提高连续小箱梁横向刚度加固方案研究

沈项斌， 方 圆

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

提高连续小箱梁横向刚度加固方案研究

沈项斌， 方 圆

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

连续小箱梁具备标准化设计、工厂化预制、装配化施工等各方面优点，广泛应用于公路、市政道路工程中。目前交通量日益增大，重载车辆也随之增加，小箱梁之间的横向联系刚度问题成为工程界研讨的热点。以30 m跨径连续小箱梁为例，提出考察小箱梁横向联系刚度关键参数的基础上，采用理论分析的方法，对比研究了提高小箱梁横向联系刚度的优化方案。

连续小箱梁；横向联系刚度；工字钢

近十几年来，随着公路建设事业的蓬勃发展，国内修建了大批桥梁。预制混凝土小箱梁桥由于具有良好的经济技术指标、建筑高度低和施工便捷等优点，广泛用于跨径20～40 m的中、小跨径桥梁。同时，对于小箱梁的研究工作也有了很大的进展，使小箱梁结构已成为典型的桥梁结构形式之一。虽然小箱梁因其优良的经济技术指标被广泛应用，但由于设计上考虑不周、施工不当、超载车的影响再加上自身的老化和养护不够等原因，现有小箱梁桥梁已经出现了较为典型的病害。其中，随着交通量的增大，重载车辆的增加，早期建造的无跨中横隔板或小箱梁中心间距过大(湿接缝较宽)的桥跨结构，运营中活载挠度较大振幅显著的情况尤为突出，影响行车舒适性的同时，加剧了桥面铺装的损伤[1-5]。

本文以典型的3×30 m连续小箱梁桥跨为分析实例，在建立理论分析模型的基础上，提出反应小箱梁横向联系刚度的参数指标，并针对提高该结构横向联系刚度、减小活载挠度的加固改造措施进行了分析研究。

1 工程概况

1.1 结构概况

某工程采用多联30 m跨连续梁桥跨结构，主梁采用后张法预制预应力混凝土组合小箱梁，箱梁梁高1.6 m，间距3.7 m，其中梁宽2.4 m，翼板间湿接缝宽1.3 m，主梁断面布置具体见图1所示。组合箱梁采用先简支后连续施工，设计标准如下：

桥梁设计荷载等级：城-A级；

抗震设防烈度：7度；

桥面宽度：14.4 m=0.5 m护栏+12.1 m行车道+1.5 m人行道+0.3 m栏杆。

图1 主梁断面布置图

1.2 结构现状及病害情况

(1) 桥面存在大量的纵、横向裂缝以及网裂，横缝大部分贯通，纵缝部分贯通，裂缝主要分布在跨车道和行车道上。

(2) 活载振幅较大，桥面振动较为明显。

1.3 病害成因分析

通过对裂缝的开裂位置即特征，并结合桥梁结构特点，桥面裂缝产生的原因主要有：

(1) 桥梁运营重车较多，交通量较大。

(2) 由于该桥的湿接缝较大，达到1.3 m，桥梁横向刚度相对来说也就较弱，并且未设置中横隔板，因此造成桥面板在活载作用下，振幅较大，进而产生裂缝。

从桥梁结构本身考虑，该桥的问题横向刚度相对较弱，需要提高横向联系刚度。

2 加固方案

原设计主梁承载能力极限状态和正常使用极限状态均满足设计规范要求，因此，本次仅针对提高小箱梁横向联系刚度进行方案设计。在对目前加固方法进行全面对比，并经过理论和试验分析论证后，最终决定采用在小箱梁之间增设H型钢梁横向联系，即在四分点处各设置一道工字梁[5-9]，具体见图2，H型钢横梁具体见图3所示。

图2 H型钢横梁加固方案

图3 H型钢横梁断面图

3 结构分析

3.1 分析模型

针对3×30 m连续小箱梁桥跨结构，采用实体有限元进行建模分析，有限元模型具体见图4和图5。

图4 实体有限元分析模型

图5 H型钢梁与主梁腹板的连接

3.2 参数指标

为准确、有效反映加固前后结构横向联系刚度的提高，通过数值分析的方法对以下参数指标进行对比研究：

(1) 结构边中跨扭转基频。

(2) 车辆荷载作用下边、中梁挠度差。

(3) 车辆荷载作用下主梁顶板最大应力。

3.3 荷载布置及分析工况

车辆荷载总轴重为30 t，4辆车一组，加载标准车参数见图6。

图6 加载标准车参数图(30t车型)

