構(gòu)自重，增加了橋梁剛度，使全橋整體受力性能得到了很大的改善；同時(shí)，取消了主橋多條伸縮縫，增加了行車的舒適度，值得同類橋梁的加固借鑒。