裝配式T形梁橋預防性養(yǎng)護方法

張文韜，王正宇，鄔曉光*，劉嘉欣

(1. 長安大學 公路學院，西安 710064；2. 漯河市公路建設和養(yǎng)護中心，河南 漯河 462000)

橋梁作為國家基礎設施建設中的關鍵部分，除受到超載和龐大車流量的反復荷載作用外，還經受氣候和環(huán)境的影響，其預期使用壽命由此逐年下降.因橋梁主體結構存在著一定的損傷和病害，為了安全起見，必須進行大規(guī)模的養(yǎng)護和加固[1].根據調查顯示，我國現(xiàn)役橋梁中，中小跨徑橋梁占到了總里程近80%，而裝配式橋梁占到了中小跨徑橋梁中的大多數.這一類中小跨徑的裝配式橋梁大量選用T 形梁、空心板和小箱梁的形式，生產工藝成熟，結構形式科學，受力性能理想.由于我國交通量的快速攀升，橋梁病害加速發(fā)展，給橋梁養(yǎng)護帶來了巨大的壓力.

早期建設的裝配式梁橋設計施工當中的不足逐漸暴露出來：

1)重視糾正性養(yǎng)護而輕視預防性養(yǎng)護.糾正性養(yǎng)護往往在結構已發(fā)生局部破壞后再進行補救加固，這顯然是一種事后的、被動的養(yǎng)護方式，往往對橋梁的使用壽命以及耐久性造成損傷，且基于全壽命周期的養(yǎng)護成本將更高.

2)施工和驗收中重視T 形梁的縱向強度和剛度而輕視T 形梁的整體受力和橫向剛度.隨著T形梁使用年限增長，在反復荷載作用下橫隔梁容易破損，各梁單獨受力也容易造成單梁損壞，此時再進行修補或更換不僅影響交通，資金耗費也較大[2].

1 概述

經過調查發(fā)現(xiàn)，河南省境內某干線公路建成十余年來車流量激增，且時常有超載現(xiàn)象，全線多座裝配式T 形梁橋超負荷工作出現(xiàn)了單梁破損現(xiàn)象.經統(tǒng)計，由于施工時對T 形梁橋的橫向連接重視不足，相鄰橫隔梁扭曲不共面的情況普遍存在.T 形梁橋橫隔梁破損現(xiàn)象較多，且破損程度隨著使用年限增加只會愈發(fā)嚴重.T 形梁的橫向連接主要采取設置橫隔梁這種方式來保證梁體的整體受力和增加梁體的橫向剛度.橫隔梁在加強梁片的橫向聯(lián)系和保證橋梁的整體性上起著至關重要的作用，足夠的橫向剛度可以有效防止橋梁由于橫向聯(lián)系的薄弱而引起的病害，從而增強橋梁耐久性[3].目前，國內外對橋梁的預防性養(yǎng)護或T形梁的橫向養(yǎng)護加固做了一定的研究.例如，劉明星[4]提出應用馬爾可夫橋梁預測模型確定較優(yōu)的預防性養(yǎng)護時機.于貴等[5]、李芳等[6]提出對混凝土T 形梁橫向聯(lián)系薄弱，橫隔梁開裂、破損、混凝土脫落等現(xiàn)象采取的幾種橫向加固的方法.Davalos 等[7]提出在T 形梁外部粘結FRP 復合材料(Fiber-reinforced polyumer，F(xiàn)RP)來進行加固.Koh 等[8]提出了一種考慮了應力參數和碳化速度系數比的碳化評估方程來評估T 形梁的預期使用壽命.但對于T 形梁橋的預防性養(yǎng)護方法和效果卻沒有詳細闡述.因此，提出易于工程實際施行的T 形梁的預防性養(yǎng)護方法對今后緩解T 形梁巨大養(yǎng)護壓力具有重要意義.

2 工程概況和有限元模型

同濟大學曾有一個經典的有機玻璃模型試驗，即由5 根T 形有機玻璃梁組成的簡支梁橋按照比例1∶20 來模擬鋼筋混凝土T 形梁的受力.試驗結果表明，由于橫隔梁加強橫向剛度，對T 形梁的荷載、變形以及支反力的分布有明顯影響[9].但也有相關研究表明，橫隔梁破損對橋梁整體靜力荷載下工作性能影響不大[10].本文選取具備代表性的30 m 簡支T 形梁橋為研究對象，橋寬12.5 m，由5 片T 形梁組成，梁高2 m.預制T 形梁、橫隔梁、封錨端、濕接縫以及橋面現(xiàn)澆都采用C50混凝土；橋面鋪裝采用瀝青混凝土；設計荷載為公路一級.橋梁橫斷面如圖1 所示.

