李偉東

(湖南省建筑設計院， 湖南 長沙 410000)

考慮橋面鋪裝層疊合效應的裝配式T梁橋加固研究

李偉東

(湖南省建筑設計院， 湖南 長沙 410000)

對一座20 m跨徑裝配式鋼筋混凝土T型截面連續(xù)梁橋的結構加固設計工作，提出在結構承載能力判定中，合理計入橋面鋪裝層的疊合效應的必要性。通過有限單元法對結構在組合截面下的工作狀態(tài)應力進行建模分析和計算。并結合現場成橋試驗實測應變值，綜合評價了計算模型中混凝土主梁與鋪裝層之間的合理連接形式，為今后工程中既有橋梁的加固設計和結構承載能力評估等相應工作中對鋪裝層的考慮提供了理論支持。

T梁橋； 加固設計； 橋面鋪裝層； 疊合效應； 有限元； 承載力試驗

0 前言

對于裝配式橋梁簡支結構的施工工藝，以橫橋向分片、廠區(qū)預制、架梁設備安放到位等一系列流程所組成了較為成熟的裝配式梁橋的施工工法體系。由于梁片從預制存放到架梁成橋存在著較長的時間差，為保證最終橋梁結構橫橋向各梁片間共同受力，在混凝土主梁的預制過程中，通常在梁體內按一定間距埋設外伸鋼筋以澆筑現澆帶。橋面鋪裝層施工前對混凝土預制梁體頂面進行鑿毛，以保證橋面鋪裝層與梁體新舊混凝土之間的緊密結合，共同發(fā)生變形，從而形成一個穩(wěn)定受力結合面，更好的承受車輛荷載的作用。而在現階段橋梁結構設計計算理論及既有橋梁評定試驗計算中，橋面鋪裝層常被視為結構二期恒載計入結構荷載效應值，而計算中不計入鋪裝層對結構的抗彎承載力及抗剪承載力的提高作用，使得結構承載力計算而趨于保守[1，2]。

王恩東[3]提出對于混凝土梁式橋結構承載力計算時，應根據橋面鋪裝層的剛度大小，分別考慮水泥混凝土和瀝青混凝土兩種不同材料形式的鋪裝層對主梁的疊合效應。其文中分別就混凝土主梁與鋪裝層不同的結合形式進行過模擬計算，指出了不同形式的鋪裝層與主梁結合方式對全橋結構受力的影響。因此，是否在結構計算中計入橋面鋪裝層對結構承力的貢獻作用，則主要取決于鋪裝層材料類型及其與混凝土梁頂面的結合面狀況，并且實際工程的試驗數據支撐直接決定著有限元計算結果的可靠性。

1 鋪裝層受力性能

橋面鋪裝層的設置能有效保護主梁不直接承受移動荷載的磨耗影響，并能防止主梁頂面受雨水的侵蝕。對于行車道鋪裝層，除了保證其強度不低于主梁混凝土強度之外，而且在兩者結合面之間常有技術處理，以保證鋪裝層與主梁間的協(xié)同受力[4]。

考慮鋪裝層疊合效應，需首先對鋪裝層的材料形式進行區(qū)分，鋪裝層與混凝土主梁間的結合方式可分為兩種：對于混凝土形式的橋面鋪裝層方案，視兩者連接形式為剛性連接；而對于瀝青混凝土形式的橋面鋪裝層方案，由于主梁和鋪裝層兩者間剛度相差較大，視其連接形式為柔性連接。對于剛性連接形式，鋪裝層混凝土有著較好的工作性能，可作為結構承載力的一部分計入結構承載力。主梁與鋪裝層之間的結合面能夠支持兩者之間的剪力和彎矩的傳遞，故對兩者的變形可視為協(xié)調形式。而對于瀝青混凝土鋪裝層的柔性連接形式，由于兩者間的剛度差別較大，故不考慮瀝青混凝土鋪裝層為承載結構的一部分，兩者之間存在傳遞剪力的傳遞。對于梁結構，剛性連接形式主梁可視為由新舊混凝土組合而成的組合截面，此時鋪裝層不僅可使主梁有效工作截面得到增大，而且截面中性軸上移，有效提高結構抗彎剛度。對于底板粘貼鋼板加固橋梁，則能進一步發(fā)揮加固鋼板受拉的工作能力、主梁頂面及混凝土鋪裝層抗壓性能，因而計入鋪裝層的組合截面結構計算原理能有效發(fā)揮主梁承載能力。

