沈項(xiàng)斌， 方 圓

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

提高連續(xù)小箱梁橫向剛度加固方案研究

沈項(xiàng)斌， 方 圓

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

連續(xù)小箱梁具備標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化預(yù)制、裝配化施工等各方面優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于公路、市政道路工程中。目前交通量日益增大，重載車輛也隨之增加，小箱梁之間的橫向聯(lián)系剛度問題成為工程界研討的熱點(diǎn)。以30 m跨徑連續(xù)小箱梁為例，提出考察小箱梁橫向聯(lián)系剛度關(guān)鍵參數(shù)的基礎(chǔ)上，采用理論分析的方法，對(duì)比研究了提高小箱梁橫向聯(lián)系剛度的優(yōu)化方案。

連續(xù)小箱梁；橫向聯(lián)系剛度；工字鋼

近十幾年來，隨著公路建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，國內(nèi)修建了大批橋梁。預(yù)制混凝土小箱梁橋由于具有良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)、建筑高度低和施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于跨徑20～40 m的中、小跨徑橋梁。同時(shí)，對(duì)于小箱梁的研究工作也有了很大的進(jìn)展，使小箱梁結(jié)構(gòu)已成為典型的橋梁結(jié)構(gòu)形式之一。雖然小箱梁因其優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)被廣泛應(yīng)用，但由于設(shè)計(jì)上考慮不周、施工不當(dāng)、超載車的影響再加上自身的老化和養(yǎng)護(hù)不夠等原因，現(xiàn)有小箱梁橋梁已經(jīng)出現(xiàn)了較為典型的病害。其中，隨著交通量的增大，重載車輛的增加，早期建造的無跨中橫隔板或小箱梁中心間距過大(濕接縫較寬)的橋跨結(jié)構(gòu)，運(yùn)營中活載撓度較大振幅顯著的情況尤為突出，影響行車舒適性的同時(shí)，加劇了橋面鋪裝的損傷[1-5]。

本文以典型的3×30 m連續(xù)小箱梁橋跨為分析實(shí)例，在建立理論分析模型的基礎(chǔ)上，提出反應(yīng)小箱梁橫向聯(lián)系剛度的參數(shù)指標(biāo)，并針對(duì)提高該結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系剛度、減小活載撓度的加固改造措施進(jìn)行了分析研究。

1 工程概況

1.1 結(jié)構(gòu)概況

某工程采用多聯(lián)30 m跨連續(xù)梁橋跨結(jié)構(gòu)，主梁采用后張法預(yù)制預(yù)應(yīng)力混凝土組合小箱梁，箱梁梁高1.6 m，間距3.7 m，其中梁寬2.4 m，翼板間濕接縫寬1.3 m，主梁斷面布置具體見圖1所示。組合箱梁采用先簡支后連續(xù)施工，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如下：

橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)：城-A級(jí)；

抗震設(shè)防烈度：7度；

橋面寬度：14.4 m=0.5 m護(hù)欄+12.1 m行車道+1.5 m人行道+0.3 m欄桿。

圖1 主梁斷面布置圖

1.2 結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀及病害情況

(1) 橋面存在大量的縱、橫向裂縫以及網(wǎng)裂，橫縫大部分貫通，縱縫部分貫通，裂縫主要分布在跨車道和行車道上。

(2) 活載振幅較大，橋面振動(dòng)較為明顯。

1.3 病害成因分析

通過對(duì)裂縫的開裂位置即特征，并結(jié)合橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，橋面裂縫產(chǎn)生的原因主要有：

(1) 橋梁運(yùn)營重車較多，交通量較大。

(2) 由于該橋的濕接縫較大，達(dá)到1.3 m，橋梁橫向剛度相對(duì)來說也就較弱，并且未設(shè)置中橫隔板，因此造成橋面板在活載作用下，振幅較大，進(jìn)而產(chǎn)生裂縫。

從橋梁結(jié)構(gòu)本身考慮，該橋的問題橫向剛度相對(duì)較弱，需要提高橫向聯(lián)系剛度。

2 加固方案

原設(shè)計(jì)主梁承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，因此，本次僅針對(duì)提高小箱梁橫向聯(lián)系剛度進(jìn)行方案設(shè)計(jì)。在對(duì)目前加固方法進(jìn)行全面對(duì)比，并經(jīng)過理論和試驗(yàn)分析論證后，最終決定采用在小箱梁之間增設(shè)H型鋼梁橫向聯(lián)系，即在四分點(diǎn)處各設(shè)置一道工字梁[5-9]，具體見圖2，H型鋼橫梁具體見圖3所示。

圖2 H型鋼橫梁加固方案

圖3 H型鋼橫梁斷面圖

3 結(jié)構(gòu)分析

3.1 分析模型

針對(duì)3×30 m連續(xù)小箱梁橋跨結(jié)構(gòu)，采用實(shí)體有限元進(jìn)行建模分析，有限元模型具體見圖4和圖5。

圖4 實(shí)體有限元分析模型

圖5 H型鋼梁與主梁腹板的連接

3.2 參數(shù)指標(biāo)

為準(zhǔn)確、有效反映加固前后結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系剛度的提高，通過數(shù)值分析的方法對(duì)以下參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比研究：

