游德泉，尹棟佳，李瓊慧（.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福州　50004；.上海城建市政工程（集團）有限公司，上海　00065；.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院，武漢　40050）

普通鋼筋混凝土簡支梁橋T形轉(zhuǎn)箱形截面加固方法研究

游德泉1，尹棟佳2，李瓊慧3
（1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福州350004；2.上海城建市政工程（集團）有限公司，上海200065；3.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計院，武漢430050）

箱形截面梁橋具有良好的整體性和穩(wěn)定性。對于原設(shè)計T形截面局部T梁承載能力不足的舊橋，提出采用原截面轉(zhuǎn)換成箱形截面的方法對其進行加固，以提升橋梁整體承載能力。通過有限元建模分析，對加固前后橋梁剛度、活載分布以及跨中截面抗彎承載力提升等進行比較，研究該加固方法在此類舊橋加固中實施的可行性。

T形截面；箱形截面；加固方法；承載能力；有限元分析

普通鋼筋混凝土簡支T形梁橋由于結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便等特點，上世紀八九十年代在福建省得到廣泛采用。然而，近年來，隨著交通運輸事業(yè)的快速發(fā)展，交通量越來越大，車輛荷載不斷增加，原設(shè)計T形梁橋逐漸暴露出承載能力不足的問題，并出現(xiàn)混凝土表面破損、混凝土表面裂縫超限、雨水侵蝕、鋼筋銹蝕等病態(tài)。

箱形截面梁橋較T形截面梁橋具有整體性好、剛度大的特點。本文針對箱形截面梁橋在一定截面面積下能夠獲得較大的抗彎慣矩，且抗扭剛度大，在偏心活載作用下各梁肋的受力比較均勻等優(yōu)點進行分析，提出將T形截面轉(zhuǎn)換成箱形截面，以提高原設(shè)計T形簡支梁橋承載能力的加固方法［1］。筆者結(jié)合某梁橋其梁片抗彎承載力儲備不足、各梁片之間橫向聯(lián)系較弱、上部結(jié)構(gòu)整體受力性能較差等工程實例，建立有限元模型對上述方法的可行性進行計算和驗證。

1　工程概況

某橋位于國道324線上，為某市出?？诮煌ㄒ郎系囊蛔鶚蛄?，于1994年1月投入營運。該橋全長354.3 m，單幅橫斷面為五梁式，橋面寬度為1.50 m（人行道）+9.25 m（行車道）+0.50 m（中央分隔帶）=11.25 m，跨中橫斷面如圖1所示。上部結(jié)構(gòu)為16孔20 m+2孔13 m裝配式鋼筋混凝土T形梁，共4聯(lián)，為結(jié)構(gòu)簡支、橋面連續(xù)體系。其中，20 m裝配式鋼筋混凝土簡支T梁高1.50 m，肋寬0.18～0.35 m，翼板厚0.15～0.20 m，翼緣寬1.60 m（邊梁1.89 m）；13 m裝配式鋼筋混凝土簡支T梁高1.10 m，肋寬0.18～0.30 m，翼板厚0.15～0.20 m。下部結(jié)構(gòu)采用雙柱式墩身，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。設(shè)計荷載等級：汽-20級，掛-100級，人群荷載3.5 kN/m2。上部結(jié)構(gòu)建造材料采用30#混凝土，受力鋼筋采用Ⅱ級鋼筋，構(gòu)造鋼筋采用Ⅰ級鋼筋。

圖1　某橋跨中橫斷面示意

2　橋梁加固前承載能力檢測評定結(jié)果

2.1橋梁缺損狀況檢查評定

經(jīng)外觀檢查，該橋缺損狀況如下：T梁腹板產(chǎn)生豎向裂縫，其主要分布在梁體中段1L/4至3L/4跨徑范圍（L指單跨跨徑，下同）；腹板產(chǎn)生斜向裂縫，其主要分布在兩側(cè)梁端1L/4跨徑范圍內(nèi)。豎向裂縫、斜向裂縫均存在裂縫由腹板延伸并貫穿梁底的缺損狀況。全橋裂縫統(tǒng)計見表1。根據(jù)JTG H11—2004《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》和JTG/T H21—2011《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準》，該橋技術(shù)狀況等級被評定為4類［2-3］。

由于該橋建造時受國內(nèi)當(dāng)時設(shè)計理念的局限，翼緣板厚度遠小于梁高，同時橫隔板間聯(lián)系較弱，不能形成橫向剛性連接，故實際受力時，出現(xiàn)了單梁受力過大而損壞的現(xiàn)象。該橋邊梁裂縫數(shù)量遠遠多于中梁裂縫數(shù)量。

2.2橋梁結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果

基于該橋設(shè)計荷載等級為掛車-100級，對該橋承載能力極限狀態(tài)受彎荷載效應(yīng)基本組合下T梁跨中截面抗彎承載能力進行了檢算，結(jié)果見表2。該橋抗彎承載力彎矩包絡(luò)圖如圖2所示。

