提高空心板梁桥横向整体性与刚度的方法研究

叶 生

（安徽交通职业技术学院，合肥 230051）

提高空心板梁桥横向整体性与刚度的方法研究

叶 生

（安徽交通职业技术学院，合肥 230051）

利用有限元程序MIDASCivil建立了装配式预应力混凝土空心板桥整体计算模型并进行计算，通过对比分析装配式预应力板桥在重做铺装、粘贴钢板和施加横向预应力的荷载横向分布影响线降低幅度、变化趋势，其中，着重分析了施加横向预应力之后的加固效果。有限元模型分析的结果表明，施加横向预应力效果最好，可达到治本效果。

重做铺装层；粘贴钢板；施加横向体外预应力；装配式空心板桥；加固

装配式空心板梁桥的截面形式包括整体实心矩形板、装配式空心板、异形板其截面形式的多样化，使得其在我国取得广泛的应用［1］。对于高速公路、城市道路等部分桥梁（主要采用装配式钢筋混凝土、预应力混凝土空心板梁桥），其横向采用企口缝铰接、键槽联结的形式［2］。近年来由于道路的交通量尤其是超限超载车辆迅猛增加，桥面钢筋混凝土铺装层结构薄弱、早期通车的公路桥梁设计与现在新建桥梁设计思路不同、桥面钢筋混凝土铺装层的施工缺陷等原因，最终造成桥面和板缝间病害。桥面病害表现为，沥青混凝土面层内部产生较大的剪应力，引起不确定破坏面的剪切变形，或者由于面层中水泥混凝土和沥青混凝土粘结力变差，水平抗剪能力减弱，致使产生水平向相对滑移、拥抱现象。因温度变化伴随梁板大挠度而产生裂隙，面层在车辆荷载或渗水情况下产生塌陷、裂缝及坑槽。板缝间病害变现为，梁板间企口缝塌陷、破碎，板间横向传递失效，出现单块板参与受力现象。空心板受到的荷载大于设计值，其下缘被拉裂。面层破损后，梁板直接受到汽车荷载冲击，板上缘部位混凝土被碾碎。严重削弱了空心板梁桥的横向整体性与刚度，影响了行车安全［3－8］。由此，研究桥面和板缝间病害，并对其进行有效的加固探讨，对设计、施工建设有一定的参考价值。

1 加固方法及机理

目前提高空心板梁桥横向整体性与刚度的方法有以下几种：

1、增加铰缝钢筋，重做铺装层；

2、粘贴如钢板、玻璃钢、碳纤维、在板底沿企口缝纵向加π型钢等加固材料；

3、沿梁板下缘方向施加横向预应力。

所列三种方法的加固机理分别为：

方法1：以重做铺装层，加强横向联系，以保持与原桥起初的横向整体工作性［7］；

方法2：约束铰缝之间裂缝开展，提高了横向抗弯、抗扭刚度，减小构件挠度，间接增强承载能力，提高板间横向协作性和横向刚度［3］；

方法3：预应力钢束在板底上缘横穿各个梁板，使得各个板间受压力一致。根本上减弱了应力集中，抵消了铰缝间不大的横向弯矩。同时，板与板之间由铰接缝变为刚板梁连接，变单一的缝间传递剪力变为既传递剪力有传递横向弯矩。由此，提高了整体空心板梁桥的横向整体性和刚度。使得各个板能有效的相互协作，共同承担外部荷载。所以，同时也提高了桥梁的整体承载能力［3、7］。

介绍的三种加固方法，在工程中有所应用，其效果缺乏理论支撑。本文结合实际工程并从理论上用有限元分析方法，对以上三种加固效果进行比较，并着重分析施加预应力钢束体系的加固效果。

2 有限元模型计算

2.1 实例分析

以某装配式预应力空心板梁为研究对象，该桥跨径20.5m，横向共6块板，中板宽0.99m，边板宽1.295m，铰缝宽度1cm，各板间用纵向企口缝连接。横向加固方法分别采用重做铺装层、典型的横向粘贴钢板［8］、施加横向预应力。其中，对于粘贴钢板做法是从跨中开始依次向两端每隔两米布置一道Q235钢板，厚度取5mm（一般在3～8mm），宽度取50cm，共布置9道。对于施加横向预应力做法是从跨中开始沿板下缘依次向两端每隔两米布置一束，并将横向预应力筋在两端通过锚具分别固定在两块钢板上，共9道。全桥的横截面如图1所示。

图1 全桥横截面（单位：cm）

2.2 计算模型

运用MIDAS／CIVIL有限元程序，钢板采用实体单元。此桥为简支梁，全桥共12个约束点。图2～4分别为全桥模型、粘贴钢板模型及施加横向预应力模型。

图2 重做铺装全桥模型

图3 粘贴钢板模型

图4 施加横向预应力模型

在计算模型中，为得到桥梁荷载横向分布影响线，分别对跨中出1＃～6＃板中跨中处施加单位荷载。预应力荷载分别设为20t、30t进行比较预应力荷载大小对横向分布的影响。

2.3 计算原理

（1）在板跨度中点施加一个单位集中力；

（2）求出横向每块板跨度中点的竖向位移；

（3）使得某一块板的竖向位移wi除以所有板横向位移之和，就得到某块板的荷载横向分布影响线值。

3 有限元结果分析

为了从理论上评价三种提高横向整体性和刚度的加固效果，对1＃～3＃板的重做铺装层与粘贴钢板、施加横向预应力的影响线值比较分析，如图5所示。

对比以上各图分析可知，粘贴钢板比单纯的重做铺装层的荷载横向分布影响线变的平缓，而施加横向预应力比粘贴钢板的荷载横向分布影响线变的平缓，说明施加横向预应力的加固效果最佳，各板之间的相互协作作用增强，变单板受力为多板共同受力，提高了装配式预应力空心板桥的荷载横向整体性和刚度。

