改善既有钢箱梁桥受力性能的研究

陆召全

（华设设计集团股份有限公司，江苏南京 210014)

0 引言

钢箱梁桥是桥梁中一种非常重要的类型，在我国的桥梁工程发展的初期阶段，由于对钢箱梁桥建设缺少正确的认识，导致在完成钢箱梁桥的建设后存在一定的病害问题，进而对钢箱梁桥的使用寿命和安全造成影响。而为了能够保证这些既有钢箱梁桥的稳定性，需要对其采取一定的加固措施。对既有钢箱梁桥的受力性能进行分析，能够为巩固和提高既有钢箱梁桥的稳定性提供借鉴。

1 对既有桥梁进行受力性能研究的重要性

钢箱梁桥是我国在进行桥梁工程建设中最早应用的一种桥梁类型，在建设钢箱梁桥的过程中，由于缺少对桥梁工程设计的相关经验，导致钢箱梁桥的建设存在箱室较宽、加劲肋厚度偏小等问题。而这些问题的存在，会直接影响到钢箱梁桥的整体刚度，这样不仅会给行车安全造成一定的影响，还会因行车过程中产生的震动问题而给钢箱梁桥的整体质量造成影响，进而缩短钢箱梁桥的使用寿命。在这种情况下，随着我国桥梁施工建设技术水平的不断提高，我国对于钢箱梁桥的施工建设也提出了相应的标准[1]。而在这些技术标准颁布之后，既有的钢箱梁桥已不符合相关规定，因而就需要按照相关的技术标准来对既有钢箱梁桥进行加固处理，用以保证钢箱梁桥的使用安全和行车安全。

而从桥梁本身的建设原理来看，受力性能的好坏直接关系到钢箱梁桥的承载力和质量安全。对既有钢箱梁桥的受力性能进行分析，能够依据既有钢箱梁桥受力性能的不同，及时发现钢箱梁桥中存在的质量问题，进而通过更加合理的加固措施的应用来满足其他同类型的钢箱梁桥加固和改造的要求，在保障既有钢箱梁桥质量的同时，还对促进我国钢箱梁桥施工建设水平的提高起到重要的作用[2]。

2 改善既有钢箱梁桥受力性能方法的具体分析

既有钢箱梁桥存在的质量问题，主要都是受到我国早期桥梁建设水平的影响而导致的，作为我国早期建设桥梁的代表之一，钢箱梁桥的施工建设在很多方面都存在着一定的技术限制。从改善既有钢箱梁桥受力性能的角度来思考如何保障钢箱梁桥的运营和行车安全，为钢箱梁桥选择合适的加固措施提供更加科学的方法，从而促进我国桥梁工程建设水平的提高等方面起到重要的作用[3]。从这一方面来说，在对改善既有钢箱梁桥受力性能的方法进行分析时，主要可以从以下几个方面来入手。

2.1 桥梁结构验算的现状

需要进行加固处理的钢箱梁桥投入应用的时间普遍较早，结合当前我国对桥梁工程建设实施的设计规范来看，在对既有钢箱梁桥进行加固处理之前，需要对既有钢箱梁桥的受力性能角度进行分析，找出既有钢箱梁桥在实际应用中存在的结构和质量问题，以采取相对应的加固措施进行解决。在对既有钢箱梁桥的受力性能进行分析之前，需要明确需要进行分析的钢箱梁桥的结构、刚度等指标数据，才能够为受力性能的分析提供更加科学的依据。

钢箱梁桥在一般的运营情况下需要满足较大的重车通行量的需求，而在重车经过钢箱梁桥的过程中，由于受到钢箱梁桥本身设计结构的影响，会在车辆经过的过程中使桥梁产生较强的震动感[4]。举例来说，以单箱单室结构为主的钢箱梁桥大多呈现出较宽的箱室、较薄的箱梁顶、较薄的底板厚度等特征，而这些特征的存在，会间接导致钢箱梁桥整体的刚度无法达到当前桥梁设计中规定的标准。在对这种钢箱梁桥的受力性能进行分析时，需要事先进行桥梁结构的验算，为钢箱梁桥受力性能的分析提供更加科学的依据。某桥梁工程钢箱梁标准断面图见图1。

