一種新型組合式鋼橫隔梁的設計與應用

姚　嘉，王光明，王　灝(北京市市政工程研究院，北京　100037)

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一種新型組合式鋼橫隔梁的設計與應用

姚嘉，王光明，王灝
(北京市市政工程研究院，北京100037)

摘要:增設鋼橫隔梁是一種常見的舊橋加固方式，但在位于重要交通線路上的橋梁增設鋼橫隔梁時，由于無法中斷橋面交通，使得新增橫隔梁被動受力，影響加固效果。受預應力結構的啟發，對鋼橫隔梁施加一定的預應力，藉此平衡部分外荷載所引起的拉應力，從而改善加固效果，提高橋梁整體性。基于此理念，設計一種新型組合式鋼橫隔梁，并應用于實橋加固。

關鍵詞:鋼橫隔梁橋梁加固預應力設計計算現場試驗

1　新型組合式鋼橫隔梁的初步構想

增設鋼橫隔梁是一種常見的舊橋加固方式，但是由于橋梁自身不同的運營環境，并受施工、設計等條件所限，采用鋼橫隔梁加固時存在如下問題:

1)主梁與新增鋼橫梁間多采用錨栓連接，但錨栓連接在施工偏差及長期荷載作用下會產生松動，最終導致增設橫隔梁發生扭曲現象，加固效果大打折扣。

2)由于在鋼橫隔梁加固過程中無法中斷橋面交通，使得新增橫隔梁在受力工作時有一定滯后性。

針對主梁與鋼橫隔梁連接整體性差的現象，初步設想改變錨栓直接連接腹板與鋼橫隔梁的結構形式，通過增大受力平面，緩解應力集中現象;通過主梁腹板與橫隔梁交叉限制其相對移動，增加整體性。

為解決主梁受力滯后問題，受預應力結構啟發，若對橫隔梁施加一定的預應力，可以平衡部分外荷載所引起的拉應力，同時可以抵抗部分結構變形。

2　有無預應力工況的效果分析

本設計最終應用于某舊橋大修工程，故理論計算及深化設計均依照實橋結構尺寸。舊橋及新設橫隔梁構造見圖1、圖2及圖3。

圖1　一孔(半幅)橋平面(單位:cm)

圖2　主梁橫截面尺寸(單位:cm)

圖3　鋼橫隔梁尺寸(單位:cm)

運用有限元軟件Ansys進行全橋實體建模，通過在鋼橫隔梁上施加溫度荷載，以模擬預應力效果。通過對比有、無預應力工況下主梁受力情況，分析預加應力的效果。

2.1新型鋼橫隔梁對T梁翼板的影響

在主梁翼板上翼緣跨中位置設置1 m寬的均布荷載q = 10 kN/m，分為有預應力和無預應力工況，預應力預設為20 kN，分別計算主梁翼板豎向位移及翼板下翼緣應力。

計算表明:除兩側邊主梁外，中主梁有預應力工況翼板豎向位移均小于無預應力工況，這說明預應力對跨中位置中主梁翼板豎向位移有一定幅度的降低。此外，跨中主梁翼板下翼緣拉應力橫橋向分布有7個明顯的拐點，這7個拐點均位于各主梁翼板連接處。且拉應力極值均位于R1，R2主梁翼板連接處，此處有預應力工況較無預應力工況拉應力下降了41.1%。有預應力工況主梁翼板下翼緣拉應力包絡于無預應力工況，這說明預應力的設置對主梁翼板下翼緣的受力十分有利。

2.2新型鋼橫隔梁對T梁腹板的影響

計算模型同前，分別計算主梁腹板豎向位移及腹板梁底應力。結果表明:在預應力作用下，除邊主梁外，中主梁梁底豎向位移均小于無預應力狀態，其中，R4中主梁腹板梁底豎向位移降低了2.0%。此外，有預應力工況中主梁腹板梁底應力較無預應力工況小。其中，R4梁底最大拉應力降低了3.0%。

2.3新型鋼橫隔梁對全橋抗扭變形的影響

為了研究安裝新型鋼橫隔梁后全橋的抗扭性能，對橋梁施加偏心荷載計算主梁腹板梁底的豎向位移，通過最大值與最小值之差，反映橫隔梁對全橋抗扭剛度的影響。其他參數不變，僅將外荷載改為1 000 kN，作用于邊主梁上。偏載作用下跨中主梁梁底位移曲線如圖4所示，可知預應力的設置對全橋抗扭變形有一定的改善。

圖4　偏載作用下跨中主梁梁底位移曲線

3　新型組合式鋼橫隔梁的深化設計

3.1新型組合式鋼橫隔梁與主梁腹板的連接

一些早期的鋼橫隔梁加固設計，主梁與新增鋼橫梁的連接多采用錨栓連接，但錨栓連接在施工偏差及長期荷載作用下會產生松動，導致增設橫隔梁發生扭曲甚至松動的現象，影響加固效果。