圖2 為采用Midas FEA 建立的30 m T 形梁有限元模型.

圖1 裝配式T 形梁橫截面

圖2 裝配式T 形梁有限元模型

通過修改提高橫梁的約束節(jié)點位置來模擬橫隔梁受損的工況，主要參數有：計算跨徑L=28.9 m；彈性模量E=3.45×104MPa；跨中截面慣性矩Ic=0.574 m4；跨中截面面積Ac=1.004 m2.

當T 形梁橋的橫隔梁出現(xiàn)損傷以后，T 形梁橋就會逐漸向半剛半鉸接甚至完全鉸接轉化.半剛半鉸接的T 形梁橋，運營一段時間以后，會出現(xiàn)各種損傷或病害，橫向剛度也會隨之削弱，其整體剛度將由半剛半鉸接向鉸接方向轉換[11].這時，T 形梁的m 值(m 為橫向分布系數)將不再是設計時計算的結果.濕接縫尚未出現(xiàn)損傷時，T形梁的m 值差異不大，結構整體受力性能良好.當不同位置處濕接縫出現(xiàn)損傷之后，中梁承受的荷載將隨損傷的擴大而增大，邊梁則減小，由此中梁將出現(xiàn)單獨受力情況，導致濕接縫進一步增大[12].

本文利用加權位移在橫隔梁的不同節(jié)點建立新的約束方程，由此建立橫隔梁有損傷的橋梁計算模型[13].目前常采用的T 形梁橫向加固方法主要有：重建橋面鋪裝；橫隔梁粘貼鋼板加固；橫隔梁下緣增大截面加固；增設新的鋼橫隔梁；引入橫向預應力加固[6].重建橋面鋪裝由于影響橋梁正常運營，一般不作為預防性養(yǎng)護最佳方案.

方案1，在橫隔梁上粘貼鋼板加固.由于端部橫隔梁粘貼鋼板實際施工較為困難，故本文只考慮在中橫隔梁上粘貼鋼板，如圖3 所示.

圖3 橫隔梁粘貼鋼板

圖4 橫向預應力加固

方案3，在兩橫隔梁中間增加1 道平行于原橫隔梁的工字形鋼橫隔梁，并采用梁單元進行模擬.鋼橫隔梁截面積為0.002 8 m2，泊松比為0.3，密度為7 600 kg/ m3.

采用Midas FEA 對以上3 種方案進行模態(tài)分析和橫向分布系數計算，并輸出結果.

3 有限元結果分析

3.1 3 種不同提高橫向剛度的加固方案

圖5 有限元模擬橫隔板損傷

本文采用加權位移法在橫隔板的不同節(jié)點處建立約束方程來模擬橫隔板損傷狀態(tài).如圖5 所 示，在1-1’和5-5’節(jié)點建立約束方程來模擬橫隔板破損前狀況；在1-1’和4-4’節(jié)點建立約束方程來模擬破損后的狀況.

根據Midas 有限元模型輸出結果分析3 種不同加固方法在橫隔梁破損后對T 形梁橋橫向剛度的提高程度.

3.1.1 鋼板粘貼加固

鋼板粘貼加固后得到不同一階振型的自振頻率變化，如表1 所示.

表1 T 形梁鋼板粘貼加固參數變化 Hz

鋼板粘貼加固前后得到的T 形梁跨中橫向分布系數計算結果見表2(集中荷載作用于1 號梁中心).

表2 T 形梁粘貼鋼板加固跨中橫向分布系數變化

由表2 可看出，粘貼鋼板對T 形梁橋橫向剛度提升不大，且由于大量粘貼鋼板增加了結構自重，反而導致梁體豎向剛度有少許下降.從橫向分布系數分析，加固前后其變化不大，證明粘貼鋼板對橫向分布的改善非常有限.若橋梁橫隔梁出現(xiàn)損傷情況，除用混凝土砂漿修補之外，僅可考慮將鋼板粘貼加固作為輔助加固措施.由于鋼板尺寸不大，且鋼材剛度不大，該加固措施很難從根本上改變T 形梁橋橫向剛度被削弱的事實.

3.1.2 橫向預應力加固

T 形梁引入橫向預應力加固后所得不同一階振型的自振頻率變化如表3 所示.

