陸召全

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 210014)

0 引言

鋼箱梁橋是橋梁中一種非常重要的類型，在我國的橋梁工程發(fā)展的初期階段，由于對鋼箱梁橋建設(shè)缺少正確的認(rèn)識(shí)，導(dǎo)致在完成鋼箱梁橋的建設(shè)后存在一定的病害問題，進(jìn)而對鋼箱梁橋的使用壽命和安全造成影響。而為了能夠保證這些既有鋼箱梁橋的穩(wěn)定性，需要對其采取一定的加固措施。對既有鋼箱梁橋的受力性能進(jìn)行分析，能夠?yàn)殪柟毯吞岣呒扔袖撓淞簶虻姆€(wěn)定性提供借鑒。

1 對既有橋梁進(jìn)行受力性能研究的重要性

鋼箱梁橋是我國在進(jìn)行橋梁工程建設(shè)中最早應(yīng)用的一種橋梁類型，在建設(shè)鋼箱梁橋的過程中，由于缺少對橋梁工程設(shè)計(jì)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致鋼箱梁橋的建設(shè)存在箱室較寬、加勁肋厚度偏小等問題。而這些問題的存在，會(huì)直接影響到鋼箱梁橋的整體剛度，這樣不僅會(huì)給行車安全造成一定的影響，還會(huì)因行車過程中產(chǎn)生的震動(dòng)問題而給鋼箱梁橋的整體質(zhì)量造成影響，進(jìn)而縮短鋼箱梁橋的使用壽命。在這種情況下，隨著我國橋梁施工建設(shè)技術(shù)水平的不斷提高，我國對于鋼箱梁橋的施工建設(shè)也提出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)[1]。而在這些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)頒布之后，既有的鋼箱梁橋已不符合相關(guān)規(guī)定，因而就需要按照相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來對既有鋼箱梁橋進(jìn)行加固處理，用以保證鋼箱梁橋的使用安全和行車安全。

而從橋梁本身的建設(shè)原理來看，受力性能的好壞直接關(guān)系到鋼箱梁橋的承載力和質(zhì)量安全。對既有鋼箱梁橋的受力性能進(jìn)行分析，能夠依據(jù)既有鋼箱梁橋受力性能的不同，及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼箱梁橋中存在的質(zhì)量問題，進(jìn)而通過更加合理的加固措施的應(yīng)用來滿足其他同類型的鋼箱梁橋加固和改造的要求，在保障既有鋼箱梁橋質(zhì)量的同時(shí)，還對促進(jìn)我國鋼箱梁橋施工建設(shè)水平的提高起到重要的作用[2]。

2 改善既有鋼箱梁橋受力性能方法的具體分析

既有鋼箱梁橋存在的質(zhì)量問題，主要都是受到我國早期橋梁建設(shè)水平的影響而導(dǎo)致的，作為我國早期建設(shè)橋梁的代表之一，鋼箱梁橋的施工建設(shè)在很多方面都存在著一定的技術(shù)限制。從改善既有鋼箱梁橋受力性能的角度來思考如何保障鋼箱梁橋的運(yùn)營和行車安全，為鋼箱梁橋選擇合適的加固措施提供更加科學(xué)的方法，從而促進(jìn)我國橋梁工程建設(shè)水平的提高等方面起到重要的作用[3]。從這一方面來說，在對改善既有鋼箱梁橋受力性能的方法進(jìn)行分析時(shí)，主要可以從以下幾個(gè)方面來入手。

