改善既有鋼箱梁橋受力性能的研究

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(lèi)型，在我國(guó)的橋梁工程發(fā)展的初期階段，由于對(duì)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(wèn)題，進(jìn)而對(duì)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(duì)其采取一定的加固措施。對(duì)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(duì)既有橋梁進(jìn)行受力性能研究的重要性

鋼箱梁橋是我國(guó)在進(jìn)行橋梁工程建設(shè)中最早應(yīng)用的一種橋梁類(lèi)型，在建設(shè)鋼箱梁橋的過(guò)程中，由于缺少對(duì)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(wèn)題。而這些問(wèn)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(chē)安全造成一定的影響，還會(huì)因行車(chē)過(guò)程中產(chǎn)生的震動(dòng)問(wèn)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(guó)橋梁施工建設(shè)技術(shù)水平的不斷提高，我國(guó)對(duì)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(lái)對(duì)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(chē)安全。

而從橋梁本身的建設(shè)原理來(lái)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(duì)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(wèn)題，進(jìn)而通過(guò)更加合理的加固措施的應(yīng)用來(lái)滿(mǎn)足其他同類(lèi)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(duì)促進(jìn)我國(guó)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(wèn)題，主要都是受到我國(guó)早期橋梁建設(shè)水平的影響而導(dǎo)致的，作為我國(guó)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(lái)思考如何保障鋼箱梁橋的運(yùn)營(yíng)和行車(chē)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(guó)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(lái)說(shuō)，在對(duì)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(lái)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(guó)對(duì)橋梁工程建設(shè)實(shí)施的設(shè)計(jì)規(guī)范來(lái)看，在對(duì)既有鋼箱梁橋進(jìn)行加固處理之前，需要對(duì)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(wèn)題，以采取相對(duì)應(yīng)的加固措施進(jìn)行解決。在對(duì)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(yíng)情況下需要滿(mǎn)足較大的重車(chē)通行量的需求，而在重車(chē)經(jīng)過(guò)鋼箱梁橋的過(guò)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(chē)輛經(jīng)過(guò)的過(guò)程中使橋梁產(chǎn)生較強(qiáng)的震動(dòng)感[4]。舉例來(lái)說(shuō)，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(wú)法達(dá)到當(dāng)前橋梁設(shè)計(jì)中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。在對(duì)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(jiàn)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(zhǎng)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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lái)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(guò)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(lái)對(duì)鋼箱梁橋縱向結(jié)構(gòu)中的數(shù)值進(jìn)行測(cè)算，而在進(jìn)行第二體系應(yīng)力驗(yàn)算的過(guò)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(lái)對(duì)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(mǎn)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(wèn)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(yíng)安全造成影響。在這種情況下，就需要對(duì)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(yíng)安全和行車(chē)安全的目的。

2.2 鋼箱梁橋的加固方案

結(jié)合當(dāng)前我國(guó)大部分既有鋼箱梁橋的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況來(lái)看，在對(duì)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(duì)鋼箱梁橋進(jìn)行加固處理。

具體來(lái)說(shuō)，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(duì)鋼箱梁橋面存在的疲勞問(wèn)題，利用鋼混的組合結(jié)構(gòu)來(lái)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(zhǎng)鋼箱梁橋使用壽命、保證行車(chē)安全的目的。在應(yīng)用這種加固處理方法的過(guò)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(guò)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(lái)滿(mǎn)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(mǎn)足鋼箱梁橋加固對(duì)于混凝土的要求。在應(yīng)用這種方法完成加固之后，通過(guò)對(duì)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(duì)，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(lái)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(guò)提高支點(diǎn)附近鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)的剛度，來(lái)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(lèi)型的混凝土進(jìn)行澆筑。在澆筑混凝土的過(guò)程中，需要保證混凝土的澆筑厚度在20cm 左右，以此來(lái)確保混凝土的厚度能夠滿(mǎn)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(mǎn)足鋼箱梁橋正常運(yùn)營(yíng)的目標(biāo)。完成加固方法的處理后，同樣需要針對(duì)加固結(jié)果和鋼橋的規(guī)范限值進(jìn)行對(duì)比分析，以此來(lái)驗(yàn)證加固方法應(yīng)用的實(shí)際效果。舉例來(lái)說(shuō)，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(guò)對(duì)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(yíng)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(jiàn)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(lái)滿(mǎn)足改善鋼箱梁橋受力性能的需求。通過(guò)提高鋼箱梁橋支點(diǎn)附近結(jié)構(gòu)的剛度，來(lái)滿(mǎn)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(duì)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(guò)對(duì)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(duì)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(guò)減小鋼箱梁橋中腹板的剪力大小，來(lái)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(guò)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(duì)鋼箱梁橋進(jìn)行加固處理之后，通過(guò)對(duì)加固后的鋼箱梁橋結(jié)構(gòu)與鋼橋規(guī)范限制的對(duì)比分析，驗(yàn)證這種加固方法也能夠滿(mǎn)足加固鋼箱梁橋的需求。

