装配式T形梁桥预防性养护方法

张文韬，王正宇，邬晓光*，刘嘉欣

(1. 长安大学 公路学院，西安 710064；2. 漯河市公路建设和养护中心，河南 漯河 462000)

桥梁作为国家基础设施建设中的关键部分，除受到超载和庞大车流量的反复荷载作用外，还经受气候和环境的影响，其预期使用寿命由此逐年下降.因桥梁主体结构存在着一定的损伤和病害，为了安全起见，必须进行大规模的养护和加固[1].根据调查显示，我国现役桥梁中，中小跨径桥梁占到了总里程近80%，而装配式桥梁占到了中小跨径桥梁中的大多数.这一类中小跨径的装配式桥梁大量选用T 形梁、空心板和小箱梁的形式，生产工艺成熟，结构形式科学，受力性能理想.由于我国交通量的快速攀升，桥梁病害加速发展，给桥梁养护带来了巨大的压力.

早期建设的装配式梁桥设计施工当中的不足逐渐暴露出来：

1)重视纠正性养护而轻视预防性养护.纠正性养护往往在结构已发生局部破坏后再进行补救加固，这显然是一种事后的、被动的养护方式，往往对桥梁的使用寿命以及耐久性造成损伤，且基于全寿命周期的养护成本将更高.

2)施工和验收中重视T 形梁的纵向强度和刚度而轻视T 形梁的整体受力和横向刚度.随着T形梁使用年限增长，在反复荷载作用下横隔梁容易破损，各梁单独受力也容易造成单梁损坏，此时再进行修补或更换不仅影响交通，资金耗费也较大[2].

1 概述

经过调查发现，河南省境内某干线公路建成十余年来车流量激增，且时常有超载现象，全线多座装配式T 形梁桥超负荷工作出现了单梁破损现象.经统计，由于施工时对T 形梁桥的横向连接重视不足，相邻横隔梁扭曲不共面的情况普遍存在.T 形梁桥横隔梁破损现象较多，且破损程度随着使用年限增加只会愈发严重.T 形梁的横向连接主要采取设置横隔梁这种方式来保证梁体的整体受力和增加梁体的横向刚度.横隔梁在加强梁片的横向联系和保证桥梁的整体性上起着至关重要的作用，足够的横向刚度可以有效防止桥梁由于横向联系的薄弱而引起的病害，从而增强桥梁耐久性[3].目前，国内外对桥梁的预防性养护或T形梁的横向养护加固做了一定的研究.例如，刘明星[4]提出应用马尔可夫桥梁预测模型确定较优的预防性养护时机.于贵等[5]、李芳等[6]提出对混凝土T 形梁横向联系薄弱，横隔梁开裂、破损、混凝土脱落等现象采取的几种横向加固的方法.Davalos 等[7]提出在T 形梁外部粘结FRP 复合材料(Fiber-reinforced polyumer，FRP)来进行加固.Koh 等[8]提出了一种考虑了应力参数和碳化速度系数比的碳化评估方程来评估T 形梁的预期使用寿命.但对于T 形梁桥的预防性养护方法和效果却没有详细阐述.因此，提出易于工程实际施行的T 形梁的预防性养护方法对今后缓解T 形梁巨大养护压力具有重要意义.

2 工程概况和有限元模型

同济大学曾有一个经典的有机玻璃模型试验，即由5 根T 形有机玻璃梁组成的简支梁桥按照比例1∶20 来模拟钢筋混凝土T 形梁的受力.试验结果表明，由于横隔梁加强横向刚度，对T 形梁的荷载、变形以及支反力的分布有明显影响[9].但也有相关研究表明，横隔梁破损对桥梁整体静力荷载下工作性能影响不大[10].本文选取具备代表性的30 m 简支T 形梁桥为研究对象，桥宽12.5 m，由5 片T 形梁组成，梁高2 m.预制T 形梁、横隔梁、封锚端、湿接缝以及桥面现浇都采用C50混凝土；桥面铺装采用沥青混凝土；设计荷载为公路一级.桥梁横断面如图1 所示.