表3 T 形梁橫向預應力加固參數變化 Hz

T 形梁引入橫向預應力加固后的跨中橫向分布系數變化情況見表4(集中荷載作用于1 號梁中心).相較于T 形梁橫隔梁損傷后且未加固時的自振頻率，施加橫向預應力加固后豎向頻率(4.279)較加固前頻率(4.219)提高了約1.4%；橫向 頻率(5.729)較加固前頻率(5.659)提高了約1.2%.這是由于橫向預應力的介入大大增強了T 形梁的整體性，直接帶來了整體剛度的提升.從橫向預應力加固前后結果分析，在邊梁最不利工況加載下，引入橫向預應力也可帶來較大的改善.若集中荷載作用在中梁，橫向預應力對橫向分布的改善將更佳.由此可知，對T 形梁引入橫向預應力進行加固，可以在某種程度上增強T 形梁的橫向剛度和豎向剛度.但是，由于橫隔板的厚度不大，橫向預應力的引入會給橫隔板帶來傾覆或失穩(wěn)的風險.因此，實際工程中應當謹慎引入橫向預應力，并應對橫隔板進行抗傾覆驗算.

表4 T 形梁橫向預應力加固跨中橫向分布系數變化

3.1.3 鋼橫隔梁加固

新增鋼橫隔梁加固后所得不同一階振型的自振頻率變化如表5 所示.

表5 鋼橫隔梁加固參數變化 Hz

新增鋼橫隔梁加固各梁跨中橫向分布系數的變化見表6 (集中荷載作用于1 號梁中心).

表6 T 形梁鋼橫隔梁加固跨中橫向分布系數變化

從表6可看出，T形梁新增鋼橫隔梁加固后，橋梁的豎向自振頻率從4.219 Hz 下降到了4.081 Hz，降低了約2.9%；橫向自振頻率從5.659 Hz提升到了5.777 Hz，提升了約2.1%.豎向剛度有不少的下降，這是新增鋼橫隔梁帶來T 梁自重增大的原因.從橫向分布情況分析，鋼橫隔梁加固對橫向分布的改善也非常明顯，橫向分布系數最大的1 號梁降低了約4.9%.因此，若T 形梁豎向剛度有一定的富余，在撓度不大的情況下增加鋼橫隔梁對其橫向進行加固，可以在一定程度上增強橋梁整體的橫向剛度，并且在施工作業(yè)中無須停止運營，綜合加固效果和經濟效益相對優(yōu)異.

3.2 T 形梁預防性養(yǎng)護時機

在T 形梁有限元模型中，將約束節(jié)點提高到3-3’節(jié)點，模擬進一步增大T 形梁加固前橫隔梁的損傷程度，重新輸出結果，其自振頻率變化見表7.

表7 增大橫隔梁損傷后自振頻率變化 Hz

由此可知，當橫隔梁損傷較大時(橫向剛度損失達到4.2%)，以上加固方案雖然在補強橫向剛度效果上有所提升，卻難以彌補T 形梁橫隔梁損傷增大帶來的橫向剛度損失.T 形梁橫向剛度削弱之后，將引起不同T 梁橫向分布系數改變.橫隔梁的損傷會蔓延至濕接縫，在濕接縫損傷之后T 形梁的受力形式將演變成前文所述的半剛半鉸接狀態(tài)，嚴重時會引起單梁的損壞.因此，最佳的養(yǎng)護和加固時機應當是在橫隔梁出現(xiàn)一定損傷時及時加固，避免結構出現(xiàn)不可逆的損傷，而不是等到濕接縫損傷以后再彌補.

4 結論與建議

1)裝配式T 形梁橋橫向損傷會從橫隔梁逐漸發(fā)展到濕接縫.目前，T 形梁的養(yǎng)護加固工作卻對橫隔梁的養(yǎng)護重視不足.T 形梁橫隔板損傷不大時，若不能得到重視并加以有效的養(yǎng)護和加固，因其橫向剛度已遭到削弱，若在重載下?lián)p傷程度將不斷加劇.

2)當T 形梁損傷程度較大時，常用加固手段難以彌補損失的橫向剛度，會導致?lián)p傷蔓延至濕接縫，最終T 形梁橫向將轉變成半剛半鉸接形式，造成單梁損壞直接影響橋梁行車安全.

3)放任T 形梁橫隔板的輕微損傷，直至發(fā)展到濕接縫時再予以糾正性養(yǎng)護無法阻止裝配式T形梁損傷的增大.因此，基于全壽命周期考慮的T 形梁的預防性養(yǎng)護，應當定期檢查T 形梁橫隔板狀況，在橫隔梁出現(xiàn)輕度損傷時，應及時采取一定的養(yǎng)護加固和補強措施.