某T型梁橋加固方案設計

黃 帥

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 工程概況

某大橋為連接國道與電廠的一座進廠橋梁，橋梁全長225.34 m，為跨徑20 m的鋼筋混凝土T型簡支梁橋，橋梁立面圖見圖1。橋面寬度為1.5 m（人行道）+9 m（車行道）+1.5 m（人行道），跨中斷面圖見圖2。橋梁上部結構采用了主梁簡支、橋面連續結構，橋跨組成為3×20 m+4×20 m+4×20 m，主梁梁高1.5 m，梁間距2.2 m，每跨橫向由5片T梁組成。橋墩為鋼筋混凝土雙柱式橋墩，基礎為鉆孔灌注樁基礎；橋臺為混凝土實體橋臺，基礎為沉井基礎。橋梁設計荷載等級為汽車-20級，掛車-100，人群荷載：3.5 kN/m2，設計洪水頻率：1/100。大橋于1992年建成通車，目前橋梁通行重載車輛較多（最大載重60 t，日最大流量500輛）。根據該橋荷載試報告描述，橋梁存在主梁混凝土強度略小于設計值，橋梁各構件已出現不同程度的病害，且在試驗荷載的作用下，該橋抗彎安全儲備不足，抗剪強度不足，動力性能較差，結構狀態較差，故該橋被評定為三類橋梁，需進行加固維修。

圖1 橋梁立面圖（單位：cm）

圖2 跨中斷面圖（單位：cm）

2 加固前后結構驗算及方案設計

2.1 加固前結構驗算[1-5]

維修加固主梁T梁計算采用橋梁靜力線性有限元分析程序橋梁博士3.0進行，對各聯T梁分別建立平面桿系模型，將主梁離散為26個單元，模擬原橋結構形式、鋼筋分布、支承方式、荷載作用等，并考慮現在的病害、二期恒載、汽車荷載情況，計入截面削弱、實際通行車輛荷載等，按多工況對橋梁進行結構分析，計算出在各種不同情況下的截面強度和變形，以期能夠涵蓋結構目前可能所處的受力狀態，定量地對橋梁現狀進行分析和評估，為維修加固提供依據。

2.1.1 有關計算參數的選取

2.1.1.1 材料參數

a）鋼筋 采用Ⅱ級鋼筋。

（a）抗拉設計強度 Rg=340 MPa；

（b）彈性模量 Ec=2.0×105MPa.

b）混凝土 采用30號混凝土。

（a）彈性模量 Ec=3.0×104MPa；

（b）抗壓設計強度 Ra=17.5 MPa；

（c）抗拉設計強度 Rl=1.75 MPa.

2.1.1.2 計算作用選取

a）恒載。

（a）一期恒載 一期恒載包括主梁等材料重量。混凝土容重取25 kN/m3，各構件均按設計斷面記取重量。

（b）二期恒載 橋面鋪裝12 cm厚30號混凝土（容重取25 kN/m3），集度取6.6 kN/m。

b）活載。汽車荷載按照以下3種情況考慮：

（a）設計荷載等級 汽車-20級，掛車-100。

（b）載重60 t的6軸重車組成的車列。

（c）載重40 t的4軸重車組成的車列。

按雙向兩車道布置。汽車橫向分布系數：支點0.409，跨中0.645；掛車橫向分布系數：支點0.191，跨中0.373；沖擊系數0.192。

人群：3.5 kN/m；人行道寬：每側1.5 m；橫向分布系數：支點2.08，跨中1.01。

c）溫度。按頂板升降溫5℃考慮。

2.1.2 結構驗算主要內容

橋梁運營階段各工況下受力情況，考慮以下組合，承載能力極限狀態組合：

a）組合一 結構重力＋汽車-20級+人群+溫差；

b）組合二 結構重力＋掛車-100+溫差；

c）組合三 結構重力＋汽車（載重60 t的6軸重車車列）+人群+溫差；

d）組合四 結構重力＋汽車（載重40 t的4軸重車車列）+人群+溫差。

2.1.3 結構驗算結果

2.1.3.1 設計標準荷載作用下與實際車輛荷載作用下橋梁內力效應結果比較

在汽車-20級、掛車-100、60 t的6軸重車車列、40 t的4軸重車車列作用下，跨中彎矩見表1。

表1 設計標準荷載與實際車輛荷載作用下橋梁內力效應對比結果表

由表1分析，實際車列按照載重40 t的4軸車組成的車列考慮，橋梁內力最為不利，跨中彎矩和支點剪力分別比汽車-20級大15.3%和37.4%。說明該橋實際車輛已經超出設計標準荷載。

2.1.3.2 承載能力極限狀態驗算

分別按照設計荷載和實際車列共4種組合進行承載能力極限狀態驗算，參考該橋全橋檢查和荷載試驗結果，根據相關規范，按照該橋實際承載能力降低10%考慮，橋梁跨中截面抗彎承載能力驗算結果見表2。