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)驗(yàn)算的現(xiàn)狀

需要進(jìn)行加固處理的鋼箱梁橋投入應(yīng)用的時(shí)間普遍較早，結(jié)合當(dāng)前我國對橋梁工程建設(shè)實(shí)施的設(shè)計(jì)規(guī)范來看，在對既有鋼箱梁橋進(jìn)行加固處理之前，需要對既有鋼箱梁橋的受力性能角度進(jìn)行分析，找出既有鋼箱梁橋在實(shí)際應(yīng)用中存在的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量問題，以采取相對應(yīng)的加固措施進(jìn)行解決。在對既有鋼箱梁橋的受力性能進(jìn)行分析之前，需要明確需要進(jìn)行分析的鋼箱梁橋的結(jié)構(gòu)、剛度等指標(biāo)數(shù)據(jù)，才能夠?yàn)槭芰π阅艿姆治鎏峁└涌茖W(xué)的依據(jù)。

鋼箱梁橋在一般的運(yùn)營情況下需要滿足較大的重車通行量的需求，而在重車經(jīng)過鋼箱梁橋的過程中，由于受到鋼箱梁橋本身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的影響，會(huì)在車輛經(jīng)過的過程中使橋梁產(chǎn)生較強(qiáng)的震動(dòng)感[4]。舉例來說，以單箱單室結(jié)構(gòu)為主的鋼箱梁橋大多呈現(xiàn)出較寬的箱室、較薄的箱梁頂、較薄的底板厚度等特征，而這些特征的存在，會(huì)間接導(dǎo)致鋼箱梁橋整體的剛度無法達(dá)到當(dāng)前橋梁設(shè)計(jì)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。在對這種鋼箱梁橋的受力性能進(jìn)行分析時(shí)，需要事先進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的驗(yàn)算，為鋼箱梁橋受力性能的分析提供更加科學(xué)的依據(jù)。某橋梁工程鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖見圖1。

圖1 某橋梁工程鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

結(jié)合當(dāng)前較為廣泛的應(yīng)用在橋梁工程建設(shè)中的建模技術(shù)，在明確需要進(jìn)行分析的既有鋼箱梁橋的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、橋梁跨徑布置、單幅橋梁寬、主梁橫斷面結(jié)構(gòu)、頂板、底板寬度、箱梁懸臂長度、各種加勁肋半厚度和間距等數(shù)據(jù)信息之后，利用公式計(jì)算來實(shí)現(xiàn)對整個(gè)既有鋼箱梁橋的建模，在全橋計(jì)算模型和有限元模型建立完成之后，就可以依據(jù)模型中呈現(xiàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)來進(jìn)行鋼箱梁的第一體系應(yīng)力和第二體系應(yīng)力的驗(yàn)算，進(jìn)而明確鋼箱梁頂、底板的應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果[5]。在進(jìn)行第一體系應(yīng)力的驗(yàn)算過程中，需要從既有鋼箱梁橋的基本組合頂板最大正應(yīng)力、基本組合底板的最大正應(yīng)力、最大剪力、撓度、不計(jì)沖擊系數(shù)頻遇值撓度、自振頻率等來對鋼箱梁橋縱向結(jié)構(gòu)中的數(shù)值進(jìn)行測算，而在進(jìn)行第二體系應(yīng)力驗(yàn)算的過程中，則需要從既有鋼箱梁橋的基本組合頂板最大正應(yīng)力、基本組合底板最大正應(yīng)力、不計(jì)沖擊系數(shù)頻遇值撓度以及自振頻率四個(gè)方面來對鋼箱梁橋的原結(jié)構(gòu)以及剛巧規(guī)范限值進(jìn)行驗(yàn)算。在得到具體的驗(yàn)算結(jié)果之后可以發(fā)現(xiàn)，單箱單板的鋼箱梁橋盡管在鋼箱梁的上下緣應(yīng)力設(shè)計(jì)值方面滿足鋼箱梁橋的規(guī)范要求，但由于這種鋼箱梁式的結(jié)構(gòu)存在底板富余程度較小的問題，很容易在局部受到壓力的狀態(tài)下產(chǎn)生彎曲的狀況，進(jìn)而給鋼箱梁橋的運(yùn)營安全造成影響。在這種情況下，就需要對既有的鋼箱梁橋進(jìn)行加固設(shè)計(jì)，用以達(dá)到提高鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、保證鋼箱梁橋運(yùn)營安全和行車安全的目的。

