普通钢筋混凝土简支梁桥T形转箱形截面加固方法研究

游德泉，尹栋佳，李琼慧（.福建省交通科学技术研究所，福州　50004；.上海城建市政工程（集团）有限公司，上海　00065；.湖北省交通规划设计院，武汉　40050）

普通钢筋混凝土简支梁桥T形转箱形截面加固方法研究

游德泉1，尹栋佳2，李琼慧3
（1.福建省交通科学技术研究所，福州350004；2.上海城建市政工程（集团）有限公司，上海200065；3.湖北省交通规划设计院，武汉430050）

箱形截面梁桥具有良好的整体性和稳定性。对于原设计T形截面局部T梁承载能力不足的旧桥，提出采用原截面转换成箱形截面的方法对其进行加固，以提升桥梁整体承载能力。通过有限元建模分析，对加固前后桥梁刚度、活载分布以及跨中截面抗弯承载力提升等进行比较，研究该加固方法在此类旧桥加固中实施的可行性。

T形截面；箱形截面；加固方法；承载能力；有限元分析

普通钢筋混凝土简支T形梁桥由于结构简单、安装方便等特点，上世纪八九十年代在福建省得到广泛采用。然而，近年来，随着交通运输事业的快速发展，交通量越来越大，车辆荷载不断增加，原设计T形梁桥逐渐暴露出承载能力不足的问题，并出现混凝土表面破损、混凝土表面裂缝超限、雨水侵蚀、钢筋锈蚀等病态。

箱形截面梁桥较T形截面梁桥具有整体性好、刚度大的特点。本文针对箱形截面梁桥在一定截面面积下能够获得较大的抗弯惯矩，且抗扭刚度大，在偏心活载作用下各梁肋的受力比较均匀等优点进行分析，提出将T形截面转换成箱形截面，以提高原设计T形简支梁桥承载能力的加固方法［1］。笔者结合某梁桥其梁片抗弯承载力储备不足、各梁片之间横向联系较弱、上部结构整体受力性能较差等工程实例，建立有限元模型对上述方法的可行性进行计算和验证。

1　工程概况

某桥位于国道324线上，为某市出海口交通要道上的一座桥梁，于1994年1月投入营运。该桥全长354.3 m，单幅横断面为五梁式，桥面宽度为1.50 m（人行道）+9.25 m（行车道）+0.50 m（中央分隔带）=11.25 m，跨中横断面如图1所示。上部结构为16孔20 m+2孔13 m装配式钢筋混凝土T形梁，共4联，为结构简支、桥面连续体系。其中，20 m装配式钢筋混凝土简支T梁高1.50 m，肋宽0.18～0.35 m，翼板厚0.15～0.20 m，翼缘宽1.60 m（边梁1.89 m）；13 m装配式钢筋混凝土简支T梁高1.10 m，肋宽0.18～0.30 m，翼板厚0.15～0.20 m。下部结构采用双柱式墩身，钻孔灌注桩基础。设计荷载等级：汽-20级，挂-100级，人群荷载3.5 kN/m2。上部结构建造材料采用30#混凝土，受力钢筋采用Ⅱ级钢筋，构造钢筋采用Ⅰ级钢筋。

图1　某桥跨中横断面示意

2　桥梁加固前承载能力检测评定结果

2.1桥梁缺损状况检查评定

经外观检查，该桥缺损状况如下：T梁腹板产生竖向裂缝，其主要分布在梁体中段1L/4至3L/4跨径范围（L指单跨跨径，下同）；腹板产生斜向裂缝，其主要分布在两侧梁端1L/4跨径范围内。竖向裂缝、斜向裂缝均存在裂缝由腹板延伸并贯穿梁底的缺损状况。全桥裂缝统计见表1。根据JTG H11—2004《公路桥涵养护规范》和JTG/T H21—2011《公路桥梁技术状况评定标准》，该桥技术状况等级被评定为4类［2-3］。

由于该桥建造时受国内当时设计理念的局限，翼缘板厚度远小于梁高，同时横隔板间联系较弱，不能形成横向刚性连接，故实际受力时，出现了单梁受力过大而损坏的现象。该桥边梁裂缝数量远远多于中梁裂缝数量。

