一种新型组合式钢横隔梁的设计与应用

姚　嘉，王光明，王　灏(北京市市政工程研究院，北京　100037)



一种新型组合式钢横隔梁的设计与应用

姚嘉，王光明，王灏
(北京市市政工程研究院，北京100037)

摘要:增设钢横隔梁是一种常见的旧桥加固方式，但在位于重要交通线路上的桥梁增设钢横隔梁时，由于无法中断桥面交通，使得新增横隔梁被动受力，影响加固效果。受预应力结构的启发，对钢横隔梁施加一定的预应力，藉此平衡部分外荷载所引起的拉应力，从而改善加固效果，提高桥梁整体性。基于此理念，设计一种新型组合式钢横隔梁，并应用于实桥加固。

关键词:钢横隔梁桥梁加固预应力设计计算现场试验

1　新型组合式钢横隔梁的初步构想

增设钢横隔梁是一种常见的旧桥加固方式，但是由于桥梁自身不同的运营环境，并受施工、设计等条件所限，采用钢横隔梁加固时存在如下问题:

1)主梁与新增钢横梁间多采用锚栓连接，但锚栓连接在施工偏差及长期荷载作用下会产生松动，最终导致增设横隔梁发生扭曲现象，加固效果大打折扣。

2)由于在钢横隔梁加固过程中无法中断桥面交通，使得新增横隔梁在受力工作时有一定滞后性。

针对主梁与钢横隔梁连接整体性差的现象，初步设想改变锚栓直接连接腹板与钢横隔梁的结构形式，通过增大受力平面，缓解应力集中现象;通过主梁腹板与横隔梁交叉限制其相对移动，增加整体性。

为解决主梁受力滞后问题，受预应力结构启发，若对横隔梁施加一定的预应力，可以平衡部分外荷载所引起的拉应力，同时可以抵抗部分结构变形。

2　有无预应力工况的效果分析

本设计最终应用于某旧桥大修工程，故理论计算及深化设计均依照实桥结构尺寸。旧桥及新设横隔梁构造见图1、图2及图3。

图1　一孔(半幅)桥平面(单位:cm)

图2　主梁横截面尺寸(单位:cm)

图3　钢横隔梁尺寸(单位:cm)

运用有限元软件Ansys进行全桥实体建模，通过在钢横隔梁上施加温度荷载，以模拟预应力效果。通过对比有、无预应力工况下主梁受力情况，分析预加应力的效果。

2.1新型钢横隔梁对T梁翼板的影响

在主梁翼板上翼缘跨中位置设置1 m宽的均布荷载q = 10 kN/m，分为有预应力和无预应力工况，预应力预设为20 kN，分别计算主梁翼板竖向位移及翼板下翼缘应力。

计算表明:除两侧边主梁外，中主梁有预应力工况翼板竖向位移均小于无预应力工况，这说明预应力对跨中位置中主梁翼板竖向位移有一定幅度的降低。此外，跨中主梁翼板下翼缘拉应力横桥向分布有7个明显的拐点，这7个拐点均位于各主梁翼板连接处。且拉应力极值均位于R1，R2主梁翼板连接处，此处有预应力工况较无预应力工况拉应力下降了41.1%。有预应力工况主梁翼板下翼缘拉应力包络于无预应力工况，这说明预应力的设置对主梁翼板下翼缘的受力十分有利。

2.2新型钢横隔梁对T梁腹板的影响

计算模型同前，分别计算主梁腹板竖向位移及腹板梁底应力。结果表明:在预应力作用下，除边主梁外，中主梁梁底竖向位移均小于无预应力状态，其中，R4中主梁腹板梁底竖向位移降低了2.0%。此外，有预应力工况中主梁腹板梁底应力较无预应力工况小。其中，R4梁底最大拉应力降低了3.0%。

2.3新型钢横隔梁对全桥抗扭变形的影响

为了研究安装新型钢横隔梁后全桥的抗扭性能，对桥梁施加偏心荷载计算主梁腹板梁底的竖向位移，通过最大值与最小值之差，反映横隔梁对全桥抗扭刚度的影响。其他参数不变，仅将外荷载改为1 000 kN，作用于边主梁上。偏载作用下跨中主梁梁底位移曲线如图4所示，可知预应力的设置对全桥抗扭变形有一定的改善。

图4　偏载作用下跨中主梁梁底位移曲线

3　新型组合式钢横隔梁的深化设计

3.1新型组合式钢横隔梁与主梁腹板的连接

一些早期的钢横隔梁加固设计，主梁与新增钢横梁的连接多采用锚栓连接，但锚栓连接在施工偏差及长期荷载作用下会产生松动，导致增设横隔梁发生扭曲甚至松动的现象，影响加固效果。

