某T型梁桥加固方案设计

黄 帅

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

1 工程概况

某大桥为连接国道与电厂的一座进厂桥梁，桥梁全长225.34 m，为跨径20 m的钢筋混凝土T型简支梁桥，桥梁立面图见图1。桥面宽度为1.5 m（人行道）+9 m（车行道）+1.5 m（人行道），跨中断面图见图2。桥梁上部结构采用了主梁简支、桥面连续结构，桥跨组成为3×20 m+4×20 m+4×20 m，主梁梁高1.5 m，梁间距2.2 m，每跨横向由5片T梁组成。桥墩为钢筋混凝土双柱式桥墩，基础为钻孔灌注桩基础；桥台为混凝土实体桥台，基础为沉井基础。桥梁设计荷载等级为汽车-20级，挂车-100，人群荷载：3.5 kN/m2，设计洪水频率：1/100。大桥于1992年建成通车，目前桥梁通行重载车辆较多（最大载重60 t，日最大流量500辆）。根据该桥荷载试报告描述，桥梁存在主梁混凝土强度略小于设计值，桥梁各构件已出现不同程度的病害，且在试验荷载的作用下，该桥抗弯安全储备不足，抗剪强度不足，动力性能较差，结构状态较差，故该桥被评定为三类桥梁，需进行加固维修。

图1 桥梁立面图（单位：cm）

图2 跨中断面图（单位：cm）

2 加固前后结构验算及方案设计

2.1 加固前结构验算[1-5]

维修加固主梁T梁计算采用桥梁静力线性有限元分析程序桥梁博士3.0进行，对各联T梁分别建立平面杆系模型，将主梁离散为26个单元，模拟原桥结构形式、钢筋分布、支承方式、荷载作用等，并考虑现在的病害、二期恒载、汽车荷载情况，计入截面削弱、实际通行车辆荷载等，按多工况对桥梁进行结构分析，计算出在各种不同情况下的截面强度和变形，以期能够涵盖结构目前可能所处的受力状态，定量地对桥梁现状进行分析和评估，为维修加固提供依据。

2.1.1 有关计算参数的选取

2.1.1.1 材料参数

a）钢筋 采用Ⅱ级钢筋。

（a）抗拉设计强度 Rg=340 MPa；

（b）弹性模量 Ec=2.0×105MPa.

b）混凝土 采用30号混凝土。

（a）弹性模量 Ec=3.0×104MPa；

（b）抗压设计强度 Ra=17.5 MPa；

（c）抗拉设计强度 Rl=1.75 MPa.

2.1.1.2 计算作用选取

a）恒载。

（a）一期恒载 一期恒载包括主梁等材料重量。混凝土容重取25 kN/m3，各构件均按设计断面记取重量。

（b）二期恒载 桥面铺装12 cm厚30号混凝土（容重取25 kN/m3），集度取6.6 kN/m。

b）活载。汽车荷载按照以下3种情况考虑：

（a）设计荷载等级 汽车-20级，挂车-100。

（b）载重60 t的6轴重车组成的车列。

（c）载重40 t的4轴重车组成的车列。

按双向两车道布置。汽车横向分布系数：支点0.409，跨中0.645；挂车横向分布系数：支点0.191，跨中0.373；冲击系数0.192。

人群：3.5 kN/m；人行道宽：每侧1.5 m；横向分布系数：支点2.08，跨中1.01。

c）温度。按顶板升降温5℃考虑。

2.1.2 结构验算主要内容

桥梁运营阶段各工况下受力情况，考虑以下组合，承载能力极限状态组合：

a）组合一 结构重力＋汽车-20级+人群+温差；

b）组合二 结构重力＋挂车-100+温差；

c）组合三 结构重力＋汽车（载重60 t的6轴重车车列）+人群+温差；

d）组合四 结构重力＋汽车（载重40 t的4轴重车车列）+人群+温差。

2.1.3 结构验算结果

2.1.3.1 设计标准荷载作用下与实际车辆荷载作用下桥梁内力效应结果比较

在汽车-20级、挂车-100、60 t的6轴重车车列、40 t的4轴重车车列作用下，跨中弯矩见表1。

表1 设计标准荷载与实际车辆荷载作用下桥梁内力效应对比结果表

由表1分析，实际车列按照载重40 t的4轴车组成的车列考虑，桥梁内力最为不利，跨中弯矩和支点剪力分别比汽车-20级大15.3%和37.4%。说明该桥实际车辆已经超出设计标准荷载。

2.1.3.2 承载能力极限状态验算

分别按照设计荷载和实际车列共4种组合进行承载能力极限状态验算，参考该桥全桥检查和荷载试验结果，根据相关规范，按照该桥实际承载能力降低10%考虑，桥梁跨中截面抗弯承载能力验算结果见表2。