图1 某桥梁工程钢箱梁标准断面图

结合当前较为广泛的应用在桥梁工程建设中的建模技术，在明确需要进行分析的既有钢箱梁桥的设计结构、桥梁跨径布置、单幅桥梁宽、主梁横断面结构、顶板、底板宽度、箱梁悬臂长度、各种加劲肋半厚度和间距等数据信息之后，利用公式计算来实现对整个既有钢箱梁桥的建模，在全桥计算模型和有限元模型建立完成之后，就可以依据模型中呈现的相关数据来进行钢箱梁的第一体系应力和第二体系应力的验算，进而明确钢箱梁顶、底板的应力验算结果[5]。在进行第一体系应力的验算过程中，需要从既有钢箱梁桥的基本组合顶板最大正应力、基本组合底板的最大正应力、最大剪力、挠度、不计冲击系数频遇值挠度、自振频率等来对钢箱梁桥纵向结构中的数值进行测算，而在进行第二体系应力验算的过程中，则需要从既有钢箱梁桥的基本组合顶板最大正应力、基本组合底板最大正应力、不计冲击系数频遇值挠度以及自振频率四个方面来对钢箱梁桥的原结构以及刚巧规范限值进行验算。在得到具体的验算结果之后可以发现，单箱单板的钢箱梁桥尽管在钢箱梁的上下缘应力设计值方面满足钢箱梁桥的规范要求，但由于这种钢箱梁式的结构存在底板富余程度较小的问题，很容易在局部受到压力的状态下产生弯曲的状况，进而给钢箱梁桥的运营安全造成影响。在这种情况下，就需要对既有的钢箱梁桥进行加固设计，用以达到提高钢箱梁桥结构稳定性、保证钢箱梁桥运营安全和行车安全的目的。

2.2 钢箱梁桥的加固方案

结合当前我国大部分既有钢箱梁桥的实际运营情况来看，在对既有钢箱梁桥的结构进行验算之后，主要可以采用四种方法对钢箱梁桥进行加固处理。

具体来说，在应用第一种加固既有钢箱梁桥的方法时，需要明确进行钢箱梁桥加固的主要目的。这种加固方法的应用，主要是针对钢箱梁桥面存在的疲劳问题，利用钢混的组合结构来代替以往的钢箱梁结构的方法，以达到提高桥梁的刚度和延长钢箱梁桥使用寿命、保证行车安全的目的。在应用这种加固处理方法的过程中，需要拆除钢箱梁桥原有的钢箱梁桥中的铺装层，在钢箱梁的顶部焊接好栓钉之后，向其中浇筑约10cm 左右厚度的混凝土，这样就能够形成一个钢混的组合结构。在浇筑混凝土的过程中，为了能够保证钢混组合结构的稳定性，需要选择具有超高性能的混凝土来满足钢箱梁桥的加固需求。与此同时，混凝土的浇筑顺序也需要严格按照先跨中、后支点的方式，满足钢箱梁桥加固对于混凝土的要求。在应用这种方法完成加固之后，通过对应用加固方法后的钢箱梁结构和钢桥规范限值在基本组合顶板最大正应力、基本组合底板最大正应力、不计冲击系数频遇值挠度以及自振频率等方面数值的比对，验证这种加固方法具有一定的作用。

第二种钢箱梁桥的加固方法，主要是从钢箱梁桥支点的角度来改善钢箱梁桥的受力情况的。这种加固方法在实际的应用中，通过提高支点附近钢箱梁桥结构的刚度，来达到降低底板应力水平的目的。在应用这种加固方法之前，也需要拆除钢箱梁桥原有的铺装层，然后选择原有钢箱梁桥支点附近7.75m 的底板范围，在该范围之内选择C50 类型的混凝土进行浇筑。在浇筑混凝土的过程中，需要保证混凝土的浇筑厚度在20cm 左右，以此来确保混凝土的厚度能够满足降低钢箱梁桥底板应力水平的需求。在完成混凝土的浇筑之后，再进行桥面层的施工，用以满足钢箱梁桥正常运营的目标。完成加固方法的处理后，同样需要针对加固结果和钢桥的规范限值进行对比分析，以此来验证加固方法应用的实际效果。举例来说，在钢桥规范限值的标准下，基本组合顶板最大正应力为270MPa，而某种钢箱梁桥在应用这种加固方法之后，基本组合顶板最大正应力为204.9MPa。通过对钢箱梁桥应力的有效改善，能够对提高钢箱梁桥的结构稳定性和运营安全起到重要的作用。第二种钢箱梁桥加固方法断面示意图见图2。

图2 第二种钢箱梁桥加固方法断面示意图

第三种钢箱梁桥的加固方法，同样是从钢箱梁桥支点的角度出发的，但与第二种加固方法不同的是，在拆除钢箱梁桥原有的铺装层之后，这种加固方法需要在底板和U 肋之间新增28mm× 280mm 的板肋，来满足改善钢箱梁桥受力性能的需求。通过提高钢箱梁桥支点附近结构的刚度，来满足降低钢箱梁桥底板应力水平的目的。而在完成新增板肋的施工之后，还需要对钢箱梁桥的桥面层进行施工。在完成所有的加固处理步骤之后，通过对加固后的结构计算结果和钢桥规范限值之间的对比，验证这种加固方法也具备能够改善钢箱梁桥受力性能的作用。

