考慮橋面鋪裝層疊合效應(yīng)的裝配式T梁橋加固研究

李偉東

(湖南省建筑設(shè)計(jì)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410000)

考慮橋面鋪裝層疊合效應(yīng)的裝配式T梁橋加固研究

李偉東

(湖南省建筑設(shè)計(jì)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410000)

對(duì)一座20 m跨徑裝配式鋼筋混凝土T型截面連續(xù)梁橋的結(jié)構(gòu)加固設(shè)計(jì)工作，提出在結(jié)構(gòu)承載能力判定中，合理計(jì)入橋面鋪裝層的疊合效應(yīng)的必要性。通過有限單元法對(duì)結(jié)構(gòu)在組合截面下的工作狀態(tài)應(yīng)力進(jìn)行建模分析和計(jì)算。并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)成橋試驗(yàn)實(shí)測(cè)應(yīng)變值，綜合評(píng)價(jià)了計(jì)算模型中混凝土主梁與鋪裝層之間的合理連接形式，為今后工程中既有橋梁的加固設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)承載能力評(píng)估等相應(yīng)工作中對(duì)鋪裝層的考慮提供了理論支持。

T梁橋； 加固設(shè)計(jì)； 橋面鋪裝層； 疊合效應(yīng)； 有限元； 承載力試驗(yàn)

0 前言

對(duì)于裝配式橋梁簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)的施工工藝，以橫橋向分片、廠區(qū)預(yù)制、架梁設(shè)備安放到位等一系列流程所組成了較為成熟的裝配式梁橋的施工工法體系。由于梁片從預(yù)制存放到架梁成橋存在著較長(zhǎng)的時(shí)間差，為保證最終橋梁結(jié)構(gòu)橫橋向各梁片間共同受力，在混凝土主梁的預(yù)制過程中，通常在梁體內(nèi)按一定間距埋設(shè)外伸鋼筋以澆筑現(xiàn)澆帶。橋面鋪裝層施工前對(duì)混凝土預(yù)制梁體頂面進(jìn)行鑿毛，以保證橋面鋪裝層與梁體新舊混凝土之間的緊密結(jié)合，共同發(fā)生變形，從而形成一個(gè)穩(wěn)定受力結(jié)合面，更好的承受車輛荷載的作用。而在現(xiàn)階段橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算理論及既有橋梁評(píng)定試驗(yàn)計(jì)算中，橋面鋪裝層常被視為結(jié)構(gòu)二期恒載計(jì)入結(jié)構(gòu)荷載效應(yīng)值，而計(jì)算中不計(jì)入鋪裝層對(duì)結(jié)構(gòu)的抗彎承載力及抗剪承載力的提高作用，使得結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算而趨于保守[1，2]。

王恩東[3]提出對(duì)于混凝土梁式橋結(jié)構(gòu)承載力計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)橋面鋪裝層的剛度大小，分別考慮水泥混凝土和瀝青混凝土兩種不同材料形式的鋪裝層對(duì)主梁的疊合效應(yīng)。其文中分別就混凝土主梁與鋪裝層不同的結(jié)合形式進(jìn)行過模擬計(jì)算，指出了不同形式的鋪裝層與主梁結(jié)合方式對(duì)全橋結(jié)構(gòu)受力的影響。因此，是否在結(jié)構(gòu)計(jì)算中計(jì)入橋面鋪裝層對(duì)結(jié)構(gòu)承力的貢獻(xiàn)作用，則主要取決于鋪裝層材料類型及其與混凝土梁頂面的結(jié)合面狀況，并且實(shí)際工程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐直接決定著有限元計(jì)算結(jié)果的可靠性。

1 鋪裝層受力性能

橋面鋪裝層的設(shè)置能有效保護(hù)主梁不直接承受移動(dòng)荷載的磨耗影響，并能防止主梁頂面受雨水的侵蝕。對(duì)于行車道鋪裝層，除了保證其強(qiáng)度不低于主梁混凝土強(qiáng)度之外，而且在兩者結(jié)合面之間常有技術(shù)處理，以保證鋪裝層與主梁間的協(xié)同受力[4]。