图2 为采用Midas FEA 建立的30 m T 形梁有限元模型.

图1 装配式T 形梁横截面

图2 装配式T 形梁有限元模型

通过修改提高横梁的约束节点位置来模拟横隔梁受损的工况，主要参数有：计算跨径L=28.9 m；弹性模量E=3.45×104MPa；跨中截面惯性矩Ic=0.574 m4；跨中截面面积Ac=1.004 m2.

当T 形梁桥的横隔梁出现损伤以后，T 形梁桥就会逐渐向半刚半铰接甚至完全铰接转化.半刚半铰接的T 形梁桥，运营一段时间以后，会出现各种损伤或病害，横向刚度也会随之削弱，其整体刚度将由半刚半铰接向铰接方向转换[11].这时，T 形梁的m 值(m 为横向分布系数)将不再是设计时计算的结果.湿接缝尚未出现损伤时，T形梁的m 值差异不大，结构整体受力性能良好.当不同位置处湿接缝出现损伤之后，中梁承受的荷载将随损伤的扩大而增大，边梁则减小，由此中梁将出现单独受力情况，导致湿接缝进一步增大[12].

本文利用加权位移在横隔梁的不同节点建立新的约束方程，由此建立横隔梁有损伤的桥梁计算模型[13].目前常采用的T 形梁横向加固方法主要有：重建桥面铺装；横隔梁粘贴钢板加固；横隔梁下缘增大截面加固；增设新的钢横隔梁；引入横向预应力加固[6].重建桥面铺装由于影响桥梁正常运营，一般不作为预防性养护最佳方案.

方案1，在横隔梁上粘贴钢板加固.由于端部横隔梁粘贴钢板实际施工较为困难，故本文只考虑在中横隔梁上粘贴钢板，如图3 所示.

图3 横隔梁粘贴钢板

图4 横向预应力加固

方案3，在两横隔梁中间增加1 道平行于原横隔梁的工字形钢横隔梁，并采用梁单元进行模拟.钢横隔梁截面积为0.002 8 m2，泊松比为0.3，密度为7 600 kg/ m3.

采用Midas FEA 对以上3 种方案进行模态分析和横向分布系数计算，并输出结果.

3 有限元结果分析

3.1 3 种不同提高横向刚度的加固方案

图5 有限元模拟横隔板损伤

本文采用加权位移法在横隔板的不同节点处建立约束方程来模拟横隔板损伤状态.如图5 所 示，在1-1’和5-5’节点建立约束方程来模拟横隔板破损前状况；在1-1’和4-4’节点建立约束方程来模拟破损后的状况.

根据Midas 有限元模型输出结果分析3 种不同加固方法在横隔梁破损后对T 形梁桥横向刚度的提高程度.

3.1.1 钢板粘贴加固

钢板粘贴加固后得到不同一阶振型的自振频率变化，如表1 所示.

表1 T 形梁钢板粘贴加固参数变化 Hz

钢板粘贴加固前后得到的T 形梁跨中横向分布系数计算结果见表2(集中荷载作用于1 号梁中心).

表2 T 形梁粘贴钢板加固跨中横向分布系数变化

由表2 可看出，粘贴钢板对T 形梁桥横向刚度提升不大，且由于大量粘贴钢板增加了结构自重，反而导致梁体竖向刚度有少许下降.从横向分布系数分析，加固前后其变化不大，证明粘贴钢板对横向分布的改善非常有限.若桥梁横隔梁出现损伤情况，除用混凝土砂浆修补之外，仅可考虑将钢板粘贴加固作为辅助加固措施.由于钢板尺寸不大，且钢材刚度不大，该加固措施很难从根本上改变T 形梁桥横向刚度被削弱的事实.

3.1.2 横向预应力加固

T 形梁引入横向预应力加固后所得不同一阶振型的自振频率变化如表3 所示.