表2 承載能力極限狀態驗算結果表 kN·m

由表2分析，實際車列按照載重40 t的4軸車組成的車列考慮時，即在組合四作用下，該橋組合彎矩為3 250 kN·m，大于其設計抗彎承載能力3 220 kN·m；按照橋梁的實際狀況，將其實際承載能力降低10%后，在組合一、三、四作用下，該橋組合彎矩分別為 3 050 kN·m、3 000 kN·m、3 250 kN·m，均大于橋梁的實際抗彎承載能力2 898 kN·m。以上分析說明，該橋跨中截面抗彎承載能力總體上已不能滿足設計要求。

2.2 加固方案設計[6]

a）提高主梁抗彎承載能力。為了將主梁抗彎承載能力提高至實際使用荷載，在主梁腹板底部粘貼6 mm厚鋼板。

b）提高主梁抗剪承載能力。為了提高主梁抗剪能力，在主梁支點附近部位腹板上粘貼6 mm厚豎向鋼板。

c）由于原橋設計主梁之間的橫向聯系偏弱，因此容易造成該處結構壞損。橫隔板補強采用粘貼3片8 mm厚鋼板，并在兩側采用高強螺栓對拉的方式加固。

d）對橋梁存在的其他的混凝土表觀病害進行處治。

2.3 加固后結構驗算

加固后結構分析采用有限元分析程序橋梁博士3.0進行，橋梁運營階段各工況下受力情況考慮以下組合，承載能力極限狀態組合：

a）組合一 結構重力＋汽車-20級+人群+溫差；

b）組合二 結構重力＋掛車-100+溫差；

c）組合三 結構重力＋汽車（載重60 t的6軸重車車列）+人群+溫差；

d）組合四 結構重力＋汽車（載重40 t的4軸重車車列）+人群+溫差。

2.3.1 承載能力極限狀態驗算結果

2.3.1.1 主梁抗彎承載能力極限狀態驗算結果

分別按照設計荷載和實際車列共4種組合進行跨中截面抗彎承載能力極限狀態驗算。加固前，參考該橋全橋檢查和荷載試驗結果，按照實際承載能力的90%考慮；加固后，考慮到加固措施對截面的補強作用，按照實際承載能力的95%考慮。橋梁跨中截面抗彎承載能力驗算結果見表3。

表3 跨中截面抗彎承載能力極限狀態驗算結果表 kN·m

由表3分析，實際車列按照載重40 t的4軸車組成的車列考慮時，即在組合四作用下，跨中截面彎矩設計值為3 250 kN·m，大于加固前其實際抗彎承載能力3 220 kN·m，該截面抗彎承載能力總體上已不能滿足實際使用要求。通過加固，跨中截面抗彎承載能力達到3 305 kN·m，該截面抗彎承載能力滿足實際使用要求。

2.3.1.2 主梁抗剪承載能力極限狀態驗算結果

分別按照設計荷載和實際車列共4種組合進行支點附近斜截面抗剪承載能力極限狀態驗算。加固前，參考該橋全橋檢查和荷載試驗結果，按照實際承載能力的80%考慮。橋梁支點附近斜截面抗剪承載能力驗算結果見表4。

表4 支點附近斜截面抗剪承載能力極限狀態驗算結果表 kN

由表4分析，實際車列按照載重40 t的4軸車組成的車列考慮時，即在組合四作用下，支點附件斜截面剪力設計值為615 kN，小于加固前其實際斜截面抗剪承載能力773 kN，但考慮到主梁支點附加截面出現超限裂縫（最大裂縫寬度為0.3 mm），并結合荷載試驗結果，因此該橋本次仍對主梁進行剪力承載能力加固，加固后支點附近截面抗剪承載能力達到889 kN，該截面抗剪承載能力滿足實際使用要求。

3 加固前后荷載試驗數據對比

該橋在加固前后分別進行了荷載試驗，其結果對比如下：

a）在相同的加載程序作用下，第二跨3號梁加固后下緣的正應力較加固前有所減小。

b）在相同的加載程序作用下，第二跨3號梁加固前撓度為-8.35 mm，加固后為-6.32 mm，加固后撓度減小2.03 mm。

c）在相同的加載程序作用下，各主要控制測點撓度縱向曲線對比見圖3。

圖3 相同加載程序下橋梁縱向撓度曲線圖

d）在相同的加載程序作用下，各主要控制測點撓度橫向曲線對比見圖4。

圖4 相同加載作用下跨中斷面橫向撓度曲線圖

4 結論

靜載試驗荷載作用下，該橋控制斷面的實測應力及撓度校驗系數均小于1.0，說明該橋的實際承載能力滿足加固設計要求，實際工作性能滿足正常使用要求。而且加固后，在相同程序作用下，主梁下緣正應力和跨中撓度均有所減小，橫向剛度有所提高，加固效果較好。荷載試驗結果表明該橋加固方案的設計是成功的。