考慮鋪裝層疊合效應(yīng)，需首先對(duì)鋪裝層的材料形式進(jìn)行區(qū)分，鋪裝層與混凝土主梁間的結(jié)合方式可分為兩種：對(duì)于混凝土形式的橋面鋪裝層方案，視兩者連接形式為剛性連接；而對(duì)于瀝青混凝土形式的橋面鋪裝層方案，由于主梁和鋪裝層兩者間剛度相差較大，視其連接形式為柔性連接。對(duì)于剛性連接形式，鋪裝層混凝土有著較好的工作性能，可作為結(jié)構(gòu)承載力的一部分計(jì)入結(jié)構(gòu)承載力。主梁與鋪裝層之間的結(jié)合面能夠支持兩者之間的剪力和彎矩的傳遞，故對(duì)兩者的變形可視為協(xié)調(diào)形式。而對(duì)于瀝青混凝土鋪裝層的柔性連接形式，由于兩者間的剛度差別較大，故不考慮瀝青混凝土鋪裝層為承載結(jié)構(gòu)的一部分，兩者之間存在傳遞剪力的傳遞。對(duì)于梁結(jié)構(gòu)，剛性連接形式主梁可視為由新舊混凝土組合而成的組合截面，此時(shí)鋪裝層不僅可使主梁有效工作截面得到增大，而且截面中性軸上移，有效提高結(jié)構(gòu)抗彎剛度。對(duì)于底板粘貼鋼板加固橋梁，則能進(jìn)一步發(fā)揮加固鋼板受拉的工作能力、主梁頂面及混凝土鋪裝層抗壓性能，因而計(jì)入鋪裝層的組合截面結(jié)構(gòu)計(jì)算原理能有效發(fā)揮主梁承載能力。

2 加固橋梁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

2.1 主梁加固設(shè)計(jì)

以某地一座跨徑分布為4×20 m裝配式簡(jiǎn)支變連續(xù)混凝土T形截面梁橋加固設(shè)計(jì)工作為研究對(duì)象。橋梁于1998年建成通車，橋面凈寬18 m，雙向四車道，橫橋向兩側(cè)分別設(shè)置1.5 m蓋板式人行道，橫橋向標(biāo)準(zhǔn)橫斷面由11片T梁組合拼裝。全橋設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車-20、掛車-100；人群荷載按均布荷載計(jì)，4.0 kN/m2。

根據(jù)上部結(jié)構(gòu)的檢測(cè)報(bào)告，主梁主要病害及其成因可以歸納為主要的特征裂縫分布形式。環(huán)境的長(zhǎng)期侵蝕直接導(dǎo)致了混凝土碳化引起混凝土的剝落和鋼筋的銹脹現(xiàn)象，T梁馬蹄及腹板產(chǎn)生較為密集的豎向、斜向裂縫及沿?cái)嗝尕炌芽p。此類裂縫主要成因是梁體在荷載作用下承受較大彎拉效應(yīng)，截面受拉區(qū)混凝土主拉應(yīng)力超過混凝土抗拉允許值，進(jìn)而出現(xiàn)可視裂縫的擴(kuò)展。而在主梁支點(diǎn)附近，斜向裂縫成為梁體腹板主要裂縫類型分布。簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)在支承位置附近主梁承受較大剪力作用，腹板抗剪鋼筋所提供的抗剪承載力低于主拉應(yīng)力時(shí)，亦會(huì)導(dǎo)致斜向剪裂縫的產(chǎn)生和沿45°方向發(fā)展。根據(jù)其裂縫的分布與成因，對(duì)主梁的加固處理措施如下：

1) 于T梁底板處進(jìn)行粘貼縱向鋼板條進(jìn)行加固，以提高主梁抗彎承載力，底板加固形式如圖1中所示。

2) 于T梁腹板處進(jìn)行粘貼斜向鋼板條進(jìn)行加固，以提高主梁抗彎承載力。腹板加固形式如圖2中所示。

3) 對(duì)混凝土T梁橫隔板進(jìn)行粘鋼加固，加強(qiáng)T梁間的橫向聯(lián)系與抗扭性能。

4) 對(duì)于橋面鋪裝層，預(yù)先鑿除梁頂面已破損的橋面鋪裝層，重新加鋪16 cm厚C40防水鋼筋混凝土鋪裝層。加固處理后的主梁截面如圖3中所示。

圖1 底板粘貼鋼板加固示意圖

圖2 腹板粘貼鋼板加固示意圖

圖3 加固處理后的主梁截面示意圖(單位： mm)

2.2 加固后現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)

為了解新加鋪混凝土橋面鋪裝層與主梁頂面間新舊混凝土在實(shí)際工作中的協(xié)同工作情況，通過加固后主梁現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)，測(cè)定主梁截面在荷載作用下截面不同高度的應(yīng)變值，并通過有限元單元法在不同結(jié)合面對(duì)應(yīng)工況下的計(jì)算結(jié)果，分析得出新舊混凝土之間不同材料接觸模擬的最佳方式。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選取第2跨上部結(jié)構(gòu)主梁進(jìn)行應(yīng)變記錄，橫橋向梁片自左向右依次編號(hào)為1號(hào)～11號(hào)梁。其中，僅對(duì)車輛荷載直接影響下的3號(hào)～9號(hào)梁在荷載作用下的應(yīng)變進(jìn)行觀測(cè)。沿高度方向通過粘貼電阻應(yīng)變片的方式進(jìn)行應(yīng)變值實(shí)時(shí)觀測(cè)?？缰薪孛鎽?yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖3中所示(測(cè)點(diǎn)A位于T梁馬蹄下緣中心、測(cè)點(diǎn)B位于距底面邊緣80 cm對(duì)應(yīng)位置處、測(cè)點(diǎn)C位于距底面邊緣110 cm對(duì)應(yīng)位置處)。