表3 T 形梁横向预应力加固参数变化 Hz

T 形梁引入横向预应力加固后的跨中横向分布系数变化情况见表4(集中荷载作用于1 号梁中心).相较于T 形梁横隔梁损伤后且未加固时的自振频率，施加横向预应力加固后竖向频率(4.279)较加固前频率(4.219)提高了约1.4%；横向 频率(5.729)较加固前频率(5.659)提高了约1.2%.这是由于横向预应力的介入大大增强了T 形梁的整体性，直接带来了整体刚度的提升.从横向预应力加固前后结果分析，在边梁最不利工况加载下，引入横向预应力也可带来较大的改善.若集中荷载作用在中梁，横向预应力对横向分布的改善将更佳.由此可知，对T 形梁引入横向预应力进行加固，可以在某种程度上增强T 形梁的横向刚度和竖向刚度.但是，由于横隔板的厚度不大，横向预应力的引入会给横隔板带来倾覆或失稳的风险.因此，实际工程中应当谨慎引入横向预应力，并应对横隔板进行抗倾覆验算.

表4 T 形梁横向预应力加固跨中横向分布系数变化

3.1.3 钢横隔梁加固

新增钢横隔梁加固后所得不同一阶振型的自振频率变化如表5 所示.

表5 钢横隔梁加固参数变化 Hz

新增钢横隔梁加固各梁跨中横向分布系数的变化见表6 (集中荷载作用于1 号梁中心).

表6 T 形梁钢横隔梁加固跨中横向分布系数变化

从表6可看出，T形梁新增钢横隔梁加固后，桥梁的竖向自振频率从4.219 Hz 下降到了4.081 Hz，降低了约2.9%；横向自振频率从5.659 Hz提升到了5.777 Hz，提升了约2.1%.竖向刚度有不少的下降，这是新增钢横隔梁带来T 梁自重增大的原因.从横向分布情况分析，钢横隔梁加固对横向分布的改善也非常明显，横向分布系数最大的1 号梁降低了约4.9%.因此，若T 形梁竖向刚度有一定的富余，在挠度不大的情况下增加钢横隔梁对其横向进行加固，可以在一定程度上增强桥梁整体的横向刚度，并且在施工作业中无须停止运营，综合加固效果和经济效益相对优异.

3.2 T 形梁预防性养护时机

在T 形梁有限元模型中，将约束节点提高到3-3’节点，模拟进一步增大T 形梁加固前横隔梁的损伤程度，重新输出结果，其自振频率变化见表7.

表7 增大横隔梁损伤后自振频率变化 Hz

由此可知，当横隔梁损伤较大时(横向刚度损失达到4.2%)，以上加固方案虽然在补强横向刚度效果上有所提升，却难以弥补T 形梁横隔梁损伤增大带来的横向刚度损失.T 形梁横向刚度削弱之后，将引起不同T 梁横向分布系数改变.横隔梁的损伤会蔓延至湿接缝，在湿接缝损伤之后T 形梁的受力形式将演变成前文所述的半刚半铰接状态，严重时会引起单梁的损坏.因此，最佳的养护和加固时机应当是在横隔梁出现一定损伤时及时加固，避免结构出现不可逆的损伤，而不是等到湿接缝损伤以后再弥补.

4 结论与建议

1)装配式T 形梁桥横向损伤会从横隔梁逐渐发展到湿接缝.目前，T 形梁的养护加固工作却对横隔梁的养护重视不足.T 形梁横隔板损伤不大时，若不能得到重视并加以有效的养护和加固，因其横向刚度已遭到削弱，若在重载下损伤程度将不断加剧.

2)当T 形梁损伤程度较大时，常用加固手段难以弥补损失的横向刚度，会导致损伤蔓延至湿接缝，最终T 形梁横向将转变成半刚半铰接形式，造成单梁损坏直接影响桥梁行车安全.

3)放任T 形梁横隔板的轻微损伤，直至发展到湿接缝时再予以纠正性养护无法阻止装配式T形梁损伤的增大.因此，基于全寿命周期考虑的T 形梁的预防性养护，应当定期检查T 形梁横隔板状况，在横隔梁出现轻度损伤时，应及时采取一定的养护加固和补强措施.