表2 承载能力极限状态验算结果表 kN·m

由表2分析，实际车列按照载重40 t的4轴车组成的车列考虑时，即在组合四作用下，该桥组合弯矩为3 250 kN·m，大于其设计抗弯承载能力3 220 kN·m；按照桥梁的实际状况，将其实际承载能力降低10%后，在组合一、三、四作用下，该桥组合弯矩分别为 3 050 kN·m、3 000 kN·m、3 250 kN·m，均大于桥梁的实际抗弯承载能力2 898 kN·m。以上分析说明，该桥跨中截面抗弯承载能力总体上已不能满足设计要求。

2.2 加固方案设计[6]

a）提高主梁抗弯承载能力。为了将主梁抗弯承载能力提高至实际使用荷载，在主梁腹板底部粘贴6 mm厚钢板。

b）提高主梁抗剪承载能力。为了提高主梁抗剪能力，在主梁支点附近部位腹板上粘贴6 mm厚竖向钢板。

c）由于原桥设计主梁之间的横向联系偏弱，因此容易造成该处结构坏损。横隔板补强采用粘贴3片8 mm厚钢板，并在两侧采用高强螺栓对拉的方式加固。

d）对桥梁存在的其他的混凝土表观病害进行处治。

2.3 加固后结构验算

加固后结构分析采用有限元分析程序桥梁博士3.0进行，桥梁运营阶段各工况下受力情况考虑以下组合，承载能力极限状态组合：

a）组合一 结构重力＋汽车-20级+人群+温差；

b）组合二 结构重力＋挂车-100+温差；

c）组合三 结构重力＋汽车（载重60 t的6轴重车车列）+人群+温差；

d）组合四 结构重力＋汽车（载重40 t的4轴重车车列）+人群+温差。

2.3.1 承载能力极限状态验算结果

2.3.1.1 主梁抗弯承载能力极限状态验算结果

分别按照设计荷载和实际车列共4种组合进行跨中截面抗弯承载能力极限状态验算。加固前，参考该桥全桥检查和荷载试验结果，按照实际承载能力的90%考虑；加固后，考虑到加固措施对截面的补强作用，按照实际承载能力的95%考虑。桥梁跨中截面抗弯承载能力验算结果见表3。

表3 跨中截面抗弯承载能力极限状态验算结果表 kN·m

由表3分析，实际车列按照载重40 t的4轴车组成的车列考虑时，即在组合四作用下，跨中截面弯矩设计值为3 250 kN·m，大于加固前其实际抗弯承载能力3 220 kN·m，该截面抗弯承载能力总体上已不能满足实际使用要求。通过加固，跨中截面抗弯承载能力达到3 305 kN·m，该截面抗弯承载能力满足实际使用要求。

2.3.1.2 主梁抗剪承载能力极限状态验算结果

分别按照设计荷载和实际车列共4种组合进行支点附近斜截面抗剪承载能力极限状态验算。加固前，参考该桥全桥检查和荷载试验结果，按照实际承载能力的80%考虑。桥梁支点附近斜截面抗剪承载能力验算结果见表4。

表4 支点附近斜截面抗剪承载能力极限状态验算结果表 kN

由表4分析，实际车列按照载重40 t的4轴车组成的车列考虑时，即在组合四作用下，支点附件斜截面剪力设计值为615 kN，小于加固前其实际斜截面抗剪承载能力773 kN，但考虑到主梁支点附加截面出现超限裂缝（最大裂缝宽度为0.3 mm），并结合荷载试验结果，因此该桥本次仍对主梁进行剪力承载能力加固，加固后支点附近截面抗剪承载能力达到889 kN，该截面抗剪承载能力满足实际使用要求。

3 加固前后荷载试验数据对比

该桥在加固前后分别进行了荷载试验，其结果对比如下：

a）在相同的加载程序作用下，第二跨3号梁加固后下缘的正应力较加固前有所减小。

b）在相同的加载程序作用下，第二跨3号梁加固前挠度为-8.35 mm，加固后为-6.32 mm，加固后挠度减小2.03 mm。

c）在相同的加载程序作用下，各主要控制测点挠度纵向曲线对比见图3。

图3 相同加载程序下桥梁纵向挠度曲线图

d）在相同的加载程序作用下，各主要控制测点挠度横向曲线对比见图4。

图4 相同加载作用下跨中断面横向挠度曲线图

4 结论

静载试验荷载作用下，该桥控制断面的实测应力及挠度校验系数均小于1.0，说明该桥的实际承载能力满足加固设计要求，实际工作性能满足正常使用要求。而且加固后，在相同程序作用下，主梁下缘正应力和跨中挠度均有所减小，横向刚度有所提高，加固效果较好。荷载试验结果表明该桥加固方案的设计是成功的。