图5 1＃～3＃板重做铺装和粘贴钢板、粘贴钢板和施加预应力荷载横向分布影响线比较

施加横向预应力的加固效果最佳，但是预应力的大小施加多大才能达到满意的加固效果，本文对预应力荷载施加20t、30t时1＃～3＃板加固效果作了比较如下图6所示。

图6 1＃～3＃板在预应力筋施加20和30t时荷载横向分布影响线变化比较

由曲线的变化幅度可知，横向预应力为20t／根、30t／根，加固效果接近，说明预应力荷载的在逐渐增大时，加固的效果不成线性增长关系。

4 施加横向预应力后板桥整体承载能力的提高

4.1 计算原理

依据弯矩影响线，可按常规方法加载求横梁中的最大弯矩：

式中：ηi——横梁弯矩影响线坐标值；

ps——荷载系数也即将不同性质的实际荷载折算为正弦荷载后的荷载峰值，计算方法及图形布置见下表1及图7所示。

图7 实际荷载形式

表1 荷载系数

对于中横隔梁，在求刚接梁的力法方程时，曾把中横梁化成等刚度的桥面板。现在，把桥面板弯矩~Mk从横隔梁间距la中到中的积分作为中横隔梁的弯矩Mk，其中以中间横隔梁的为最大：

全跨一片中横隔梁时：

三片中横隔梁时：

4.1.1 空心板结构参数

抗弯惯性矩I＝0.06314m4；抗扭惯性矩IT＝0.04578m4。扭转位移与主梁挠度之比：

由于空心板悬臂比较短，近似取悬臂板挠度与主梁挠度之比：β＝0，计算跨径l＝19.5m。

4.1.2 横向弯矩影响线坐标值~ηc及桥面板弯矩~Mk

该类型的桥梁横向由6块板组成，横截面上的横向弯矩采用6块的模型进行计算。

（1）由β＝0，γ＝0.021，查《公路桥涵计算手册》，6梁式横截面上跨中点的横向弯矩影响线坐标值¯ηc及汽车在桥宽方向上横梁跨中弯矩的最不利位置如下表2及图8所示。

表2 弯矩影响线坐标值¯ηc

图8 横截面跨中点的横向弯矩影响线坐标值¯ηc及汽车在桥宽方向上横梁跨中弯矩的最不利位置

（2）标准汽车在桥宽方向上对横梁跨中弯矩的影响系数

（3）标准汽车在桥跨纵向对横梁跨中弯矩的荷载系数

图9 均布荷载、集中力在桥跨方向上对横梁跨中弯矩的最不利位置

汽车荷载对横梁跨中弯矩的荷载系数：

桥面板弯矩计算汽车荷载跨中的峰值~Mk：

横向预应力钢绞线处的跨中弯矩（纵向）

（1）横向预应力纵向位置，如图10所示：

图10 横向预应力位置示意图

（2）列出跨中处a的预应力钢绞线承担的正弯矩钢绞线a位置单根钢绞线承担的正弯矩：

由以上4.1.1～4.1.3可知，横向预应力筋可承担一定的纵向弯矩，使得各板间铰接变刚接，荷载横向分配更加均匀，板桥的承载能力、横向整体性和刚度得到提高，从根本上解决了铰缝损坏、单板受力问题。

5 结束语

（1）对比三种加固方法的效果可得到，施加横向预应力钢束体系可以从根本上提高空心板梁桥的横向整体性与刚度，比重做铺装和粘贴钢板的的加固方法效果理想。施加横向预应力钢束体系，可以增强空心板梁桥的横向分布性能，使得各个板梁共同协作能力增强，消除了单板受力的情况再次发生。

（2）预应力筋施加的荷载大小对比可知，预应力荷载的逐渐增大情况下对加固效果作用不大，潜力有限。单根预应力筋的荷载不少于10t，便可以达到一定的加固效果。通过算出跨中处单根的预应力筋承担的弯矩可知，采用横向体外索预应力技术，每块板梁下缘底上方处于同等压力状态，削弱了铰缝间的应力集中现象，板与板之间即可传递剪力又可传递横向弯矩。变铰接板为刚接梁，各板协同工作，横向刚度和整体性提高，在一定程度上提高了板桥的承载能力，尤其是中央板块更为显著。

［1］范立础.桥梁工程 ［M］.北京：人民交通出版社，2006：84.

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［6］王砚桐.高等级公路单板受力现象及原因分析［J］.公路交通技术，2004（4）：29－32.

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［9］梁全富，邵景干.体外横向预应力加固简支空心板梁桥技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，2007：75－82.

A Study on the Methodology of Improving Transverse Integrity and Stiffness of Hollow Slab Girder Bridges

Ye Sheng

An integrated three dimensional finite element model of a typical fabricated PC hollow slab bridge was built by ageneral FEM program MIDASCIVIL and a number of calculations were done by contrastively analyzing the low magnitude and changeable trend of load distribution influence line after redo pavement layer，glue stress plate and stretch transverse prestress.The results of calculation show that the strengthen effect of transverse prestress is best and can obtain basic strengthen effect.

redo pavement layer；glue stress plate；exert external transverse prestress；fabricated hollow slab bridge；reinforcement

U445.7

A

1673-1794（2012）05-0043-04

叶 生（1971－），男，安徽舒城人，硕士研究生，讲师，研究方向：道路与桥梁工程。

2012-07-27