2.2桥梁结构检算结果

基于该桥设计荷载等级为挂车-100级，对该桥承载能力极限状态受弯荷载效应基本组合下T梁跨中截面抗弯承载能力进行了检算，结果见表2。该桥抗弯承载力弯矩包络图如图2所示。

图2　最不利荷载组合下主梁抗弯承载力弯矩包络图

表2　T梁跨中截面抗弯承载能力验算

由表2可知，该桥T梁在承载能力极限状态下，边梁结构已经不能满足正截面抗弯承载力的要求，中梁承载力富余度仅为6%，表明该桥承载能力目前已无法满足汽-20级，挂-100级，人群荷载3.5 kN/m2的设计荷载等级要求，桥梁继续服役过程中的安全性和耐久性很难继续适应现有交通的通行压力，需立即对该桥进行加固以提升其承载能力。

3　加固方法

钢筋混凝土T形梁桥的常用加固方法有：1）粘贴钢板法；2）粘贴钢筋加固法；3）体外预应力加固法；4）碳纤维布加固法；5）改变结构体系法；6）截面转换法［5］。

对于该桥而言，方法1）、2）、4）虽能够提升其承载能力，但无法弥补其设计时的先天不足；方法3）不适用于材料强度较低的普通钢筋混凝土旧桥；方法5）对于该桥承载能力提升能力有限。基于此，笔者认为选用方法6）可有效提升该桥的承载能力。

该桥采用的加固方法是：在T梁腹板下方先增加1层底板并布置钢筋，然后浇筑1层钢筋混凝土底层，将原T梁底全封闭，且浇筑层与原T梁间采用植筋形式进行刚性连接，从而将T形截面转换成箱形截面。加固整体设计和梁底浇筑层钢筋布置如图3、图4所示。图4中，①代表Φ32 mm钢筋，②代表Φ16 mm钢筋，③代表Φ8 mm钢筋。加固选用强度等级为C30的混凝土，主筋等级为HRB335，箍筋等级为R235［6］。

图3　加固整体设计

图4　T梁封底部分钢筋设计布置示意

4　有限元计算理论分析可行性

采用大型有限元通用软件Midas Civil，运用梁格法［8］分别建立该桥加固前后的空间有限元模型，如图5所示。

图5　桥梁有限元模型

加固后的箱梁模型增加了梁底纵向单元，以及新增单元与原结构单元采用弹性连接（只受压）的边界条件。

4.1理论自振频率分析比较

桥梁在桥面无任何交通荷载及桥址附近无规则振源的情况下，由于桥址处风荷载、地脉动等随机荷载激振而引起的桥跨结构微小振动响应为桥跨结构的自振频率。桥梁自振频率变化不仅能够反映结构损伤情况，而且还能反映结构整体性能和受力体系的改变［4］，其是反映桥梁刚度的最直接体现。该桥加固设计前竖向振动自振频率实测值、理论值以及加固设计后理论计算值见表3。加固前后计算模型竖向第1阶自振频率及振型如图6所示。

表3　桥梁竖向振动自振频率值

图6　桥梁竖向自振频率理论振型

由表3可知，采用T形截面转换箱形截面的加固设计方法后，桥梁的频率理论值大于加固前频率理论值，表明T形转箱形截面的加固方法能够有效提升桥梁的整体刚度。

4.2静载试验中目标荷载产生截面内力值的分析和比较

某桥静载试验目标荷载为设计标准规定的荷载，即汽-20级、挂-100级，人群荷载3.5 kN/m2。根据该桥竣工图纸和现场实测资料，对挂车-100级活载产生的静载试验最不利效应值进行等效换算，并用有限元软件Midas Civil进行建模计算，得到设计活载下各主梁产生的最不利内力值，见表4。各梁片设计活载内力值分布如图7所示。

表4　桥梁各主梁设计活载内力值

由表4可知，桥跨结构加固后，较加固前各主梁跨中截面所受的活载内力最大值有所降低。车道布置右侧偏载作用下，1#T梁的分配系数为：式中：X1、X＇1分别为加固前、加固后1#T梁的横向分配系数分别为加固前、加固后y#T梁设计活载产生的最不利内力值，y=1，2，…，n。