對(duì)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(guò)一定的措施來(lái)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(lái)，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(duì)鋼箱梁橋剛度產(chǎn)生的影響，對(duì)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(lèi)型，進(jìn)而為當(dāng)前我國(guó)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(píng)價(jià)

在驗(yàn)證四種加固方法對(duì)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(guó)既有鋼箱梁橋的整體運(yùn)營(yíng)情況，對(duì)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(lèi)型，為其提供更加適合的加固方法。而在這個(gè)過(guò)程中需要注意的是，在對(duì)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(lái)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(duì)四種加固方法進(jìn)行科學(xué)的評(píng)價(jià)和分析。

具體來(lái)說(shuō)，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(guò)對(duì)恒載以及活載撓度的降低，既能夠減少車(chē)輛尤其是重型車(chē)輛在行駛過(guò)程中對(duì)于橋梁造成的震動(dòng)影響，也能夠提高行車(chē)的安全和舒適性。應(yīng)用這種加固方法的過(guò)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(duì)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(mǎn)足相關(guān)規(guī)定中對(duì)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(guò)程中都是通過(guò)改變鋼箱梁橋支點(diǎn)附近底板的應(yīng)力狀態(tài)來(lái)改善受力性能。在應(yīng)用這兩種加固方法的過(guò)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(méi)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(lái)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(lái)說(shuō)更加簡(jiǎn)便。

通過(guò)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淖饔谩５珡倪@種加固方法的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，由于這種加固方法并沒(méi)有對(duì)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(duì)于腹板剪力的影響也比較小，導(dǎo)致最終也沒(méi)有對(duì)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(duì)以上四種加固方法的應(yīng)用效果進(jìn)行評(píng)價(jià)之后可以發(fā)現(xiàn)，第三種加固方法無(wú)論是從加固效果還是施工過(guò)程的角度來(lái)看，都比其他三種加固方法更優(yōu)越。而由于前面在對(duì)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?lèi)型的鋼箱梁橋加固起到一定的借鑒作用，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(lèi)型的鋼箱梁橋的實(shí)際情況，對(duì)各種加固方法的應(yīng)用情況進(jìn)行分析，才能夠更好地滿(mǎn)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(chē)安全，為促進(jìn)我國(guó)交通行業(yè)的發(fā)展起到更大的作用。結(jié)合當(dāng)前我國(guó)既有橋梁的運(yùn)營(yíng)情況來(lái)看，對(duì)以鋼箱梁橋?yàn)榇淼脑缙谶\(yùn)營(yíng)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(wèn)題。通過(guò)對(duì)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(guó)橋梁工程的維護(hù)處理提供借鑒的依據(jù)。

3 結(jié)語(yǔ)

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(duì)當(dāng)前我國(guó)既有鋼箱梁橋存在的結(jié)構(gòu)整體剛度較小、行車(chē)中容易出現(xiàn)震動(dòng)等問(wèn)題，在對(duì)鋼箱梁橋進(jìn)行加固的過(guò)程中，需要結(jié)合不同類(lèi)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(lái)滿(mǎn)足加固既有鋼箱梁橋的需要，在保障行車(chē)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。