圖2　最不利荷載組合下主梁抗彎承載力彎矩包絡(luò)圖

表2　T梁跨中截面抗彎承載能力驗算

由表2可知，該橋T梁在承載能力極限狀態(tài)下，邊梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿足正截面抗彎承載力的要求，中梁承載力富余度僅為6%，表明該橋承載能力目前已無法滿足汽-20級，掛-100級，人群荷載3.5 kN/m2的設(shè)計荷載等級要求，橋梁繼續(xù)服役過程中的安全性和耐久性很難繼續(xù)適應(yīng)現(xiàn)有交通的通行壓力，需立即對該橋進行加固以提升其承載能力。

3　加固方法

鋼筋混凝土T形梁橋的常用加固方法有：1）粘貼鋼板法；2）粘貼鋼筋加固法；3）體外預(yù)應(yīng)力加固法；4）碳纖維布加固法；5）改變結(jié)構(gòu)體系法；6）截面轉(zhuǎn)換法［5］。

對于該橋而言，方法1）、2）、4）雖能夠提升其承載能力，但無法彌補其設(shè)計時的先天不足；方法3）不適用于材料強度較低的普通鋼筋混凝土舊橋；方法5）對于該橋承載能力提升能力有限?；诖?，筆者認為選用方法6）可有效提升該橋的承載能力。

該橋采用的加固方法是：在T梁腹板下方先增加1層底板并布置鋼筋，然后澆筑1層鋼筋混凝土底層，將原T梁底全封閉，且澆筑層與原T梁間采用植筋形式進行剛性連接，從而將T形截面轉(zhuǎn)換成箱形截面。加固整體設(shè)計和梁底澆筑層鋼筋布置如圖3、圖4所示。圖4中，①代表Φ32 mm鋼筋，②代表Φ16 mm鋼筋，③代表Φ8 mm鋼筋。加固選用強度等級為C30的混凝土，主筋等級為HRB335，箍筋等級為R235［6］。

圖3　加固整體設(shè)計

圖4　T梁封底部分鋼筋設(shè)計布置示意

4　有限元計算理論分析可行性

采用大型有限元通用軟件Midas Civil，運用梁格法［8］分別建立該橋加固前后的空間有限元模型，如圖5所示。

圖5　橋梁有限元模型

加固后的箱梁模型增加了梁底縱向單元，以及新增單元與原結(jié)構(gòu)單元采用彈性連接（只受壓）的邊界條件。

4.1理論自振頻率分析比較

橋梁在橋面無任何交通荷載及橋址附近無規(guī)則振源的情況下，由于橋址處風(fēng)荷載、地脈動等隨機荷載激振而引起的橋跨結(jié)構(gòu)微小振動響應(yīng)為橋跨結(jié)構(gòu)的自振頻率。橋梁自振頻率變化不僅能夠反映結(jié)構(gòu)損傷情況，而且還能反映結(jié)構(gòu)整體性能和受力體系的改變［4］，其是反映橋梁剛度的最直接體現(xiàn)。該橋加固設(shè)計前豎向振動自振頻率實測值、理論值以及加固設(shè)計后理論計算值見表3。加固前后計算模型豎向第1階自振頻率及振型如圖6所示。

表3　橋梁豎向振動自振頻率值

圖6　橋梁豎向自振頻率理論振型

由表3可知，采用T形截面轉(zhuǎn)換箱形截面的加固設(shè)計方法后，橋梁的頻率理論值大于加固前頻率理論值，表明T形轉(zhuǎn)箱形截面的加固方法能夠有效提升橋梁的整體剛度。

4.2靜載試驗中目標(biāo)荷載產(chǎn)生截面內(nèi)力值的分析和比較

某橋靜載試驗?zāi)繕?biāo)荷載為設(shè)計標(biāo)準規(guī)定的荷載，即汽-20級、掛-100級，人群荷載3.5 kN/m2。根據(jù)該橋竣工圖紙和現(xiàn)場實測資料，對掛車-100級活載產(chǎn)生的靜載試驗最不利效應(yīng)值進行等效換算，并用有限元軟件Midas Civil進行建模計算，得到設(shè)計活載下各主梁產(chǎn)生的最不利內(nèi)力值，見表4。各梁片設(shè)計活載內(nèi)力值分布如圖7所示。

表4　橋梁各主梁設(shè)計活載內(nèi)力值

由表4可知，橋跨結(jié)構(gòu)加固后，較加固前各主梁跨中截面所受的活載內(nèi)力最大值有所降低。車道布置右側(cè)偏載作用下，1#T梁的分配系數(shù)為：式中：X1、X＇1分別為加固前、加固后1#T梁的橫向分配系數(shù)分別為加固前、加固后y#T梁設(shè)計活載產(chǎn)生的最不利內(nèi)力值，y=1，2，…，n。