若采用U形钢板包覆主梁腹板，并在其间隙中注入高强度胶，可以增大受力面积，从而分散应力，使主梁腹板与横隔梁整体性更好。将贯穿主梁腹板的长螺栓与U形钢板锁紧固定，可以将部分原本作用在混凝土与钢结构连接处的应力转移到螺栓与钢板锚固处，相较于锚栓连接，降低了混凝土结构的受力。U形钢板连接示意如图5。

图5　 U形钢板连接示意

3.2新型组合式钢横隔梁横向预应力施加

新型组合式钢横隔梁预应力的施加方式可根据实际情况选定。本次实桥加固的施加方式，采用内置于端侧套筒内的加力装置直接对钢横隔梁施加预应力，在保持横隔梁受力状态下将其与主梁连接固定，加力装置见图6。由于本项目为科学研究，试验预应力加载为25 kN。

4　实桥加固工程应用与分析

本桥加固竣工后，对实桥进行了加载试验，以评定加固效果。

图6　加力装置

4.1试验加载方案

试验采用加载车辆参数如图7所示。

图7　加载车辆参数

加载车辆布置见图8、图9。由于本桥位于交通干道，为防紧急需要，应产权所有单位要求，横桥向只布置2列荷载车。

图8　加载车辆横桥向布置(单位:m)

图9　加载车辆纵桥向布置

4.2测点布置

1)变形测点

分别布置于R1—R8梁体跨中，即x1，x2，…，x8。

2)应变测点布置见图10。

图10　应变测点布置

4.3试验安排

本次试验进行如下3期荷载试验:

1)原桥荷载试验，主要测试桥梁的变形、应力及横向分布情况;

2)原设计钢横隔梁加固后荷载试验;

3)新型组合式钢横隔梁加固后荷载试验。

4.4试验结果分析

4.4.1变形测点分析

本次试验采用原设计加固和新型组合式钢横隔梁加固，限于篇幅，现仅选取代表性桥跨数据进行分析。

试验第一跨按原设计钢横隔梁加固，加固前、后跨中主梁梁底挠度实测值见图11(图中曲线上测值点自左向右为测点x1，x2，…，后同)。

图11　第一跨加固前、后跨中主梁梁底挠度实测值

由图11可知，第一跨在安装钢横隔梁加固前，在试验荷载作用下最大挠度实测值为－3.24 mm，加固后最大挠度实测值为－2.80 mm。加固后第一跨跨中主梁挠度横向分布曲线趋于平缓，说明采取的加固措施加强了主梁之间的协同工作能力。

试验第二跨采用新型组合式钢横隔梁加固，加固前、后跨中主梁梁底挠度实测值见图12。

图12　第二跨加固前、后跨中主梁梁底挠度实测值

由图12可知，第二跨在安装新型组合式钢横隔梁前，在试验荷载作用下最大挠度实测值为－3.08 mm，加固后最大挠度实测值为－2.81 mm。

图13　第一、二跨加固后跨中主梁梁底挠度实测值比较

图13对比了第一、二跨加固后跨中主梁梁底挠度实测值，可知加固后第二跨部分测点挠度略大于加固后的第一跨。因试验荷载为偏载，荷载车直接作用于R1—R5主梁上，而挠度增大的测点位于相对远离荷载车的位置，由此可见，新型组合式钢横隔梁相比原设计，能使主梁挠度横向分布更平缓。但就本次试验而言，横向预应力值较小，故新型组合式钢横隔梁对主梁梁底挠度及荷载的横向分布影响不显著。

4.4.2应变测点分析

第一跨在试验荷载作用下，加固前、后主梁梁底各测点应变实测值见表1。

表1　第一跨跨中主梁梁底应变实测值

由表1可知，第一跨加固前y1，y2，y5测点实测应变校验系数＞1.0，不满足《公路桥梁承载能力检测评定规程》(简称《桥规》，后同)的要求。造成此现象的原因:此三处测点位置均存在裂缝，在试验荷载作用下，裂缝开展。就全跨而言，加固前最大梁底应变测点位于y2测点位置，为横向裂缝区，应变为327×10－6，加固后此测点应变为271×10－6，降低了17%。未开裂区域加固前最大应变位于y3测点，其值115×10－6，加固后此测点应变为99×10－6，降低了14%。其余各测点加固后应变均小于加固前。

