提高連續小箱梁橫向剛度加固方案研究

沈項斌， 方 圓

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

提高連續小箱梁橫向剛度加固方案研究

沈項斌， 方 圓

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

連續小箱梁具備標準化設計、工廠化預制、裝配化施工等各方面優點，廣泛應用于公路、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系剛度問題成為工程界研討的熱點。以30 m跨徑連續小箱梁為例，提出考察小箱梁橫向聯系剛度關鍵參數的基礎上，采用理論分析的方法，對比研究了提高小箱梁橫向聯系剛度的優化方案。

連續小箱梁；橫向聯系剛度；工字鋼

近十幾年來，隨著公路建設事業的蓬勃發展，國內修建了大批橋梁。預制混凝土小箱梁橋由于具有良好的經濟技術指標、建筑高度低和施工便捷等優點，廣泛用于跨徑20～40 m的中、小跨徑橋梁。同時，對于小箱梁的研究工作也有了很大的進展，使小箱梁結構已成為典型的橋梁結構形式之一。雖然小箱梁因其優良的經濟技術指標被廣泛應用，但由于設計上考慮不周、施工不當、超載車的影響再加上自身的老化和養護不夠等原因，現有小箱梁橋梁已經出現了較為典型的病害。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)的橋跨結構，運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，加劇了橋面鋪裝的損傷[1-5]。

本文以典型的3×30 m連續小箱梁橋跨為分析實例，在建立理論分析模型的基礎上，提出反應小箱梁橫向聯系剛度的參數指標，并針對提高該結構橫向聯系剛度、減小活載撓度的加固改造措施進行了分析研究。

1 工程概況

1.1 結構概況

某工程采用多聯30 m跨連續梁橋跨結構，主梁采用后張法預制預應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施工，設計標準如下：

橋梁設計荷載等級：城-A級；

抗震設防烈度：7度；

橋面寬度：14.4 m=0.5 m護欄+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 結構現狀及病害情況

(1) 橋面存在大量的縱、橫向裂縫以及網裂，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，橋面振動較為明顯。

1.3 病害成因分析

通過對裂縫的開裂位置即特征，并結合橋梁結構特點，橋面裂縫產生的原因主要有：

(1) 橋梁運營重車較多，交通量較大。

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

從橋梁結構本身考慮，該橋的問題橫向剛度相對較弱，需要提高橫向聯系剛度。

2 加固方案

原設計主梁承載能力極限狀態和正常使用極限狀態均滿足設計規范要求，因此，本次僅針對提高小箱梁橫向聯系剛度進行方案設計。在對目前加固方法進行全面對比，并經過理論和試驗分析論證后，最終決定采用在小箱梁之間增設H型鋼梁橫向聯系，即在四分點處各設置一道工字梁[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 結構分析

3.1 分析模型

針對3×30 m連續小箱梁橋跨結構，采用實體有限元進行建模分析，有限元模型具體見圖4和圖5。

圖4 實體有限元分析模型

圖5 H型鋼梁與主梁腹板的連接

3.2 參數指標

為準確、有效反映加固前后結構橫向聯系剛度的提高，通過數值分析的方法對以下參數指標進行對比研究：

(1) 結構邊中跨扭轉基頻。

(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，加載標準車參數見圖6。

圖6 加載標準車參數圖(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，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

根據圖中車輛荷載的布置，相應分析工況如下：

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 分析結果

(1) 結構扭轉基頻。結構扭轉頻率是連續小箱梁橫向聯系剛度的考察指標之一，橫向聯系剛度越大，基頻越高。結構加固前后扭轉基頻比較見表1，扭轉頻率振型見圖8。

表1 扭轉基頻比較

圖8 扭轉頻率振型

(2) 跨中橋面撓度曲線。通過對車輛荷載作用下邊、中跨跨中位移的變化，考察加固前后提高結構橫向聯系剛度的效果。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所示計算結果可知，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調，表現為整體扭轉引起的橫向撓度差；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) 橋面板橫向應力。通過對車輛荷載作用下邊、中跨跨中橋面板橫向應力比較，考察加固前后提高結構橫向聯系剛度的效果。

圖13～圖16所示為加固前后邊、中跨跨中橋面橫向應力分布計算：

工況1：

圖13 加固前后邊跨跨中橋面板橫向應力(偏載)

工況2：

圖14 加固前后邊跨跨中橋面板橫向應力(中間加載)

工況3：

圖15 加固前后中跨跨中橋面板橫向應力(偏載)

工況4：

圖16 加固前后中跨跨中橋面板橫向應力(中間加載)

表2所示為結構加固前后，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力的匯總：

表2 橋面板上緣橫向應力計算結果匯總

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力比較計算可知：

通過H型鋼加固后，結構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力顯著減小，減小幅度約37%。

4 結束語

本文以30 m跨徑連續小箱梁為例，在理論分析的基礎上，提出小箱梁橫向聯系剛度的敏感性指標，并針對提高該類型結構橫向聯系剛度的加固方案進行了研究，通過對比分析得出以下結論：采用在小箱梁之間增設H型鋼梁橫向聯系，即在四分點處各設置一道工字梁的加固方案，對提高結構整體橫向剛度效果較為明顯，具體表現在以下幾個方面：

(1) 扭轉基頻是連續小箱梁橫向聯系剛度的重要指標，加固后結構扭轉頻率顯著提高。

(2) 車輛荷載作用下，主梁斷面撓度差為反映結構橫向聯系剛度的重要指標之一，加固后邊、中跨各片小箱梁豎向變形較為協調，表現為整體扭轉引起的橫向撓度差，且差值顯著減小。

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

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2016-06-02；修改日期：2016-06-17

沈項斌(1969-)，男，安徽宿松人，安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司高級工程師．

U443.33

A

1673-5781(2016)04-0465-04