裝配式I型簡支梁鋼桁架橫向聯(lián)系加固靜動力特性研究

米 剛，李 響，馬乃軒，鐘 毅

（1.山東高速股份有限公司，山東 棗莊 277100；2.湖南衡邵高速公路有限公司，湖南 長沙 4100053；3.山東高速工程檢測有限公司，山東 濟(jì)南 250002）

引言

裝配式簡支梁受力明確、構(gòu)造簡單、施工速度快，是中小跨徑橋梁中廣泛采用的橋型。部分早期建造的在役橋梁由于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)較低、運營期年限增加，加之我國交通量及交通荷載等級不斷提升，相當(dāng)一部分橋梁在運營服役期間出現(xiàn)了各種各樣的病害，嚴(yán)重危及結(jié)構(gòu)安全[1]。在這些病害中，橫向聯(lián)系退化是常見裝配式梁橋嚴(yán)重病害之一[2]。

橫向聯(lián)系是裝配式簡支梁整體受力的紐帶，影響橋梁整體承載能力和穩(wěn)定性。橫向聯(lián)系剛度降低造成橫向傳力能力下降，單梁承載激增，即結(jié)構(gòu)局部受力加大；亦使橋梁整體抗扭剛度減小，嚴(yán)重者會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。通過近年橋梁檢測發(fā)現(xiàn)，簡支梁橋中橫向聯(lián)系減弱失效問題較為普遍，應(yīng)引起橋梁養(yǎng)護(hù)管理者的高度重視。目前有很多方法可對在役橋梁橫向聯(lián)系加固，加固效果也各有不同。選用最優(yōu)加固方案，對橋梁的養(yǎng)護(hù)管理就顯得十分必要[3]。

1 工程概況

1.1 橋梁概況

105國道上某跨越河流橋梁修建于1970年，其上部結(jié)構(gòu)為3×33 m預(yù)應(yīng)力混凝土裝配式I型簡支梁，橫向由5片主梁通過3道橫隔板形成整體，頂部現(xiàn)澆10～20 cm鋼筋混凝土橋面板。設(shè)計荷載為汽車-13、拖車-60。2006年，對該橋進(jìn)行了加固維修，通過在原橋兩側(cè)各增設(shè)一片主梁實現(xiàn)加寬，兩側(cè)各增加2.0 m非機(jī)動車道。

1.2 病害情況

該橋?qū)賴罉蛄?，服役年限長，交通量大且重車較多。在檢測中發(fā)現(xiàn)該橋主要病害：（1）跨中橫隔板與主梁連接處出現(xiàn)混凝土開裂的病害，開裂位置從橫隔板頂部到橫隔板底部，且兩端橫隔板均有開裂。（2）部分微彎板存在橫向裂縫，縫寬0.10 mm。

由于該橋長期承受重載交通作用，同時橋梁的橫向連接存在結(jié)構(gòu)性病害。過車振動時，橫隔板縫隙有明顯的開合，多處橫隔板功能降低，橫向剛度下降，存在單梁受力風(fēng)險，危害到橋梁運營安全。因此，必須對該橋的橫向聯(lián)系進(jìn)行加固。

2 橫向聯(lián)系加固設(shè)計

（1）增強橋面補強層。在主梁橫向用直徑較大的鋼筋進(jìn)行植筋，并整體澆筑混凝土，以此來提高橋梁的橫向剛度。該方法施工簡單，但需封閉交通，且自重增加較大。（2）增設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力。在多主梁舊橋邊梁兩側(cè)通過布置貫通橫截面的預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行補強。該方法可提高抗剪承載力，優(yōu)化荷載的橫橋向分布，但會在主梁產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且待加固橋梁需要驗證其抗傾覆能力是否滿足要求。（3）T轉(zhuǎn)箱—轉(zhuǎn)換截面。該方法的優(yōu)點是提高抗彎、扭能力，自重增加小，但是目前其理論計算尚不完善。（4）增設(shè)橫隔板。在橫向隔板之間增加鋼橫梁，此法可提高結(jié)構(gòu)的橫向剛度和穩(wěn)定性，且自重增加不大。

考慮到該橋?qū)賴罉蛄海煌枯^大，封閉時間不宜過長，且需考慮施工便宜性及工期方面等要求。綜合多方面因素，本橋最終選擇增設(shè)鋼橫隔梁的方法進(jìn)行加固。鋼桁架采用普通碳素鋼Q235-A，高強螺栓將鋼桁架與混凝土梁連接。分別在L/4、3/4L和距中橫隔板0.5 m位置處設(shè)置三道鋼桁架。

3 計算結(jié)果分析

采用Midas Civil對比加固前、后有限元模型，分析橋梁橫、豎向自振頻率改善情況以及設(shè)計偏載作用下靜力響應(yīng)，進(jìn)而說明采用加固方法的有效性[4-5]。

加固前全橋共542個單元，其中主梁和混凝土橫隔板采用梁單元模擬，邊梁橫撐采用桁架單元模擬。加固后有限元模型單元數(shù)量為574個，其中鋼桁架采用桁架單元模擬。有限元模型見圖1～圖4。

圖1 加固前有限元模型

圖2 加固后有限元模型

圖3 加固前前兩階振型

圖4 加固后前兩階振型

經(jīng)計算分析，加固前后橋梁的橫向、豎向自振頻率對比結(jié)果見表1。

表1 加固前后橋梁的橫向、豎向自振頻率及周期

（1）由表1可知采用增加鋼桁架加固方式，主梁豎向自振頻率由3.712 9 Hz增大至3.721 4 Hz，提高了0.23%，豎向剛度變化不大；其橫向+扭轉(zhuǎn)的自振頻率由4.467 2 Hz增大至4.581 6 Hz，提高了2.6%。通過分析結(jié)果表明，增加鋼桁架加固可以有效提高裝配式簡支梁的橫向和抗扭剛度。（2）對橋梁加固前后設(shè)計偏載作用下各主梁撓度值對比結(jié)果見表2。

對比圖5、圖6，增加鋼桁架加固后，1#～3#主梁在偏載作用下靜載撓度均有不同程度地減小，而4#～5#主梁撓度增加。以1#主梁1/2L靜載撓度為例，偏載作用下的撓度值從10.460 mm降至9.754 mm，減小了6.749%；在1/4L處截面各主梁撓度值均勻性顯著增強。由此可見，增強相鄰主梁之間的連接后，主梁整體性加強，各主梁協(xié)同受力性能得到改善。

表2 設(shè)計偏載作用下各主梁撓度值（mm）

圖5 加固前、后T梁1/2L撓度對比

圖6 加固前、后T梁1/4L撓度對比

采用鋼桁架增強主梁橫向聯(lián)系后，在動力性能方面，主梁橫向和抗扭剛度得到提升；在靜力性能方面，主梁整體性加強，有效地改善了橫向荷載分布特性。該橋于2017年4月進(jìn)行了增加鋼桁架加固，加固后橋梁運營已近三年，在檢測中沒有發(fā)現(xiàn)橫隔板開裂的情況，表明橫隔板橫向開裂的病害情況得到了有效控制，橋梁運營狀況良好。

4 結(jié)語

采用增加鋼桁架的加固方法，可以在不降低豎向剛度的前提下，有效提高裝配式簡支梁橋的橫向及抗扭剛度，增強相鄰主梁之間的整體性，有效改善其橫向荷載分布特性，保證橋梁的完整性及穩(wěn)定性。實橋加固后的運營效果也較為理想。