3號(hào)～9號(hào)主梁應(yīng)變現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值于表1中列出，其實(shí)測(cè)應(yīng)變值沿截面高度方向基本服從胡可定律，接近初等梁理論里面對(duì)受彎梁沿截面高度的變形理論中線性分布。

表1 主梁實(shí)測(cè)應(yīng)變值梁編號(hào)測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值A(chǔ)BC374με33με-2με489με49με0με5103με51με5με6113με57με1με7101με44με-2με890με51με1με975με39με3με

2.3 有限單元法計(jì)算

通過Midas-civil結(jié)構(gòu)有限元橋梁結(jié)構(gòu)分析平臺(tái)，選取3跨連續(xù)梁加固結(jié)構(gòu)建立有限元分析模型。其中主梁混凝土、橫隔梁、加固粘貼鋼板以及混凝土鋪裝層均采用不同截面的梁?jiǎn)卧M，材料參數(shù)主要按照現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)、設(shè)計(jì)圖紙說明以及有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范而確定。對(duì)于鋪裝層混凝土與主梁混凝土之間通過設(shè)置不同剛度的彈性連接形式進(jìn)行模擬，計(jì)算模型中分別采用剛度較大的硬連接和剛度值較小的軟連接兩種形式對(duì)橋面鋪裝層參與結(jié)構(gòu)承載力后的主梁應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算。上部結(jié)構(gòu)有限元分析模型如圖4所示。

圖4 上部結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)車輛荷載的分布、荷載作用面的作用值，等效施加于橋面鋪裝層單元。對(duì)于硬連接計(jì)算模型，橋面混凝土鋪裝層作為承載構(gòu)件，此時(shí)的跨中截面對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)A、B、C處的計(jì)算應(yīng)變計(jì)算值匯總于表2；而對(duì)于軟連接計(jì)算模型，主梁直接作為承載構(gòu)件，跨中截面對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)A、B、C處的計(jì)算應(yīng)變計(jì)算值也匯總于表2。

顯然，硬連接形式下的主梁測(cè)點(diǎn)應(yīng)變計(jì)算值較軟連接形式下的測(cè)點(diǎn)計(jì)算應(yīng)變值低。經(jīng)結(jié)果數(shù)據(jù)分析，計(jì)入橋面鋪裝層受力的主梁抗彎承載力較不計(jì)鋪裝層對(duì)應(yīng)的模型而言能得到約13.5%的明顯提高。由此可見，在裝配式混凝土橋梁方案選取階段，可優(yōu)先選取混凝土形式的橋面鋪裝層，并在施工工藝上保證新舊混凝土的結(jié)合面的有效程度。這樣主梁的結(jié)構(gòu)承載能力既能得到有小的提升，材料性能也能得到充分的運(yùn)用。如圖5。

表2 硬連接、軟連接主梁測(cè)點(diǎn)應(yīng)變計(jì)算值梁編號(hào)硬連接測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值軟連接測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值A(chǔ)BCABC3 73με15με-1με 76με19με5με4 99με21με 0με 90με24με6με5103με28με 0με122με32με 7με6134με33με 3με172με37με11με7109με25με-4με115με31με 8με8101με24με-1με109με28με 7με9 77με21με-1με 89με21με 6με

圖5 測(cè)點(diǎn)A應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值

3 結(jié)語

本文以一聯(lián)4跨裝配式普通鋼筋混凝土T形截面連續(xù)梁橋加固設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，對(duì)單跨跨徑20 m的簡(jiǎn)支梁橋在不同橋面鋪裝層下的受力性能計(jì)算和分析，研究得到的結(jié)論如下：

1) 對(duì)于既有橋梁重新加鋪混凝土橋面鋪裝層形式的加固方案，橋面鋪裝層可以視為結(jié)構(gòu)承載力的受力構(gòu)件之一。

2) 通過橋梁結(jié)構(gòu)檢算或橋梁承載力評(píng)估驗(yàn)算的有限元計(jì)算模型的兩者對(duì)比，考慮混凝土鋪裝層與混凝土主梁協(xié)同受力能真實(shí)反映橋面鋪裝層的實(shí)際工作狀態(tài)。

3) 對(duì)橋面鋪裝層與主梁的有限元計(jì)算仿真，定義有效的連接形式能夠有效發(fā)揮鋪裝層的疊合效應(yīng)，以得到符合工程實(shí)際條件的數(shù)值計(jì)算結(jié)論。

4) 對(duì)于裝配式混凝土橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，建議優(yōu)先選取混凝土形式的橋面鋪裝層，并在施工工藝上保證新舊混凝土的結(jié)合面的有效程度。這樣主梁的結(jié)構(gòu)承載能力既能得到有效的提升，材料性能也能得到充分的運(yùn)用。

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2016-09-02

李偉東( 1982-) ，男，碩士研究生，工程師，主要從事路橋設(shè)計(jì)工作。

1008-844X(2017)01-0129-03

U 448.21+2

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