2.2 鋼箱梁橋的加固方案

結(jié)合當(dāng)前我國大部分既有鋼箱梁橋的實(shí)際運(yùn)營情況來看，在對既有鋼箱梁橋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算之后，主要可以采用四種方法對鋼箱梁橋進(jìn)行加固處理。

具體來說，在應(yīng)用第一種加固既有鋼箱梁橋的方法時(shí)，需要明確進(jìn)行鋼箱梁橋加固的主要目的。這種加固方法的應(yīng)用，主要是針對鋼箱梁橋面存在的疲勞問題，利用鋼混的組合結(jié)構(gòu)來代替以往的鋼箱梁結(jié)構(gòu)的方法，以達(dá)到提高橋梁的剛度和延長鋼箱梁橋使用壽命、保證行車安全的目的。在應(yīng)用這種加固處理方法的過程中，需要拆除鋼箱梁橋原有的鋼箱梁橋中的鋪裝層，在鋼箱梁的頂部焊接好栓釘之后，向其中澆筑約10cm 左右厚度的混凝土，這樣就能夠形成一個(gè)鋼混的組合結(jié)構(gòu)。在澆筑混凝土的過程中，為了能夠保證鋼混組合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要選擇具有超高性能的混凝土來滿足鋼箱梁橋的加固需求。與此同時(shí)，混凝土的澆筑順序也需要嚴(yán)格按照先跨中、后支點(diǎn)的方式，滿足鋼箱梁橋加固對于混凝土的要求。在應(yīng)用這種方法完成加固之后，通過對應(yīng)用加固方法后的鋼箱梁結(jié)構(gòu)和鋼橋規(guī)范限值在基本組合頂板最大正應(yīng)力、基本組合底板最大正應(yīng)力、不計(jì)沖擊系數(shù)頻遇值撓度以及自振頻率等方面數(shù)值的比對，驗(yàn)證這種加固方法具有一定的作用。

第二種鋼箱梁橋的加固方法，主要是從鋼箱梁橋支點(diǎn)的角度來改善鋼箱梁橋的受力情況的。這種加固方法在實(shí)際的應(yīng)用中，通過提高支點(diǎn)附近鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)的剛度，來達(dá)到降低底板應(yīng)力水平的目的。在應(yīng)用這種加固方法之前，也需要拆除鋼箱梁橋原有的鋪裝層，然后選擇原有鋼箱梁橋支點(diǎn)附近7.75m 的底板范圍，在該范圍之內(nèi)選擇C50 類型的混凝土進(jìn)行澆筑。在澆筑混凝土的過程中，需要保證混凝土的澆筑厚度在20cm 左右，以此來確?；炷恋暮穸饶軌驖M足降低鋼箱梁橋底板應(yīng)力水平的需求。在完成混凝土的澆筑之后，再進(jìn)行橋面層的施工，用以滿足鋼箱梁橋正常運(yùn)營的目標(biāo)。完成加固方法的處理后，同樣需要針對加固結(jié)果和鋼橋的規(guī)范限值進(jìn)行對比分析，以此來驗(yàn)證加固方法應(yīng)用的實(shí)際效果。舉例來說，在鋼橋規(guī)范限值的標(biāo)準(zhǔn)下，基本組合頂板最大正應(yīng)力為270MPa，而某種鋼箱梁橋在應(yīng)用這種加固方法之后，基本組合頂板最大正應(yīng)力為204.9MPa。通過對鋼箱梁橋應(yīng)力的有效改善，能夠?qū)μ岣咪撓淞簶虻慕Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和運(yùn)營安全起到重要的作用。第二種鋼箱梁橋加固方法斷面示意圖見圖2。

