装配式小箱梁桥横向加固效果研究

2021-07-07吴佳佳秦磊慧

山西交通科技 2021年2期

吴佳佳，秦磊慧

（1.山西省交通科技研发有限公司，山西太原 030032；2.山西交通控股集团有限公司太原高速公路分公司，山西太原 030006）

1 概述

装配式小箱梁桥施工质量好、施工效率高、经济性好，与桥梁建设标准化、快速化的发展需求相契合，广泛应用于中等跨径桥梁[1]。预制主梁架设完毕后，各主梁通过现浇桥面板和横隔梁，或焊接横隔板连接钢板以提高桥梁的整体性。然而，我国早期建设的无横隔梁、少横隔梁的装配式梁桥，由于横向联系较弱，湿接缝普遍出现纵桥向裂缝，严重影响桥梁服役状态和运营安全。常用的桥梁横向加固手段包括：a）加固原有横隔梁，使其满足原设计要求；b）新增横隔梁，包括混凝土横隔梁、钢横梁等；c）加厚湿接缝；d）加厚整体化层。徐乐乐研究了连续箱梁桥采用H型钢横向加固，研究表明桥梁加固前后受力状态基本一致[2]。本文通过实桥试验研究了装配式小箱梁横向加固效果，并讨论其适用性。

2 桥梁加固方案

某装配式预应力混凝土连续小箱梁桥，跨径组成为6×25 m，桥宽14 m，由4片预制小箱梁构成，箱梁中心距3.5 m，横桥向通过湿接缝连接，其横断面如图1所示。

图1 横断面图（单位：cm）

该装配式小箱梁桥未设置跨中横隔梁，且其主梁间距远大于现行标准图的3.15 m，大吨位超载车辆作用下，各主梁出现明显的相对位移和扭转。运营20多年后，主梁出现纵向裂缝、横向裂缝、竖向裂缝，湿接缝出现纵向裂缝，为提升结构的使用性能和耐久性，对预应力主梁进行体外预应力加固，并通过加厚混凝土桥面铺装+增设钢横梁提高结构的横向整体性。

横向加固具体实施方案为，将原桥面铺装更换为12 cm双钢混凝土+2 cm超黏磨耗层，并在桥梁跨中增设钢桁架横梁，如图2。

图2 横向加固示意图

3 横向加固效果研究

3.1 荷载试验

根据文献[3]，选择边跨和次边跨内力最大断面进行加载，即图3中1号断面和2号断面，桥梁加固前后试验方案保持一致，试验加载工况如表1所示，车辆横向布置如图4所示。试验中分别测试了边跨、次边跨跨中各主梁位移。

图3 试验桥测试位置图（单位：cm）

表1 荷载试验各加载工况及相应测试项目表

图4 加载车横向布置图（单位：cm）

3.2 挠度分析

车辆荷载作用下，桥梁加固前后的横向挠度对比如图5。由图可知，在不同的加载工况下，加固后各加载工况下主梁跨中挠度明显减小，且2号梁挠度减小值最大，工况一、工况二和工况三、工况四挠度分别减小8.73 mm、9.35 mm和4.74 mm、4.65 mm，挠度降幅为47.6%、52.5%和35.5%、39.2%；1号梁挠度减小值分别为5.61 mm、5.38 mm和4.39 mm、3.15 mm，挠度降幅为26.8%、39.7%和28.8%、37.0%。可以发现，各工况下中梁挠度降幅明显大于边梁。这是因为，桥梁加固后纵向抗弯刚度增大，且由于钢横梁的设置，改变了荷载的横向分布，因此中梁挠度降幅大于边梁。

图5 桥梁加固前后主梁挠度对比

图5中，加固后桥梁跨中挠度横向曲线较加固前更为平缓，最大位移和最小位移差值更小，表明加固后结构横向的整体性增强。

3.3 主梁横向分布系数分析

为进一步分析桥梁横向加固效果，根据实测挠度值计算边跨和中跨1号～4号主梁在不同加载工况下的荷载横向分布系数，计算结果如表2所示。

表2 桥梁加固前后横向分布系数

由表2可知，在不同加载工况下，近荷端的主梁分配的荷载减小，远荷端的主梁分配的荷载增大，进一步验证了各主梁协同受力性能增强，桥梁横向刚度得到提升。各加载工况下，2号主梁荷载横向分布系数明显减小，与偏心加载相比，桥梁结构在对称荷载作用下各主梁荷载横向分布系数变化量较大，这是因为中载作用下是2号和3号主梁两侧的钢横梁参与荷载横向传递，而偏载作用下，仅1号主梁的单侧钢横梁参与荷载横向传递，1号梁所分配的荷载稍有增大。综上，装配式小箱梁桥在加固前后各主梁荷载横向分布系数变化量总体偏小，中梁变化值最大仅为0.14（2号梁），边梁变化值均小于0.1，分析其原因，主要是由于小箱梁自身扭转刚度较强，荷载作用下箱梁的扭转刚度可以提高荷载横向传递效率，且钢横梁自身抗弯刚度相对较小（其抗弯刚度小于20 cm厚混凝土横隔板的抗弯刚度），因此增设钢横梁对结构横向受力改善性能不明显。