2 加固橋梁現場試驗分析

2.1 主梁加固設計

以某地一座跨徑分布為4×20 m裝配式簡支變連續(xù)混凝土T形截面梁橋加固設計工作為研究對象。橋梁于1998年建成通車，橋面凈寬18 m，雙向四車道，橫橋向兩側分別設置1.5 m蓋板式人行道，橫橋向標準橫斷面由11片T梁組合拼裝。全橋設計荷載等級為汽車-20、掛車-100；人群荷載按均布荷載計，4.0 kN/m2。

根據上部結構的檢測報告，主梁主要病害及其成因可以歸納為主要的特征裂縫分布形式。環(huán)境的長期侵蝕直接導致了混凝土碳化引起混凝土的剝落和鋼筋的銹脹現象，T梁馬蹄及腹板產生較為密集的豎向、斜向裂縫及沿斷面貫通裂縫。此類裂縫主要成因是梁體在荷載作用下承受較大彎拉效應，截面受拉區(qū)混凝土主拉應力超過混凝土抗拉允許值，進而出現可視裂縫的擴展。而在主梁支點附近，斜向裂縫成為梁體腹板主要裂縫類型分布。簡支結構在支承位置附近主梁承受較大剪力作用，腹板抗剪鋼筋所提供的抗剪承載力低于主拉應力時，亦會導致斜向剪裂縫的產生和沿45°方向發(fā)展。根據其裂縫的分布與成因，對主梁的加固處理措施如下：

1) 于T梁底板處進行粘貼縱向鋼板條進行加固，以提高主梁抗彎承載力，底板加固形式如圖1中所示。

2) 于T梁腹板處進行粘貼斜向鋼板條進行加固，以提高主梁抗彎承載力。腹板加固形式如圖2中所示。

3) 對混凝土T梁橫隔板進行粘鋼加固，加強T梁間的橫向聯(lián)系與抗扭性能。

4) 對于橋面鋪裝層，預先鑿除梁頂面已破損的橋面鋪裝層，重新加鋪16 cm厚C40防水鋼筋混凝土鋪裝層。加固處理后的主梁截面如圖3中所示。

圖1 底板粘貼鋼板加固示意圖

圖2 腹板粘貼鋼板加固示意圖

圖3 加固處理后的主梁截面示意圖(單位： mm)

2.2 加固后現場荷載試驗

為了解新加鋪混凝土橋面鋪裝層與主梁頂面間新舊混凝土在實際工作中的協(xié)同工作情況，通過加固后主梁現場靜載試驗，測定主梁截面在荷載作用下截面不同高度的應變值，并通過有限元單元法在不同結合面對應工況下的計算結果，分析得出新舊混凝土之間不同材料接觸模擬的最佳方式。

現場試驗選取第2跨上部結構主梁進行應變記錄，橫橋向梁片自左向右依次編號為1號～11號梁。其中，僅對車輛荷載直接影響下的3號～9號梁在荷載作用下的應變進行觀測。沿高度方向通過粘貼電阻應變片的方式進行應變值實時觀測。跨中截面應變測點布置如圖3中所示(測點A位于T梁馬蹄下緣中心、測點B位于距底面邊緣80 cm對應位置處、測點C位于距底面邊緣110 cm對應位置處)。

3號～9號主梁應變現場實測值于表1中列出，其實測應變值沿截面高度方向基本服從胡可定律，接近初等梁理論里面對受彎梁沿截面高度的變形理論中線性分布。

表1 主梁實測應變值梁編號測點應變值ABC374με33με-2με489με49με0με5103με51με5με6113με57με1με7101με44με-2με890με51με1με975με39με3με