圖2 第二種鋼箱梁橋加固方法斷面示意圖

第三種鋼箱梁橋的加固方法，同樣是從鋼箱梁橋支點(diǎn)的角度出發(fā)的，但與第二種加固方法不同的是，在拆除鋼箱梁橋原有的鋪裝層之后，這種加固方法需要在底板和U 肋之間新增28mm× 280mm 的板肋，來滿足改善鋼箱梁橋受力性能的需求。通過提高鋼箱梁橋支點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)的剛度，來滿足降低鋼箱梁橋底板應(yīng)力水平的目的。而在完成新增板肋的施工之后，還需要對鋼箱梁橋的橋面層進(jìn)行施工。在完成所有的加固處理步驟之后，通過對加固后的結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果和鋼橋規(guī)范限值之間的對比，驗(yàn)證這種加固方法也具備能夠改善鋼箱梁橋受力性能的作用。

第四種鋼箱梁橋的加固方法，主要是從鋼箱梁橋整體結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)，這種加固方法的應(yīng)用原理是通過減小鋼箱梁橋中腹板的剪力大小，來提高鋼箱梁橋的整體結(jié)構(gòu)剛度。在實(shí)際應(yīng)用這種加固方法的過程中，拆除鋼箱梁橋原有的鋪裝層后，向鋼箱梁橋的箱室內(nèi)橫隔板之間增加剪刀撐，再進(jìn)行橋面層的施工。按照相關(guān)的步驟對鋼箱梁橋進(jìn)行加固處理之后，通過對加固后的鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)與鋼橋規(guī)范限制的對比分析，驗(yàn)證這種加固方法也能夠滿足加固鋼箱梁橋的需求。

對以上四種鋼箱梁橋的加固處理方法進(jìn)行分析之后可以發(fā)現(xiàn)，盡管具體的加固措施不同，但加固方法的應(yīng)用原理通過一定的措施來提升既有鋼箱梁橋的剛度，進(jìn)而保證鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的。在分別得到四種加固方法應(yīng)用后的鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)變化計(jì)算結(jié)果之后，將所有的計(jì)算結(jié)果集中起來，結(jié)合鋼箱梁橋本身的有效寬度、局部穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)等方面對鋼箱梁橋剛度產(chǎn)生的影響，對四種加固鋼箱梁橋的方法進(jìn)行分析，找出四種加固方法適用的鋼箱梁橋類型，進(jìn)而為當(dāng)前我國既有鋼箱梁橋的加固處理提供更加科學(xué)有效的方法。

3.3 加固方案的評價(jià)

在驗(yàn)證四種加固方法對于改善既有鋼箱梁橋受力性能能夠起到明顯的效果之后，就可以結(jié)合當(dāng)前我國既有鋼箱梁橋的整體運(yùn)營情況，對加固方案的實(shí)際應(yīng)用效果和情況進(jìn)行分析，并結(jié)合既有鋼箱梁橋的主要類型，為其提供更加適合的加固方法。而在這個(gè)過程中需要注意的是，在對四種鋼箱梁橋的加固方法進(jìn)行分析時(shí)，需要依據(jù)四種加固結(jié)構(gòu)的原理來繪制出鋼箱梁橋加固處理的橋梁斷面示意圖，然后結(jié)合圖中呈現(xiàn)的內(nèi)容，分別對四種加固方法進(jìn)行科學(xué)的評價(jià)和分析。

具體來說，第一種應(yīng)用鋼混組合結(jié)構(gòu)的加固方法主要是從鋼箱梁橋的整體結(jié)構(gòu)剛度入手，通過對恒載以及活載撓度的降低，既能夠減少車輛尤其是重型車輛在行駛過程中對于橋梁造成的震動(dòng)影響，也能夠提高行車的安全和舒適性。應(yīng)用這種加固方法的過程中，由于增加了約10cm 左右的結(jié)構(gòu)層高度，不僅增加了鋼箱梁橋自身的重量，還會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力的明顯增加。不僅需要進(jìn)行鋼箱梁橋的加固處理，還需要對鋼箱梁橋主橋兩側(cè)的道路標(biāo)高進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以便能夠滿足相關(guān)規(guī)定中對于鋼箱梁橋設(shè)計(jì)和建造的標(biāo)準(zhǔn)要求。