加固后，1#T梁的分配系數(shù)較加固前有所降低。從圖7可以看出，T形轉(zhuǎn)箱形截面的加固方法可有效提高原橋跨結(jié)構(gòu)橫向的整體受力性能，抵抗活載產(chǎn)生的內(nèi)力。

4.3加固后正截面抗彎驗算結(jié)果分析

按照該橋設(shè)計荷載等級為掛車-100級，對該橋加固后極限狀態(tài)承載能力受彎荷載效應(yīng)基本組合下，原T梁跨中截面抗彎承載能力進行了檢算，結(jié)果見表5，邊梁和中梁的抗彎承載力彎矩包絡(luò)圖如圖8所示。

圖7　各梁片設(shè)計活載內(nèi)力值分布

表5　加固后T梁跨中截面抗彎承載能力驗算

圖8　加固后最不利荷載組合下主梁抗彎承載力彎矩包絡(luò)圖

由表5可知，加固后該橋跨結(jié)構(gòu)T梁在承載能力極限狀態(tài)下，各主梁結(jié)構(gòu)能夠滿足正截面抗彎承載力的要求，承載力富余度最低為12%，表明加固后該橋承載能力能夠滿足汽-20級，掛-100級，人群荷載3.5 kN/m2的設(shè)計荷載等級要求，可保證該橋橋跨結(jié)構(gòu)繼續(xù)服役過程中的安全性和耐久性適合現(xiàn)有交通的通行壓力。

5　施工可行性分析

為了增強簡支T形梁橋的承載能力，采用T形轉(zhuǎn)換箱形截面的加固方法，可以很好地利用原T梁結(jié)構(gòu)，在梁底植筋并架設(shè)施工平臺，并澆筑截面混凝土。施工工藝和工法較為成熟，且方便快捷，占用空間及消耗材料較少，且可以在不影響或少影響交通的情況下施工。

需注意的是，由于該橋位于出?？冢室刂其摻畋Ｗo層的厚度，以滿足設(shè)計要求。由于原結(jié)構(gòu)自身的正截面抗彎承載能力已經(jīng)不能滿足設(shè)計荷載等級要求，因此在新澆混凝土層達到強度標(biāo)準值之前，應(yīng)在跨中搭設(shè)臨時支撐墩，以支撐加固時現(xiàn)澆混凝土層自重及施工荷載［7］。

6　結(jié)論

本文基于某橋工程實例，運用有限元軟件Midas Civil建立實體模型，通過計算分析，研究了T形轉(zhuǎn)箱形截面加固方法在普通鋼筋混凝土簡支梁橋的應(yīng)用效果，并得到如下結(jié)論：

1）采用T形轉(zhuǎn)換箱形截面的加固方法加固后的橋梁其受力性能得到明顯提高，表現(xiàn)為：（1）橋梁自振頻率增大，剛度加強；（2）各主梁間共同受力作用效果提升明顯；（3）主梁正截面抗彎承載能力明顯加強。

2）采用T形轉(zhuǎn)箱形截面的加固方法可以方便快捷地進行施工，且不影響或少影響橋面交通。

3）對于因設(shè)計年代較早、承載能力暴露出不足的普通鋼筋混凝土T形截面梁橋，采用轉(zhuǎn)換箱形截面的加固方法對T形截面簡支梁橋進行加固，不僅能夠提升橋跨結(jié)構(gòu)的承載能力，而且還能夠增大橋跨結(jié)構(gòu)的剛度，提升T形簡支梁橋整體受力性能。

［1］ 范立礎(chǔ).橋梁工程（上）［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［2］浙江省公路管理局.JTG H10—2009公路養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2009.

［3］交通運輸部公路科學(xué)研究院.JTG/T H21—2011公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［4］交通運輸部公路科學(xué)研究院.JTG/T J21—2011公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［5］中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司.JTG/T J22—2008公路橋梁加固設(shè)計規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［6］ 葉見曙.結(jié)構(gòu)設(shè)計原理（第二版）［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［7］劉來君，趙小星.橋梁加固設(shè)計施工技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［8］E.C.漢勃力.橋梁上部結(jié)構(gòu)性能［M］.郭文輝，譯.北京：人民交通出版社，1982.

Study on Reinforcing Method by Changing T-Section to Box Section in Common Steel Reinforced Simple Girder Bridge

YOU Dequan1，YIN Dongjia2，LI Qionghui3

Box girder bridges have good integrity and stability.For old bridge with T-section design that has inadequate bearing capacity，this paper suggests changing T section into box section to reinforce and upgrade the overall bearing capacity of bridge.Via finite element modeling analysis，this paper compares bridge stiffness，load distribution and span section bending bearing capacity upgrading，etc.，before and after reinforcement，to study the feasibility of this reinforcing method in similar old bridge reinforcement.

T-Section；box section；reinforcing method；bearing capacity；finite element analysis

1009-6477（2016）04-0105-05

U448.21+7

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.024

2016-04-15

游德泉（1990-），男，福建省龍巖市人，本科，助工。