装配式I型简支梁钢桁架横向联系加固静动力特性研究

2020-09-05马乃轩

山东交通科技 2020年4期

米刚，李响，马乃轩，钟毅

（1.山东高速股份有限公司，山东枣庄 277100；2.湖南衡邵高速公路有限公司，湖南长沙 4100053；3.山东高速工程检测有限公司，山东济南 250002）

引言

装配式简支梁受力明确、构造简单、施工速度快，是中小跨径桥梁中广泛采用的桥型。部分早期建造的在役桥梁由于设计标准较低、运营期年限增加，加之我国交通量及交通荷载等级不断提升，相当一部分桥梁在运营服役期间出现了各种各样的病害，严重危及结构安全[1]。在这些病害中，横向联系退化是常见装配式梁桥严重病害之一[2]。

横向联系是装配式简支梁整体受力的纽带，影响桥梁整体承载能力和稳定性。横向联系刚度降低造成横向传力能力下降，单梁承载激增，即结构局部受力加大；亦使桥梁整体抗扭刚度减小，严重者会出现结构失稳。通过近年桥梁检测发现，简支梁桥中横向联系减弱失效问题较为普遍，应引起桥梁养护管理者的高度重视。目前有很多方法可对在役桥梁横向联系加固，加固效果也各有不同。选用最优加固方案，对桥梁的养护管理就显得十分必要[3]。

1 工程概况

1.1 桥梁概况

105国道上某跨越河流桥梁修建于1970年，其上部结构为3×33 m预应力混凝土装配式I型简支梁，横向由5片主梁通过3道横隔板形成整体，顶部现浇10～20 cm钢筋混凝土桥面板。设计荷载为汽车-13、拖车-60。2006年，对该桥进行了加固维修，通过在原桥两侧各增设一片主梁实现加宽，两侧各增加2.0 m非机动车道。

1.2 病害情况

该桥属国道桥梁，服役年限长，交通量大且重车较多。在检测中发现该桥主要病害：（1）跨中横隔板与主梁连接处出现混凝土开裂的病害，开裂位置从横隔板顶部到横隔板底部，且两端横隔板均有开裂。（2）部分微弯板存在横向裂缝，缝宽0.10 mm。

由于该桥长期承受重载交通作用，同时桥梁的横向连接存在结构性病害。过车振动时，横隔板缝隙有明显的开合，多处横隔板功能降低，横向刚度下降，存在单梁受力风险，危害到桥梁运营安全。因此，必须对该桥的横向联系进行加固。

2 横向联系加固设计

（1）增强桥面补强层。在主梁横向用直径较大的钢筋进行植筋，并整体浇筑混凝土，以此来提高桥梁的横向刚度。该方法施工简单，但需封闭交通，且自重增加较大。（2）增设横向预应力。在多主梁旧桥边梁两侧通过布置贯通横截面的预应力钢束进行补强。该方法可提高抗剪承载力，优化荷载的横桥向分布，但会在主梁产生应力集中现象，并且待加固桥梁需要验证其抗倾覆能力是否满足要求。（3）T转箱—转换截面。该方法的优点是提高抗弯、扭能力，自重增加小，但是目前其理论计算尚不完善。（4）增设横隔板。在横向隔板之间增加钢横梁，此法可提高结构的横向刚度和稳定性，且自重增加不大。

考虑到该桥属国道桥梁，交通量较大，封闭时间不宜过长，且需考虑施工便宜性及工期方面等要求。综合多方面因素，本桥最终选择增设钢横隔梁的方法进行加固。钢桁架采用普通碳素钢Q235-A，高强螺栓将钢桁架与混凝土梁连接。分别在L/4、3/4L和距中横隔板0.5 m位置处设置三道钢桁架。

3 计算结果分析

采用Midas Civil对比加固前、后有限元模型，分析桥梁横、竖向自振频率改善情况以及设计偏载作用下静力响应，进而说明采用加固方法的有效性[4-5]。

加固前全桥共542个单元，其中主梁和混凝土横隔板采用梁单元模拟，边梁横撑采用桁架单元模拟。加固后有限元模型单元数量为574个，其中钢桁架采用桁架单元模拟。有限元模型见图1～图4。

图1 加固前有限元模型

图2 加固后有限元模型

图3 加固前前两阶振型

图4 加固后前两阶振型

经计算分析，加固前后桥梁的横向、竖向自振频率对比结果见表1。

表1 加固前后桥梁的横向、竖向自振频率及周期

（1）由表1可知采用增加钢桁架加固方式，主梁竖向自振频率由3.712 9 Hz增大至3.721 4 Hz，提高了0.23%，竖向刚度变化不大；其横向+扭转的自振频率由4.467 2 Hz增大至4.581 6 Hz，提高了2.6%。通过分析结果表明，增加钢桁架加固可以有效提高装配式简支梁的横向和抗扭刚度。（2）对桥梁加固前后设计偏载作用下各主梁挠度值对比结果见表2。

对比图5、图6，增加钢桁架加固后，1#～3#主梁在偏载作用下静载挠度均有不同程度地减小，而4#～5#主梁挠度增加。以1#主梁1/2L静载挠度为例，偏载作用下的挠度值从10.460 mm降至9.754 mm，减小了6.749%；在1/4L处截面各主梁挠度值均匀性显著增强。由此可见，增强相邻主梁之间的连接后，主梁整体性加强，各主梁协同受力性能得到改善。