第二種鋼箱梁橋的加固方法與第三種加固方法之間的差異較小，在進(jìn)行加固的過程中都是通過改變鋼箱梁橋支點(diǎn)附近底板的應(yīng)力狀態(tài)來改善受力性能。在應(yīng)用這兩種加固方法的過程中，盡管鋼箱梁橋的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了一定程度的轉(zhuǎn)變，但鋼箱梁橋整體的結(jié)構(gòu)剛度并沒有發(fā)生明顯的變化。而從兩種加固方法實(shí)施的具體步驟來看，第三種加固方法中應(yīng)用的加勁肋重量要比第二種加固方法中的混凝土低，因而從施工的角度來說更加簡便。

通過前面的分析可以發(fā)現(xiàn)，第四種鋼箱梁橋的加固方法也能夠?qū)Ω纳其撓淞簶虻氖芰π阅芷鸬揭欢ǖ淖饔?。但從這種加固方法的實(shí)際應(yīng)用情況來看，由于這種加固方法并沒有對鋼箱梁橋的上下緣應(yīng)力產(chǎn)生較為明顯的影響，再加上對于腹板剪力的影響也比較小，導(dǎo)致最終也沒有對鋼箱梁橋的結(jié)構(gòu)剛度產(chǎn)生明顯的影響，因而加固鋼箱梁橋的效果并不理想。

在對以上四種加固方法的應(yīng)用效果進(jìn)行評價(jià)之后可以發(fā)現(xiàn)，第三種加固方法無論是從加固效果還是施工過程的角度來看，都比其他三種加固方法更優(yōu)越。而由于前面在對四種加固方法的應(yīng)用進(jìn)行分析時(shí)主要是以單箱單室結(jié)構(gòu)為主的鋼箱梁橋，因而雖然能夠?qū)ζ渌愋偷匿撓淞簶蚣庸唐鸬揭欢ǖ慕梃b作用，但要想獲得更加準(zhǔn)確的分析結(jié)果，仍需要結(jié)合不同類型的鋼箱梁橋的實(shí)際情況，對各種加固方法的應(yīng)用情況進(jìn)行分析，才能夠更好地滿足鋼箱梁橋加固的要求，在保證鋼箱梁橋的質(zhì)量安全和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時(shí)，保證行車安全，為促進(jìn)我國交通行業(yè)的發(fā)展起到更大的作用。結(jié)合當(dāng)前我國既有橋梁的運(yùn)營情況來看，對以鋼箱梁橋?yàn)榇淼脑缙谶\(yùn)營橋梁進(jìn)行維護(hù)和加固處理，是當(dāng)前交通行業(yè)發(fā)展中一項(xiàng)重要的問題。通過對鋼箱梁橋應(yīng)用的加固方法進(jìn)行分析，希望能夠?yàn)楫?dāng)前我國橋梁工程的維護(hù)處理提供借鑒的依據(jù)。

3 結(jié)語

綜上所述，改善既有鋼箱梁橋的受力性能，是能夠?qū)︿撓淞簶蜻M(jìn)行加固的主要原理。針對當(dāng)前我國既有鋼箱梁橋存在的結(jié)構(gòu)整體剛度較小、行車中容易出現(xiàn)震動(dòng)等問題，在對鋼箱梁橋進(jìn)行加固的過程中，需要結(jié)合不同類型鋼箱梁橋的實(shí)際情況，選擇合適的改善既有鋼箱梁橋受力性能的原理，以此來滿足加固既有鋼箱梁橋的需要，在保障行車安全的同時(shí)，也能夠?yàn)榇龠M(jìn)橋梁工程和交通行業(yè)的發(fā)展起到重要的作用。