裝配式T形梁橋預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方法

張文韜，王正宇，鄔曉光*，劉嘉欣

(1. 長安大學(xué) 公路學(xué)院，西安 710064；2. 漯河市公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)中心，河南 漯河 462000)

橋梁作為國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中的關(guān)鍵部分，除受到超載和龐大車流量的反復(fù)荷載作用外，還經(jīng)受氣候和環(huán)境的影響，其預(yù)期使用壽命由此逐年下降.因橋梁主體結(jié)構(gòu)存在著一定的損傷和病害，為了安全起見，必須進(jìn)行大規(guī)模的養(yǎng)護(hù)和加固[1].根據(jù)調(diào)查顯示，我國現(xiàn)役橋梁中，中小跨徑橋梁占到了總里程近80%，而裝配式橋梁占到了中小跨徑橋梁中的大多數(shù).這一類中小跨徑的裝配式橋梁大量選用T 形梁、空心板和小箱梁的形式，生產(chǎn)工藝成熟，結(jié)構(gòu)形式科學(xué)，受力性能理想.由于我國交通量的快速攀升，橋梁病害加速發(fā)展，給橋梁養(yǎng)護(hù)帶來了巨大的壓力.

早期建設(shè)的裝配式梁橋設(shè)計(jì)施工當(dāng)中的不足逐漸暴露出來：

1)重視糾正性養(yǎng)護(hù)而輕視預(yù)防性養(yǎng)護(hù).糾正性養(yǎng)護(hù)往往在結(jié)構(gòu)已發(fā)生局部破壞后再進(jìn)行補(bǔ)救加固，這顯然是一種事后的、被動(dòng)的養(yǎng)護(hù)方式，往往對(duì)橋梁的使用壽命以及耐久性造成損傷，且基于全壽命周期的養(yǎng)護(hù)成本將更高.

2)施工和驗(yàn)收中重視T 形梁的縱向強(qiáng)度和剛度而輕視T 形梁的整體受力和橫向剛度.隨著T形梁使用年限增長，在反復(fù)荷載作用下橫隔梁容易破損，各梁單獨(dú)受力也容易造成單梁損壞，此時(shí)再進(jìn)行修補(bǔ)或更換不僅影響交通，資金耗費(fèi)也較大[2].

1 概述

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，河南省境內(nèi)某干線公路建成十余年來車流量激增，且時(shí)常有超載現(xiàn)象，全線多座裝配式T 形梁橋超負(fù)荷工作出現(xiàn)了單梁破損現(xiàn)象.經(jīng)統(tǒng)計(jì)，由于施工時(shí)對(duì)T 形梁橋的橫向連接重視不足，相鄰橫隔梁扭曲不共面的情況普遍存在.T 形梁橋橫隔梁破損現(xiàn)象較多，且破損程度隨著使用年限增加只會(huì)愈發(fā)嚴(yán)重.T 形梁的橫向連接主要采取設(shè)置橫隔梁這種方式來保證梁體的整體受力和增加梁體的橫向剛度.橫隔梁在加強(qiáng)梁片的橫向聯(lián)系和保證橋梁的整體性上起著至關(guān)重要的作用，足夠的橫向剛度可以有效防止橋梁由于橫向聯(lián)系的薄弱而引起的病害，從而增強(qiáng)橋梁耐久性[3].目前，國內(nèi)外對(duì)橋梁的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)或T形梁的橫向養(yǎng)護(hù)加固做了一定的研究.例如，劉明星[4]提出應(yīng)用馬爾可夫橋梁預(yù)測(cè)模型確定較優(yōu)的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī).于貴等[5]、李芳等[6]提出對(duì)混凝土T 形梁橫向聯(lián)系薄弱，橫隔梁開裂、破損、混凝土脫落等現(xiàn)象采取的幾種橫向加固的方法.Davalos 等[7]提出在T 形梁外部粘結(jié)FRP 復(fù)合材料(Fiber-reinforced polyumer，F(xiàn)RP)來進(jìn)行加固.Koh 等[8]提出了一種考慮了應(yīng)力參數(shù)和碳化速度系數(shù)比的碳化評(píng)估方程來評(píng)估T 形梁的預(yù)期使用壽命.但對(duì)于T 形梁橋的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方法和效果卻沒有詳細(xì)闡述.因此，提出易于工程實(shí)際施行的T 形梁的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)方法對(duì)今后緩解T 形梁巨大養(yǎng)護(hù)壓力具有重要意義.