第四种钢箱梁桥的加固方法，主要是从钢箱梁桥整体结构的角度出发，这种加固方法的应用原理是通过减小钢箱梁桥中腹板的剪力大小，来提高钢箱梁桥的整体结构刚度。在实际应用这种加固方法的过程中，拆除钢箱梁桥原有的铺装层后，向钢箱梁桥的箱室内横隔板之间增加剪刀撑，再进行桥面层的施工。按照相关的步骤对钢箱梁桥进行加固处理之后，通过对加固后的钢箱梁桥结构与钢桥规范限制的对比分析，验证这种加固方法也能够满足加固钢箱梁桥的需求。

对以上四种钢箱梁桥的加固处理方法进行分析之后可以发现，尽管具体的加固措施不同，但加固方法的应用原理通过一定的措施来提升既有钢箱梁桥的刚度，进而保证钢箱梁桥结构稳定性的。在分别得到四种加固方法应用后的钢箱梁桥结构数据变化计算结果之后，将所有的计算结果集中起来，结合钢箱梁桥本身的有效宽度、局部稳定性以及结构重要性系数等方面对钢箱梁桥刚度产生的影响，对四种加固钢箱梁桥的方法进行分析，找出四种加固方法适用的钢箱梁桥类型，进而为当前我国既有钢箱梁桥的加固处理提供更加科学有效的方法。

3.3 加固方案的评价

在验证四种加固方法对于改善既有钢箱梁桥受力性能能够起到明显的效果之后，就可以结合当前我国既有钢箱梁桥的整体运营情况，对加固方案的实际应用效果和情况进行分析，并结合既有钢箱梁桥的主要类型，为其提供更加适合的加固方法。而在这个过程中需要注意的是，在对四种钢箱梁桥的加固方法进行分析时，需要依据四种加固结构的原理来绘制出钢箱梁桥加固处理的桥梁断面示意图，然后结合图中呈现的内容，分别对四种加固方法进行科学的评价和分析。

具体来说，第一种应用钢混组合结构的加固方法主要是从钢箱梁桥的整体结构刚度入手，通过对恒载以及活载挠度的降低，既能够减少车辆尤其是重型车辆在行驶过程中对于桥梁造成的震动影响，也能够提高行车的安全和舒适性。应用这种加固方法的过程中，由于增加了约10cm 左右的结构层高度，不仅增加了钢箱梁桥自身的重量，还会导致结构应力的明显增加。不仅需要进行钢箱梁桥的加固处理，还需要对钢箱梁桥主桥两侧的道路标高进行相应的调整，以便能够满足相关规定中对于钢箱梁桥设计和建造的标准要求。

第二种钢箱梁桥的加固方法与第三种加固方法之间的差异较小，在进行加固的过程中都是通过改变钢箱梁桥支点附近底板的应力状态来改善受力性能。在应用这两种加固方法的过程中，尽管钢箱梁桥的应力状态发生了一定程度的转变，但钢箱梁桥整体的结构刚度并没有发生明显的变化。而从两种加固方法实施的具体步骤来看，第三种加固方法中应用的加劲肋重量要比第二种加固方法中的混凝土低，因而从施工的角度来说更加简便。

通过前面的分析可以发现，第四种钢箱梁桥的加固方法也能够对改善钢箱梁桥的受力性能起到一定的作用。但从这种加固方法的实际应用情况来看，由于这种加固方法并没有对钢箱梁桥的上下缘应力产生较为明显的影响，再加上对于腹板剪力的影响也比较小，导致最终也没有对钢箱梁桥的结构刚度产生明显的影响，因而加固钢箱梁桥的效果并不理想。

在对以上四种加固方法的应用效果进行评价之后可以发现，第三种加固方法无论是从加固效果还是施工过程的角度来看，都比其他三种加固方法更优越。而由于前面在对四种加固方法的应用进行分析时主要是以单箱单室结构为主的钢箱梁桥，因而虽然能够对其他类型的钢箱梁桥加固起到一定的借鉴作用，但要想获得更加准确的分析结果，仍需要结合不同类型的钢箱梁桥的实际情况，对各种加固方法的应用情况进行分析，才能够更好地满足钢箱梁桥加固的要求，在保证钢箱梁桥的质量安全和结构稳定性的同时，保证行车安全，为促进我国交通行业的发展起到更大的作用。结合当前我国既有桥梁的运营情况来看，对以钢箱梁桥为代表的早期运营桥梁进行维护和加固处理，是当前交通行业发展中一项重要的问题。通过对钢箱梁桥应用的加固方法进行分析，希望能够为当前我国桥梁工程的维护处理提供借鉴的依据。

3 结语

综上所述，改善既有钢箱梁桥的受力性能，是能够对钢箱梁桥进行加固的主要原理。针对当前我国既有钢箱梁桥存在的结构整体刚度较小、行车中容易出现震动等问题，在对钢箱梁桥进行加固的过程中，需要结合不同类型钢箱梁桥的实际情况，选择合适的改善既有钢箱梁桥受力性能的原理，以此来满足加固既有钢箱梁桥的需要，在保障行车安全的同时，也能够为促进桥梁工程和交通行业的发展起到重要的作用。