加固后，1#T梁的分配系数较加固前有所降低。从图7可以看出，T形转箱形截面的加固方法可有效提高原桥跨结构横向的整体受力性能，抵抗活载产生的内力。

4.3加固后正截面抗弯验算结果分析

按照该桥设计荷载等级为挂车-100级，对该桥加固后极限状态承载能力受弯荷载效应基本组合下，原T梁跨中截面抗弯承载能力进行了检算，结果见表5，边梁和中梁的抗弯承载力弯矩包络图如图8所示。

图7　各梁片设计活载内力值分布

表5　加固后T梁跨中截面抗弯承载能力验算

图8　加固后最不利荷载组合下主梁抗弯承载力弯矩包络图

由表5可知，加固后该桥跨结构T梁在承载能力极限状态下，各主梁结构能够满足正截面抗弯承载力的要求，承载力富余度最低为12%，表明加固后该桥承载能力能够满足汽-20级，挂-100级，人群荷载3.5 kN/m2的设计荷载等级要求，可保证该桥桥跨结构继续服役过程中的安全性和耐久性适合现有交通的通行压力。

5　施工可行性分析

为了增强简支T形梁桥的承载能力，采用T形转换箱形截面的加固方法，可以很好地利用原T梁结构，在梁底植筋并架设施工平台，并浇筑截面混凝土。施工工艺和工法较为成熟，且方便快捷，占用空间及消耗材料较少，且可以在不影响或少影响交通的情况下施工。

需注意的是，由于该桥位于出海口，故要控制钢筋保护层的厚度，以满足设计要求。由于原结构自身的正截面抗弯承载能力已经不能满足设计荷载等级要求，因此在新浇混凝土层达到强度标准值之前，应在跨中搭设临时支撑墩，以支撑加固时现浇混凝土层自重及施工荷载［7］。

6　结论

本文基于某桥工程实例，运用有限元软件Midas Civil建立实体模型，通过计算分析，研究了T形转箱形截面加固方法在普通钢筋混凝土简支梁桥的应用效果，并得到如下结论：

1）采用T形转换箱形截面的加固方法加固后的桥梁其受力性能得到明显提高，表现为：（1）桥梁自振频率增大，刚度加强；（2）各主梁间共同受力作用效果提升明显；（3）主梁正截面抗弯承载能力明显加强。

2）采用T形转箱形截面的加固方法可以方便快捷地进行施工，且不影响或少影响桥面交通。

3）对于因设计年代较早、承载能力暴露出不足的普通钢筋混凝土T形截面梁桥，采用转换箱形截面的加固方法对T形截面简支梁桥进行加固，不仅能够提升桥跨结构的承载能力，而且还能够增大桥跨结构的刚度，提升T形简支梁桥整体受力性能。

［1］ 范立础.桥梁工程（上）［M］.北京：人民交通出版社，2000.

［2］浙江省公路管理局.JTG H10—2009公路养护技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2009.

［3］交通运输部公路科学研究院.JTG/T H21—2011公路桥梁技术状况评定标准［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［4］交通运输部公路科学研究院.JTG/T J21—2011公路桥梁承载能力检测评定规程［S］.北京：人民交通出版社，2011.

［5］中交第一公路勘察设计研究院有限公司.JTG/T J22—2008公路桥梁加固设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2008.

［6］ 叶见曙.结构设计原理（第二版）［M］.北京：人民交通出版社，2005.

［7］刘来君，赵小星.桥梁加固设计施工技术［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［8］E.C.汉勃力.桥梁上部结构性能［M］.郭文辉，译.北京：人民交通出版社，1982.

Study on Reinforcing Method by Changing T-Section to Box Section in Common Steel Reinforced Simple Girder Bridge

YOU Dequan1，YIN Dongjia2，LI Qionghui3

Box girder bridges have good integrity and stability.For old bridge with T-section design that has inadequate bearing capacity，this paper suggests changing T section into box section to reinforce and upgrade the overall bearing capacity of bridge.Via finite element modeling analysis，this paper compares bridge stiffness，load distribution and span section bending bearing capacity upgrading，etc.，before and after reinforcement，to study the feasibility of this reinforcing method in similar old bridge reinforcement.

T-Section；box section；reinforcing method；bearing capacity；finite element analysis

1009-6477（2016）04-0105-05

U448.21+7

A

10.13607/j.cnki.gljt.2016.04.024

2016-04-15

游德泉（1990-），男，福建省龙岩市人，本科，助工。