若采用U形鋼板包覆主梁腹板，并在其間隙中注入高強度膠，可以增大受力面積，從而分散應力，使主梁腹板與橫隔梁整體性更好。將貫穿主梁腹板的長螺栓與U形鋼板鎖緊固定，可以將部分原本作用在混凝土與鋼結構連接處的應力轉移到螺栓與鋼板錨固處，相較于錨栓連接，降低了混凝土結構的受力。U形鋼板連接示意如圖5。

圖5　 U形鋼板連接示意

3.2新型組合式鋼橫隔梁橫向預應力施加

新型組合式鋼橫隔梁預應力的施加方式可根據實際情況選定。本次實橋加固的施加方式，采用內置于端側套筒內的加力裝置直接對鋼橫隔梁施加預應力，在保持橫隔梁受力狀態下將其與主梁連接固定，加力裝置見圖6。由于本項目為科學研究，試驗預應力加載為25 kN。

4　實橋加固工程應用與分析

本橋加固竣工后，對實橋進行了加載試驗，以評定加固效果。

圖6　加力裝置

4.1試驗加載方案

試驗采用加載車輛參數如圖7所示。

圖7　加載車輛參數

加載車輛布置見圖8、圖9。由于本橋位于交通干道，為防緊急需要，應產權所有單位要求，橫橋向只布置2列荷載車。

圖8　加載車輛橫橋向布置(單位:m)

圖9　加載車輛縱橋向布置

4.2測點布置

1)變形測點

分別布置于R1—R8梁體跨中，即x1，x2，…，x8。

2)應變測點布置見圖10。

圖10　應變測點布置

4.3試驗安排

本次試驗進行如下3期荷載試驗:

1)原橋荷載試驗，主要測試橋梁的變形、應力及橫向分布情況;

2)原設計鋼橫隔梁加固后荷載試驗;

3)新型組合式鋼橫隔梁加固后荷載試驗。

4.4試驗結果分析

4.4.1變形測點分析

本次試驗采用原設計加固和新型組合式鋼橫隔梁加固，限于篇幅，現僅選取代表性橋跨數據進行分析。

試驗第一跨按原設計鋼橫隔梁加固，加固前、后跨中主梁梁底撓度實測值見圖11(圖中曲線上測值點自左向右為測點x1，x2，…，后同)。

圖11　第一跨加固前、后跨中主梁梁底撓度實測值

由圖11可知，第一跨在安裝鋼橫隔梁加固前，在試驗荷載作用下最大撓度實測值為－3.24 mm，加固后最大撓度實測值為－2.80 mm。加固后第一跨跨中主梁撓度橫向分布曲線趨于平緩，說明采取的加固措施加強了主梁之間的協同工作能力。

試驗第二跨采用新型組合式鋼橫隔梁加固，加固前、后跨中主梁梁底撓度實測值見圖12。

圖12　第二跨加固前、后跨中主梁梁底撓度實測值

由圖12可知，第二跨在安裝新型組合式鋼橫隔梁前，在試驗荷載作用下最大撓度實測值為－3.08 mm，加固后最大撓度實測值為－2.81 mm。

圖13　第一、二跨加固后跨中主梁梁底撓度實測值比較

圖13對比了第一、二跨加固后跨中主梁梁底撓度實測值，可知加固后第二跨部分測點撓度略大于加固后的第一跨。因試驗荷載為偏載，荷載車直接作用于R1—R5主梁上，而撓度增大的測點位于相對遠離荷載車的位置，由此可見，新型組合式鋼橫隔梁相比原設計，能使主梁撓度橫向分布更平緩。但就本次試驗而言，橫向預應力值較小，故新型組合式鋼橫隔梁對主梁梁底撓度及荷載的橫向分布影響不顯著。

4.4.2應變測點分析

第一跨在試驗荷載作用下，加固前、后主梁梁底各測點應變實測值見表1。

表1　第一跨跨中主梁梁底應變實測值

由表1可知，第一跨加固前y1，y2，y5測點實測應變校驗系數＞1.0，不滿足《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(簡稱《橋規》，后同)的要求。造成此現象的原因:此三處測點位置均存在裂縫，在試驗荷載作用下，裂縫開展。就全跨而言，加固前最大梁底應變測點位于y2測點位置，為橫向裂縫區，應變為327×10－6，加固后此測點應變為271×10－6，降低了17%。未開裂區域加固前最大應變位于y3測點，其值115×10－6，加固后此測點應變為99×10－6，降低了14%。其余各測點加固后應變均小于加固前。