2.3 有限單元法計算

通過Midas-civil結構有限元橋梁結構分析平臺，選取3跨連續(xù)梁加固結構建立有限元分析模型。其中主梁混凝土、橫隔梁、加固粘貼鋼板以及混凝土鋪裝層均采用不同截面的梁單元模擬，材料參數主要按照現場試驗檢測、設計圖紙說明以及有關設計規(guī)范而確定。對于鋪裝層混凝土與主梁混凝土之間通過設置不同剛度的彈性連接形式進行模擬，計算模型中分別采用剛度較大的硬連接和剛度值較小的軟連接兩種形式對橋面鋪裝層參與結構承載力后的主梁應變進行計算。上部結構有限元分析模型如圖4所示。

圖4 上部結構有限元計算模型

根據現場試驗車輛荷載的分布、荷載作用面的作用值，等效施加于橋面鋪裝層單元。對于硬連接計算模型，橋面混凝土鋪裝層作為承載構件，此時的跨中截面對應測點A、B、C處的計算應變計算值匯總于表2；而對于軟連接計算模型，主梁直接作為承載構件，跨中截面對應測點A、B、C處的計算應變計算值也匯總于表2。

顯然，硬連接形式下的主梁測點應變計算值較軟連接形式下的測點計算應變值低。經結果數據分析，計入橋面鋪裝層受力的主梁抗彎承載力較不計鋪裝層對應的模型而言能得到約13.5%的明顯提高。由此可見，在裝配式混凝土橋梁方案選取階段，可優(yōu)先選取混凝土形式的橋面鋪裝層，并在施工工藝上保證新舊混凝土的結合面的有效程度。這樣主梁的結構承載能力既能得到有小的提升，材料性能也能得到充分的運用。如圖5。

表2 硬連接、軟連接主梁測點應變計算值梁編號硬連接測點應變值軟連接測點應變值ABCABC3 73με15με-1με 76με19με5με4 99με21με 0με 90με24με6με5103με28με 0με122με32με 7με6134με33με 3με172με37με11με7109με25με-4με115με31με 8με8101με24με-1με109με28με 7με9 77με21με-1με 89με21με 6με

圖5 測點A應變實測值與理論值

3 結語

本文以一聯(lián)4跨裝配式普通鋼筋混凝土T形截面連續(xù)梁橋加固設計為研究對象，對單跨跨徑20 m的簡支梁橋在不同橋面鋪裝層下的受力性能計算和分析，研究得到的結論如下：

1) 對于既有橋梁重新加鋪混凝土橋面鋪裝層形式的加固方案，橋面鋪裝層可以視為結構承載力的受力構件之一。

2) 通過橋梁結構檢算或橋梁承載力評估驗算的有限元計算模型的兩者對比，考慮混凝土鋪裝層與混凝土主梁協(xié)同受力能真實反映橋面鋪裝層的實際工作狀態(tài)。

3) 對橋面鋪裝層與主梁的有限元計算仿真，定義有效的連接形式能夠有效發(fā)揮鋪裝層的疊合效應，以得到符合工程實際條件的數值計算結論。

4) 對于裝配式混凝土橋梁結構設計，建議優(yōu)先選取混凝土形式的橋面鋪裝層，并在施工工藝上保證新舊混凝土的結合面的有效程度。這樣主梁的結構承載能力既能得到有效的提升，材料性能也能得到充分的運用。

[1] 謝瑋.橋面鋪裝層疊合效應的受力分析研究[D].安徽：合肥工業(yè)大學，2009.

[2] 常軍輝．公路橋梁的養(yǎng)護與維修加固探討[J].交通世界(建養(yǎng).機械)，2015，34(2)：44-45.

[3] 王恩東．箱梁橋橋面鋪裝受力特性研究[J].山東大學學報(工學版)，2008(2)：71-76.

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[5] 呂建鳴，宋建永．組合截面橋梁結構計算方法研究[J].公路交通科技，2005(6)：68-71.

[6] 張樹仁，王宗林.橋梁病害診斷與改造加固設計[M].北京：人民交通出版社，2006.

[7] 趙順波，張新中.混凝土疊合結構設計原理與應用[M].北京：中國水利水電出版社，2001.

2016-09-02

李偉東( 1982-) ，男，碩士研究生，工程師，主要從事路橋設計工作。

1008-844X(2017)01-0129-03

U 448.21+2

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