无中横隔板装配式T 梁桥加固前后荷载横向分布分析

2022-10-30■韩斌

福建交通科技 2022年7期

■韩斌

（平潭综合实验区城乡建设与交通运输服务中心，平潭 350400）

我国公路桥梁事业发展迅速，在高速公路及国省道线上，装配式桥梁因其施工简便、受力明确、运输安装方便的优势而得到广泛应用。装配式肋梁桥中常见的是T 形梁，2008 年我国交通运输部编制了公路桥涵通用图，其中包括T 梁系列。

在我国，装配式预应力混凝土T 梁桥的跨径在16～50 m 之间，横向连接构造中通常设有端横隔板和中横隔板2 部分。隔板的设计是为了增加全桥的整体性，保证T 梁在服役期间荷载分布均匀，减少桥面铺装及翼缘板的损坏，防止因单梁受力而产生竖向、斜向的裂缝。对于有中横隔板的T 梁桥，一些老旧桥梁采用钢板、螺栓、扣环、铰接的连接方式，大多数T 梁桥采用现浇湿接缝的连接方式。但如今国省道上还存在相当一部分装配式T 梁桥只设置端横隔板而无中横隔板的情况，这些桥梁大多在服役十几年后就出现了端横隔板破损、跨中梁底、腹板及支座附近腹板裂缝等因单梁受力而形成的病害，对桥梁的正常服役影响较大。基于此，选取一此类桥梁在进行荷载试验检测之后，分析其病害并采取加固措施，研究加固前后荷载横向分布以期为同类病害提供参考。

1 工程概况及病害分析

某国道上一座30 m 标准跨径的预应力混凝土简支T 梁桥，梁长29.94 m，计算跨径28.66 m，桥面净宽9.00 m，两侧各有1.50 m 宽的安全带人行道。具体尺寸如图1 所示。

图1 30 m 标准跨径简支T 梁桥

该桥设计荷载：汽-20 级，挂-100 级。其横断面共6 片等截面预制T 形梁，梁端设有端横隔板，未设置中横隔板。

对该桥进行特殊检测，发现以下几种重要病害：（1）在主梁端横隔板底部出现混凝土破损露筋；（2）次边梁跨中位置附近腹板出现竖向裂缝，中梁靠近支座附近腹板出现斜向裂缝；（3）梁片间湿接缝出现纵向裂缝，并伴有析白现象；（4）混凝土桥面铺装出现大面积的龟裂，并伴有露筋现象。部分病害如图2 所示。

图2 典型病害图

这些病害的成因主要在于桥梁横向刚度较小，在荷载反复作用下横向联系部分受损，主梁形成单梁受力的现象。对于无中横隔板或少中横隔板的T梁桥，为解决其横向联系薄弱、整体稳定性和刚度较差的问题，常常采用增加中横隔板、增加横向预应力的方式[1]。常用措施如表1 所示。

表1 横向联系加固常用措施

2 装配式T 梁桥荷载横向分布计算

2.1 荷载横向分布计算方法

桥梁结构是一个三维结构，现有的空间分析常采用梁格法和有限元建模分析。当桥梁结构的横向连接较复杂的时候，梁格法难以准确模拟；而有限元建模计算则较复杂，进行单元划分及计算分析需要较高的技术和丰富的经验。为将空间分析问题转化为平面问题，可以引入横向分布系数进行分析。当荷载作用在桥上时，每片主梁所受的力并不相同，作用在某点上的荷载用P 表示，其内力影响面用函数η（x，y）表示，其内力值为S=P·η（x，y）[2]。空间内力影响面可以通过2 个变量函数的乘积来表示[3]，即η（x，y）=η1（x）·η2（y），如图3 所示。

图3 荷载作用下计算图示

则某一截面内力值可用下式表示：

式中：η1（x）表示某一截面的纵向内力影响线；η2（y）表示某一根梁的荷载横向分布影响线。如此以来，空间内力值的求解问题就可以通过求解荷载横向分布系数借助平面计算来解决。

在计算荷载横向分布系数时，可采用以下3 种计算方法：

（1）简化计算方法

所谓简化计算的方法，原理是通过求解荷载横向分布影响线，按照最不利荷载作用于横向分布影响线上进行布载，最后得到横向分布系数；主要包括以下几种：①杠杆法；②偏心压力法和修正偏心压力法；③刚接梁法和铰接板（梁）法；④比拟正交异性板法[4]。具体适用范围如表2 所示。

表2 简化计算方法适用范围

（2）梁格法建模计算方法

采用简化方法计算本质上都是通过在其横向分布影响线上最不利加载来计算的，具有一定的局限性。通过MIDAS 等有限元软件建立桥梁结构空间模型，可以更直观地计算其横向分布系数。以T梁为例，具体方法有以下2 种：①分别建立真实多片T 梁的模型及单片T 梁模型，多片梁模型中按照最不利车道的位置在跨中施加P=-0.5 kN 的节点荷载；单片梁模型中在跨中施加P=-1.0 kN 的节点荷载。经过计算，得到跨中各片梁的加载位移值Di及单片梁跨中的加载位移值D，则各片主梁的横向分布系数即为Di和D 的比值[5]。加载示意如图4 所示。

图4 计算模型加载示意图

②通过建模得到跨中横向分布影响线。建立多片T 梁模型，分别于各主梁跨中处施加集中力P=-1000 kN，得到各梁片跨中截面的位移值之后，可按下式计算横桥向各梁片的影响线坐标值：

式中：ηij表示横桥向各点处的影响线坐标值；fij表示集中力作用于i 号梁片跨中时引起j 号梁片的挠度值。此种方法相当于是简化了横向分布影响线的计算，直接通过建模加集中力的方法直观地得出横向分布影响线。

（3）荷载试验计算方法

对于某些加固改造的桥梁，理论方法及模型计算已经难以反映桥梁结构的真实受力状况。为了直观准确地得到加固后桥梁的横向分布系数，分析加固后的效果，可通过分析荷载试验的挠度数据，按下式计算各梁片的横向分布系数[6]：式中：mi表示第i 片梁的横向分布系数；fi表示各梁片的挠度值；N 表示横向加载车辆数。

2.2 横隔板对横向分布影响

横向联系的增强对提高全桥稳定性，加强横向刚度意义重大，而增设横隔板是最有效的方式。拟从横隔板分布数量和横隔板厚度2 方面研究横隔板对横向分布的影响。

（1）无中横隔板

对本文工程实例进行分析，分别利用简化计算方法和MIDAS 建模计算方法进行荷载横向分布系数计算，所得结果如表3 所示。利用简化方法计算横向分布系数，一般来说，对于横向联系较弱的无中横隔板的桥梁，采用杠杆法计算的结果，中间主梁偏大，边梁则偏小；铰接板（梁）法结果与之接近。修正偏心压力法不适用于此横向联系弱的桥梁。相比于比拟正交异性板法，刚接梁法的计算结果与建模计算结果较接近，偏差在3%以内。代表方法计算结果如图5 所示。