第一跨在試驗荷載作用下，加固前、后主梁翼板連接處各測點應變實測值見表2。

表2　第一跨跨中主梁翼板連接處應變實測值

由表2可知，第一跨加固前d2，d3，d4測點處實測應變校驗系數＞1.0，不滿足《橋規》的要求。造成此現象的原因:主梁翼板間鉸縫脫落，在試驗荷載作用下，脫空位置開展。就全跨而言，加固前最大應變位于d4測點位置，應變為282×10－6，加固后此測點應變為236×10－6，降低了16%，均小于加固前。

第二跨在試驗荷載作用下，加固前、后主梁梁底各測點的應變實測值見表3。

表3　第二跨跨中主梁梁底應變實測值

由表3可知，就全跨而言，加固前最大梁底應變位于y3測點位置，為橫向裂縫區，應變為286×10－6，加固后此測點應變為241×10－6，降低了16%。未開裂區域加固前最大應變位于y2測點，其值107×10－6，加固后此測點應變為88×10－6，降低了18%。其余各測點加固后應變均小于加固前，說明增設新型組合式鋼橫隔梁對跨中主梁梁底受力是有益的，且并未出現因預應力引起的主梁和鋼橫隔梁連接處梁底應力增大的現象，這說明U型鋼板的設計是有效的。

第二跨在試驗荷載作用下，加固前、后主梁翼板連接處各測點的應變實測值見表4。

表4　第二跨跨中主梁翼板連接處應變實測值

由表4可知，第二跨主梁采用新型組合式鋼橫隔梁加固前各主梁翼板連接處最大應變位于d3測點位置(此處鉸縫開裂)，應變為318×10－6，加固后此測點應變為251×10－6，降低了21%。此外，另一鉸縫脫落處測點d4加固前最大應變為192×10－6，采用新型組合式鋼橫隔梁加固后d4測點應變降為146×10－6，減少了24%，對比第一跨鉸縫脫落處測點的應變變化較為明顯。此結論印證了橫向預應力的施加可以有效地改善鉸縫損壞界面的受彎狀態，從而改善結構受力。鉸縫未脫落區域加固前最大應變位于d2測點位置，其值為39×10－6，加固后此測點應變為26×10－6，降低了33%。其余各測點加固后應變均小于加固前，說明增設新型組合式鋼橫隔梁對跨中截面主梁翼板連接處的受力是有益的，對比第一跨加固前后主梁翼板連接處的應變變化，橫向預應力的添加對鉸縫處的改善效果是比較明顯的，此結果與理論計算相符。

5　結論

本文從鋼橫隔梁加固工作中遇到的問題出發，提出了新型組合式鋼橫隔梁的初步構想，通過對簡支T形梁橋的空間受力分析，完成深化設計，依托實際項目進行驗證，得到結論如下:

1)新型組合式鋼橫隔梁將原加固橫隔梁劃分為若干組件，并對鋼橫隔梁預先施加一定的預應力，使全橋橫向變形得到改善，主梁撓度橫向分布趨于平緩。采用新型組合式鋼橫隔梁對原T形梁加固后，全橋主梁的翼板及腹板應力和豎向位移均有利好變化，其中，對相鄰主梁翼板連接處效果最為明顯。邊主梁有應力變大及撓度增加的現象，但因預應力的大小是可控制的，該影響應在可接受的范圍內。

2)新型組合式鋼橫隔梁的預應力，可依照主梁連接處最大剪力一定法或按照受損截面與原設計截面所能承受的彎矩、剪力控制值的差值法來確定;

3)新型組合式鋼橫隔梁采用U形鋼板及通長螺栓與主梁連接。通過試驗證實，此設計與以往常用的方法比較能夠分散主梁腹板與鋼橫隔梁連接處的應力集中，并使新舊構件有效結合，滿足結構的整體性要求。

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(責任審編孟慶伶)

Design and Application of New-type Composite Steel Diaphragm

YAO Jia，WANG Guangming，WANG Hao

(Beijing Municipal Engineering Institute，Beijing 100037，China)

Abstract:An extra steel diaphragm is a common way of reinforcement of existed bridges.But bridges in important traffic routes are still open to traffic even during steel diaphragm installation，resulting in unpleasant force in the new diaphragm.W hen prestress is applied to the steel diaphragm，it can reduce the tensile stress caused by external loads and improve reinforcement effect and integrity of the bridge.W ith this idea，a new-type of composite steel diaphragm is designed and applied to real bridge reinforcement.

Key words:Steel diaphragm;Bridge reinforcement;Prestress;Design calculation;Field experiment

作者簡介:姚嘉(1983—)，男，工程師，工程碩士。

基金項目:北京市政路橋集團有限公司技術創新項目(2013-07)

收稿日期:2015-12-02;修回日期:2016-01-08

文章編號:1003-1995(2016)03-0025-05

中圖分類號:TU445.7+2

文獻標識碼:A

DOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2016.03.07