2 工程概況和有限元模型

同濟(jì)大學(xué)曾有一個(gè)經(jīng)典的有機(jī)玻璃模型試驗(yàn)，即由5 根T 形有機(jī)玻璃梁組成的簡支梁橋按照比例1∶20 來模擬鋼筋混凝土T 形梁的受力.試驗(yàn)結(jié)果表明，由于橫隔梁加強(qiáng)橫向剛度，對(duì)T 形梁的荷載、變形以及支反力的分布有明顯影響[9].但也有相關(guān)研究表明，橫隔梁破損對(duì)橋梁整體靜力荷載下工作性能影響不大[10].本文選取具備代表性的30 m 簡支T 形梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，橋?qū)?2.5 m，由5 片T 形梁組成，梁高2 m.預(yù)制T 形梁、橫隔梁、封錨端、濕接縫以及橋面現(xiàn)澆都采用C50混凝土；橋面鋪裝采用瀝青混凝土；設(shè)計(jì)荷載為公路一級(jí).橋梁橫斷面如圖1 所示.

圖2 為采用Midas FEA 建立的30 m T 形梁有限元模型.

圖1 裝配式T 形梁橫截面

圖2 裝配式T 形梁有限元模型

通過修改提高橫梁的約束節(jié)點(diǎn)位置來模擬橫隔梁受損的工況，主要參數(shù)有：計(jì)算跨徑L=28.9 m；彈性模量E=3.45×104MPa；跨中截面慣性矩Ic=0.574 m4；跨中截面面積Ac=1.004 m2.

當(dāng)T 形梁橋的橫隔梁出現(xiàn)損傷以后，T 形梁橋就會(huì)逐漸向半剛半鉸接甚至完全鉸接轉(zhuǎn)化.半剛半鉸接的T 形梁橋，運(yùn)營一段時(shí)間以后，會(huì)出現(xiàn)各種損傷或病害，橫向剛度也會(huì)隨之削弱，其整體剛度將由半剛半鉸接向鉸接方向轉(zhuǎn)換[11].這時(shí)，T 形梁的m 值(m 為橫向分布系數(shù))將不再是設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算的結(jié)果.濕接縫尚未出現(xiàn)損傷時(shí)，T形梁的m 值差異不大，結(jié)構(gòu)整體受力性能良好.當(dāng)不同位置處濕接縫出現(xiàn)損傷之后，中梁承受的荷載將隨損傷的擴(kuò)大而增大，邊梁則減小，由此中梁將出現(xiàn)單獨(dú)受力情況，導(dǎo)致濕接縫進(jìn)一步增大[12].

本文利用加權(quán)位移在橫隔梁的不同節(jié)點(diǎn)建立新的約束方程，由此建立橫隔梁有損傷的橋梁計(jì)算模型[13].目前常采用的T 形梁橫向加固方法主要有：重建橋面鋪裝；橫隔梁粘貼鋼板加固；橫隔梁下緣增大截面加固；增設(shè)新的鋼橫隔梁；引入橫向預(yù)應(yīng)力加固[6].重建橋面鋪裝由于影響橋梁正常運(yùn)營，一般不作為預(yù)防性養(yǎng)護(hù)最佳方案.

方案1，在橫隔梁上粘貼鋼板加固.由于端部橫隔梁粘貼鋼板實(shí)際施工較為困難，故本文只考慮在中橫隔梁上粘貼鋼板，如圖3 所示.