第一跨在试验荷载作用下，加固前、后主梁翼板连接处各测点应变实测值见表2。

表2　第一跨跨中主梁翼板连接处应变实测值

由表2可知，第一跨加固前d2，d3，d4测点处实测应变校验系数＞1.0，不满足《桥规》的要求。造成此现象的原因:主梁翼板间铰缝脱落，在试验荷载作用下，脱空位置开展。就全跨而言，加固前最大应变位于d4测点位置，应变为282×10－6，加固后此测点应变为236×10－6，降低了16%，均小于加固前。

第二跨在试验荷载作用下，加固前、后主梁梁底各测点的应变实测值见表3。

表3　第二跨跨中主梁梁底应变实测值

由表3可知，就全跨而言，加固前最大梁底应变位于y3测点位置，为横向裂缝区，应变为286×10－6，加固后此测点应变为241×10－6，降低了16%。未开裂区域加固前最大应变位于y2测点，其值107×10－6，加固后此测点应变为88×10－6，降低了18%。其余各测点加固后应变均小于加固前，说明增设新型组合式钢横隔梁对跨中主梁梁底受力是有益的，且并未出现因预应力引起的主梁和钢横隔梁连接处梁底应力增大的现象，这说明U型钢板的设计是有效的。

第二跨在试验荷载作用下，加固前、后主梁翼板连接处各测点的应变实测值见表4。

表4　第二跨跨中主梁翼板连接处应变实测值

由表4可知，第二跨主梁采用新型组合式钢横隔梁加固前各主梁翼板连接处最大应变位于d3测点位置(此处铰缝开裂)，应变为318×10－6，加固后此测点应变为251×10－6，降低了21%。此外，另一铰缝脱落处测点d4加固前最大应变为192×10－6，采用新型组合式钢横隔梁加固后d4测点应变降为146×10－6，减少了24%，对比第一跨铰缝脱落处测点的应变变化较为明显。此结论印证了横向预应力的施加可以有效地改善铰缝损坏界面的受弯状态，从而改善结构受力。铰缝未脱落区域加固前最大应变位于d2测点位置，其值为39×10－6，加固后此测点应变为26×10－6，降低了33%。其余各测点加固后应变均小于加固前，说明增设新型组合式钢横隔梁对跨中截面主梁翼板连接处的受力是有益的，对比第一跨加固前后主梁翼板连接处的应变变化，横向预应力的添加对铰缝处的改善效果是比较明显的，此结果与理论计算相符。

5　结论

本文从钢横隔梁加固工作中遇到的问题出发，提出了新型组合式钢横隔梁的初步构想，通过对简支T形梁桥的空间受力分析，完成深化设计，依托实际项目进行验证，得到结论如下:

1)新型组合式钢横隔梁将原加固横隔梁划分为若干组件，并对钢横隔梁预先施加一定的预应力，使全桥横向变形得到改善，主梁挠度横向分布趋于平缓。采用新型组合式钢横隔梁对原T形梁加固后，全桥主梁的翼板及腹板应力和竖向位移均有利好变化，其中，对相邻主梁翼板连接处效果最为明显。边主梁有应力变大及挠度增加的现象，但因预应力的大小是可控制的，该影响应在可接受的范围内。

2)新型组合式钢横隔梁的预应力，可依照主梁连接处最大剪力一定法或按照受损截面与原设计截面所能承受的弯矩、剪力控制值的差值法来确定;

3)新型组合式钢横隔梁采用U形钢板及通长螺栓与主梁连接。通过试验证实，此设计与以往常用的方法比较能够分散主梁腹板与钢横隔梁连接处的应力集中，并使新旧构件有效结合，满足结构的整体性要求。

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(责任审编孟庆伶)

Design and Application of New-type Composite Steel Diaphragm

YAO Jia，WANG Guangming，WANG Hao

(Beijing Municipal Engineering Institute，Beijing 100037，China)

Abstract:An extra steel diaphragm is a common way of reinforcement of existed bridges.But bridges in important traffic routes are still open to traffic even during steel diaphragm installation，resulting in unpleasant force in the new diaphragm.W hen prestress is applied to the steel diaphragm，it can reduce the tensile stress caused by external loads and improve reinforcement effect and integrity of the bridge.W ith this idea，a new-type of composite steel diaphragm is designed and applied to real bridge reinforcement.

Key words:Steel diaphragm;Bridge reinforcement;Prestress;Design calculation;Field experiment

作者简介:姚嘉(1983—)，男，工程师，工程硕士。

基金项目:北京市政路桥集团有限公司技术创新项目(2013-07)

收稿日期:2015-12-02;修回日期:2016-01-08

文章编号:1003-1995(2016)03-0025-05

中图分类号:TU445.7+2

文献标识码:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.07