(1) 結(jié)構(gòu)邊中跨扭轉(zhuǎn)基頻。

(2) 車輛荷載作用下邊、中梁撓度差。

(3) 車輛荷載作用下主梁頂板最大應(yīng)力。

3.3 荷載布置及分析工況

車輛荷載總軸重為30 t，4輛車一組，加載標(biāo)準(zhǔn)車參數(shù)見圖6。

圖6 加載標(biāo)準(zhǔn)車參數(shù)圖(30t車型)

車輛荷載布置的原則為：車輛最不利的布載方式為梁體最大豎向撓度的同時(shí)，邊、中梁撓度差也最大。車輛荷載具體布置方式見圖7。

圖7 車輛荷載布置示意圖

根據(jù)圖中車輛荷載的布置，相應(yīng)分析工況如下：

工況1：車輛邊跨偏載工況。

工況2：車輛邊跨中間加載工況。

工況3：車輛中跨偏載工況。

工況4：車輛中跨中間加載工況。

3.4 分析結(jié)果

(1) 結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)基頻。結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)頻率是連續(xù)小箱梁橫向聯(lián)系剛度的考察指標(biāo)之一，橫向聯(lián)系剛度越大，基頻越高。結(jié)構(gòu)加固前后扭轉(zhuǎn)基頻比較見表1，扭轉(zhuǎn)頻率振型見圖8。

表1 扭轉(zhuǎn)基頻比較

圖8 扭轉(zhuǎn)頻率振型

(2) 跨中橋面撓度曲線。通過對(duì)車輛荷載作用下邊、中跨跨中位移的變化，考察加固前后提高結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系剛度的效果。圖9～圖12所示為邊、中跨跨中橋面豎向撓度的變形曲線的對(duì)比。

工況1：

圖9 加固前后邊跨跨中位置橋面撓度(偏載)

工況2：

圖10 加固前后邊跨跨中位置橋面撓度(中間加載)

工況3：

圖11 加固前后中跨跨中位置橋面撓度(偏載)

工況4：

圖12 加固前后中跨跨中位置橋面撓度(中間加載)

由圖9～圖12所示計(jì)算結(jié)果可知，加固后車輛偏載作用下，邊、中跨各片小箱梁豎向變形較為協(xié)調(diào)，表現(xiàn)為整體扭轉(zhuǎn)引起的橫向撓度差；車輛中間加載作用下，邊、中梁豎向撓度差減小36%，改善幅度較大。

(3) 橋面板橫向應(yīng)力。通過對(duì)車輛荷載作用下邊、中跨跨中橋面板橫向應(yīng)力比較，考察加固前后提高結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系剛度的效果。

圖13～圖16所示為加固前后邊、中跨跨中橋面橫向應(yīng)力分布計(jì)算：

工況1：

圖13 加固前后邊跨跨中橋面板橫向應(yīng)力(偏載)

工況2：

圖14 加固前后邊跨跨中橋面板橫向應(yīng)力(中間加載)

工況3：

圖15 加固前后中跨跨中橋面板橫向應(yīng)力(偏載)

工況4：

圖16 加固前后中跨跨中橋面板橫向應(yīng)力(中間加載)

表2所示為結(jié)構(gòu)加固前后，邊、中跨不同車輛荷載加載方式下(工況1～工況4)，主梁頂板上緣橫向應(yīng)力的匯總：

表2 橋面板上緣橫向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總

通過圖13～圖16及表2所示車輛荷載作用下邊、中跨跨中橋面板橫向應(yīng)力比較計(jì)算可知：

通過H型鋼加固后，結(jié)構(gòu)整體橫向剛度提高較為明顯，活載偏載作用下，主梁頂板最大橫向拉應(yīng)力顯著減小，減小幅度約32%～44%；活載中間加載作用下，主梁頂板最大橫向拉應(yīng)力顯著減小，減小幅度約37%。

4 結(jié)束語

本文以30 m跨徑連續(xù)小箱梁為例，在理論分析的基礎(chǔ)上，提出小箱梁橫向聯(lián)系剛度的敏感性指標(biāo)，并針對(duì)提高該類型結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系剛度的加固方案進(jìn)行了研究，通過對(duì)比分析得出以下結(jié)論：采用在小箱梁之間增設(shè)H型鋼梁橫向聯(lián)系，即在四分點(diǎn)處各設(shè)置一道工字梁的加固方案，對(duì)提高結(jié)構(gòu)整體橫向剛度效果較為明顯，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1) 扭轉(zhuǎn)基頻是連續(xù)小箱梁橫向聯(lián)系剛度的重要指標(biāo)，加固后結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)頻率顯著提高。

(2) 車輛荷載作用下，主梁斷面撓度差為反映結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)系剛度的重要指標(biāo)之一，加固后邊、中跨各片小箱梁豎向變形較為協(xié)調(diào)，表現(xiàn)為整體扭轉(zhuǎn)引起的橫向撓度差，且差值顯著減小。

(3) 車輛荷載作用下，橋面板的橫向應(yīng)力為反映連續(xù)小箱梁橫向聯(lián)系剛度的另一重要指標(biāo)之一，采用H型鋼橫梁加固后主梁頂板橫向應(yīng)力顯著減小。

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2016-06-02；修改日期：2016-06-17

沈項(xiàng)斌(1969-)，男，安徽宿松人，安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司高級(jí)工程師．

U443.33

A

1673-5781(2016)04-0465-04