圖3 橫隔梁粘貼鋼板

圖4 橫向預(yù)應(yīng)力加固

方案3，在兩橫隔梁中間增加1 道平行于原橫隔梁的工字形鋼橫隔梁，并采用梁單元進(jìn)行模擬.鋼橫隔梁截面積為0.002 8 m2，泊松比為0.3，密度為7 600 kg/ m3.

采用Midas FEA 對(duì)以上3 種方案進(jìn)行模態(tài)分析和橫向分布系數(shù)計(jì)算，并輸出結(jié)果.

3 有限元結(jié)果分析

3.1 3 種不同提高橫向剛度的加固方案

圖5 有限元模擬橫隔板損傷

本文采用加權(quán)位移法在橫隔板的不同節(jié)點(diǎn)處建立約束方程來模擬橫隔板損傷狀態(tài).如圖5 所 示，在1-1’和5-5’節(jié)點(diǎn)建立約束方程來模擬橫隔板破損前狀況；在1-1’和4-4’節(jié)點(diǎn)建立約束方程來模擬破損后的狀況.

根據(jù)Midas 有限元模型輸出結(jié)果分析3 種不同加固方法在橫隔梁破損后對(duì)T 形梁橋橫向剛度的提高程度.

3.1.1 鋼板粘貼加固

鋼板粘貼加固后得到不同一階振型的自振頻率變化，如表1 所示.

表1 T 形梁鋼板粘貼加固參數(shù)變化 Hz

鋼板粘貼加固前后得到的T 形梁跨中橫向分布系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2(集中荷載作用于1 號(hào)梁中心).

表2 T 形梁粘貼鋼板加固跨中橫向分布系數(shù)變化

由表2 可看出，粘貼鋼板對(duì)T 形梁橋橫向剛度提升不大，且由于大量粘貼鋼板增加了結(jié)構(gòu)自重，反而導(dǎo)致梁體豎向剛度有少許下降.從橫向分布系數(shù)分析，加固前后其變化不大，證明粘貼鋼板對(duì)橫向分布的改善非常有限.若橋梁橫隔梁出現(xiàn)損傷情況，除用混凝土砂漿修補(bǔ)之外，僅可考慮將鋼板粘貼加固作為輔助加固措施.由于鋼板尺寸不大，且鋼材剛度不大，該加固措施很難從根本上改變T 形梁橋橫向剛度被削弱的事實(shí).

3.1.2 橫向預(yù)應(yīng)力加固

T 形梁引入橫向預(yù)應(yīng)力加固后所得不同一階振型的自振頻率變化如表3 所示.

表3 T 形梁橫向預(yù)應(yīng)力加固參數(shù)變化 Hz

T 形梁引入橫向預(yù)應(yīng)力加固后的跨中橫向分布系數(shù)變化情況見表4(集中荷載作用于1 號(hào)梁中心).相較于T 形梁橫隔梁損傷后且未加固時(shí)的自振頻率，施加橫向預(yù)應(yīng)力加固后豎向頻率(4.279)較加固前頻率(4.219)提高了約1.4%；橫向 頻率(5.729)較加固前頻率(5.659)提高了約1.2%.這是由于橫向預(yù)應(yīng)力的介入大大增強(qiáng)了T 形梁的整體性，直接帶來了整體剛度的提升.從橫向預(yù)應(yīng)力加固前后結(jié)果分析，在邊梁最不利工況加載下，引入橫向預(yù)應(yīng)力也可帶來較大的改善.若集中荷載作用在中梁，橫向預(yù)應(yīng)力對(duì)橫向分布的改善將更佳.由此可知，對(duì)T 形梁引入橫向預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加固，可以在某種程度上增強(qiáng)T 形梁的橫向剛度和豎向剛度.但是，由于橫隔板的厚度不大，橫向預(yù)應(yīng)力的引入會(huì)給橫隔板帶來傾覆或失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn).因此，實(shí)際工程中應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎引入橫向預(yù)應(yīng)力，并應(yīng)對(duì)橫隔板進(jìn)行抗傾覆驗(yàn)算.