车辆荷载布置的原则为：车辆最不利的布载方式为梁体最大竖向挠度的同时，边、中梁挠度差也最大。车辆荷载具体布置方式见图7。

图7 车辆荷载布置示意图

根据图中车辆荷载的布置，相应分析工况如下：

工况1：车辆边跨偏载工况。

工况2：车辆边跨中间加载工况。

工况3：车辆中跨偏载工况。

工况4：车辆中跨中间加载工况。

3.4 分析结果

(1) 结构扭转基频。结构扭转频率是连续小箱梁横向联系刚度的考察指标之一，横向联系刚度越大，基频越高。结构加固前后扭转基频比较见表1，扭转频率振型见图8。

表1 扭转基频比较

图8 扭转频率振型

(2) 跨中桥面挠度曲线。通过对车辆荷载作用下边、中跨跨中位移的变化，考察加固前后提高结构横向联系刚度的效果。图9～图12所示为边、中跨跨中桥面竖向挠度的变形曲线的对比。

工况1：

图9 加固前后边跨跨中位置桥面挠度(偏载)

工况2：

图10 加固前后边跨跨中位置桥面挠度(中间加载)

工况3：

图11 加固前后中跨跨中位置桥面挠度(偏载)

工况4：

图12 加固前后中跨跨中位置桥面挠度(中间加载)

由图9～图12所示计算结果可知，加固后车辆偏载作用下，边、中跨各片小箱梁竖向变形较为协调，表现为整体扭转引起的横向挠度差；车辆中间加载作用下，边、中梁竖向挠度差减小36%，改善幅度较大。

(3) 桥面板横向应力。通过对车辆荷载作用下边、中跨跨中桥面板横向应力比较，考察加固前后提高结构横向联系刚度的效果。

图13～图16所示为加固前后边、中跨跨中桥面横向应力分布计算：

工况1：

图13 加固前后边跨跨中桥面板横向应力(偏载)

工况2：

图14 加固前后边跨跨中桥面板横向应力(中间加载)

工况3：

图15 加固前后中跨跨中桥面板横向应力(偏载)

工况4：

图16 加固前后中跨跨中桥面板横向应力(中间加载)

表2所示为结构加固前后，边、中跨不同车辆荷载加载方式下(工况1～工况4)，主梁顶板上缘横向应力的汇总：

表2 桥面板上缘横向应力计算结果汇总

通过图13～图16及表2所示车辆荷载作用下边、中跨跨中桥面板横向应力比较计算可知：

通过H型钢加固后，结构整体横向刚度提高较为明显，活载偏载作用下，主梁顶板最大横向拉应力显著减小，减小幅度约32%～44%；活载中间加载作用下，主梁顶板最大横向拉应力显著减小，减小幅度约37%。

4 结束语

本文以30 m跨径连续小箱梁为例，在理论分析的基础上，提出小箱梁横向联系刚度的敏感性指标，并针对提高该类型结构横向联系刚度的加固方案进行了研究，通过对比分析得出以下结论：采用在小箱梁之间增设H型钢梁横向联系，即在四分点处各设置一道工字梁的加固方案，对提高结构整体横向刚度效果较为明显，具体表现在以下几个方面：

(1) 扭转基频是连续小箱梁横向联系刚度的重要指标，加固后结构扭转频率显著提高。

(2) 车辆荷载作用下，主梁断面挠度差为反映结构横向联系刚度的重要指标之一，加固后边、中跨各片小箱梁竖向变形较为协调，表现为整体扭转引起的横向挠度差，且差值显著减小。

(3) 车辆荷载作用下，桥面板的横向应力为反映连续小箱梁横向联系刚度的另一重要指标之一，采用H型钢横梁加固后主梁顶板横向应力显著减小。

[1] 范立础.桥梁工程[M]. 北京:人民交通出版社,1997.

[2] 陈兆毅.某预制小箱梁桥的病害分析与加固研究[D].大连.大连理工大学，2008.

[3] 郭守儆.中小跨度带翼小箱梁的特点及应用状况[J].四川建筑, 2007,27(4):122～127.

[4] 李凤求，杨 莉.桥梁加固技术探讨[J]. 湖南交通科技，2005(2)：85～87.

[5] 余 泉.多箱式连续小箱梁桥受力特性的分析及其试验研究[D].杭州.浙江大学，2006.

[6] 黄 侨.公路钢筋混凝土简支梁桥的体外预应力加固技术[M].北京:人民交通出版社, 1998.

[7] 袁万诚,崔 飞,张启伟.桥梁健康监测与状态评估的研究现状与发展[J]．同济大学学报, 1999.27(2):184～188.

[8] 魏建年，李宝强.小箱梁加固[J].公路，2004(8)：290～292.

[9] 原国华.某预应力混凝土小箱梁桥不同加固方法试验对比分析J]．山西交通科技，2015(4)：51～53.

2016-06-02；修改日期：2016-06-17

沈项斌(1969-)，男，安徽宿松人，安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司高级工程师．

U443.33

A

1673-5781(2016)04-0465-04