表4 T 形梁橫向預(yù)應(yīng)力加固跨中橫向分布系數(shù)變化

3.1.3 鋼橫隔梁加固

新增鋼橫隔梁加固后所得不同一階振型的自振頻率變化如表5 所示.

表5 鋼橫隔梁加固參數(shù)變化 Hz

新增鋼橫隔梁加固各梁跨中橫向分布系數(shù)的變化見表6 (集中荷載作用于1 號(hào)梁中心).

表6 T 形梁鋼橫隔梁加固跨中橫向分布系數(shù)變化

從表6可看出，T形梁新增鋼橫隔梁加固后，橋梁的豎向自振頻率從4.219 Hz 下降到了4.081 Hz，降低了約2.9%；橫向自振頻率從5.659 Hz提升到了5.777 Hz，提升了約2.1%.豎向剛度有不少的下降，這是新增鋼橫隔梁帶來T 梁自重增大的原因.從橫向分布情況分析，鋼橫隔梁加固對(duì)橫向分布的改善也非常明顯，橫向分布系數(shù)最大的1 號(hào)梁降低了約4.9%.因此，若T 形梁豎向剛度有一定的富余，在撓度不大的情況下增加鋼橫隔梁對(duì)其橫向進(jìn)行加固，可以在一定程度上增強(qiáng)橋梁整體的橫向剛度，并且在施工作業(yè)中無須停止運(yùn)營，綜合加固效果和經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)優(yōu)異.

3.2 T 形梁預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)

在T 形梁有限元模型中，將約束節(jié)點(diǎn)提高到3-3’節(jié)點(diǎn)，模擬進(jìn)一步增大T 形梁加固前橫隔梁的損傷程度，重新輸出結(jié)果，其自振頻率變化見表7.

表7 增大橫隔梁損傷后自振頻率變化 Hz

由此可知，當(dāng)橫隔梁損傷較大時(shí)(橫向剛度損失達(dá)到4.2%)，以上加固方案雖然在補(bǔ)強(qiáng)橫向剛度效果上有所提升，卻難以彌補(bǔ)T 形梁橫隔梁損傷增大帶來的橫向剛度損失.T 形梁橫向剛度削弱之后，將引起不同T 梁橫向分布系數(shù)改變.橫隔梁的損傷會(huì)蔓延至濕接縫，在濕接縫損傷之后T 形梁的受力形式將演變成前文所述的半剛半鉸接狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起單梁的損壞.因此，最佳的養(yǎng)護(hù)和加固時(shí)機(jī)應(yīng)當(dāng)是在橫隔梁出現(xiàn)一定損傷時(shí)及時(shí)加固，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)不可逆的損傷，而不是等到濕接縫損傷以后再彌補(bǔ).

4 結(jié)論與建議

1)裝配式T 形梁橋橫向損傷會(huì)從橫隔梁逐漸發(fā)展到濕接縫.目前，T 形梁的養(yǎng)護(hù)加固工作卻對(duì)橫隔梁的養(yǎng)護(hù)重視不足.T 形梁橫隔板損傷不大時(shí)，若不能得到重視并加以有效的養(yǎng)護(hù)和加固，因其橫向剛度已遭到削弱，若在重載下?lián)p傷程度將不斷加劇.

2)當(dāng)T 形梁損傷程度較大時(shí)，常用加固手段難以彌補(bǔ)損失的橫向剛度，會(huì)導(dǎo)致?lián)p傷蔓延至濕接縫，最終T 形梁橫向?qū)⑥D(zhuǎn)變成半剛半鉸接形式，造成單梁損壞直接影響橋梁行車安全.

3)放任T 形梁橫隔板的輕微損傷，直至發(fā)展到濕接縫時(shí)再予以糾正性養(yǎng)護(hù)無法阻止裝配式T形梁損傷的增大.因此，基于全壽命周期考慮的T 形梁的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，應(yīng)當(dāng)定期檢查T 形梁橫隔板狀況，在橫隔梁出現(xiàn)輕度損傷時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取一定的養(yǎng)護(hù)加固和補(bǔ)強(qiáng)措施.