2023年预应力T梁桥跨中横隔梁力学分析与维修加固.doc

预应力T梁桥跨中横隔梁力学分析与维修加固 发布时间：2007-11-06   余波 徐光华    ：以预应力简支T粱桥为对象，建立了实体单元有限元模型，在对称和偏载作用下分别计算了有无横梁情况时的响应并进行了比拟分析，结果说明中横粱对大桥受力状态特别是翼缘板的受力状态有较大的作用。根据这一结论，对该桥主要采取了增加跨中横隔梁的加固措施。     预应力T梁的横隔梁是垂直于T梁梁体的结构，其根本作用是增加桥梁的横向刚度，限制扭转应力等。按照桥梁设计85标准及2023新标准的要求，预应力T梁桥均需设置端横梁和一定数量中横梁。一些设计人员误认为跨中横梁的抗扭刚度通常要小于端横梁，且跨中横梁的自重会增加主梁荷载，因此对跨中横梁不够重视，有时就将其省略，这样势必造成桥梁整体性降低。随着车辆荷载日益增加，给车辆运营带来安全隐患。这种构造于二十世纪六十年代由前苏联引进我国，在一些西部省份已有较多应用，因此，对预应力T梁桥跨中横隔梁的力学性能进行分析，了解其对桥梁整体受力的重要性，增强对其重要性的认识进而采取相应加固措施提高桥梁耐久性和使用寿命具有重要的意义。      本文选取了6x30 m的预应力混凝土T梁桥进行分析。该桥上部结构T梁采用现浇方法施工，桥梁未设置中横隔梁，仅设置了端横隔梁。现浇T梁用50号砼：预制桥面板、封锚端用40号砼。桥面铺装采用6 cm厚的30号防水砼。现浇T梁采用简支桥面板连续。下部结构为双柱式墩，左右幅别离。设计荷载等级：汽车一超20级，挂车-120。      该桥位于重要的高速公路干线，车流量相对较大。经过假设干年的运营，该桥出现了较多病害。除了桥面铺装破损、局部伸缩缝损坏等常见病害外，比拟明显的病害表现为桥面铺装纵向裂缝，主要集中在中T梁顶面附近等。      为了对病害进行分析，对该桥用实体单元建立了有限元模型，利用该模型对桥梁有无跨中横隔梁的情况下，各片T梁的挠度及应力状况进行了分析，重点关注各片梁在偏载和对称荷载作用下，跨中挠度分布及桥面铺装外表拉应力的分布隋况。  1模型的建立     简支T梁桥采用实体单元建立有限元模型(有中横梁情况；无中横梁情况)，模型中考虑铺装参与受力，假定混凝土材料均为C50混凝土，其它相关参数见表1~表3所示。其中有横梁的实体模型中设置了3道中横梁，分别设在1／4L、1／2L、3／4L跨所在位置，局部模型如图1～2所示。每片T梁承当的恒载如表1所示。T梁相关参数见表2，由于该桥边梁和中梁的结构尺寸根本相同，计算时采用相同截面所带来的误差可忽略。边梁和中梁钢绞线配束量见表3。      分析中采用汽车超-20车队的中55 t重车作为分析荷载对桥梁进行加载。模型中的轮载分别以集中力的形式施加于模型中的结点上。计算中分别建立了对称加载和偏载两种加载情况，两种荷载情况均施加于有横梁模型和无横梁模型以便进行比拟，因此总共计算了4种工况：工况1为无中横隔梁时的对称加载；工况2为有中横隔梁时的对称加载；工况3为无中横梁时的单车加载；工况4为有中横梁时的单车加载。   2计算结果分析      工况1-工况4荷载作用下结构跨中断面剪应力及挠度的计算结果如图3～图6所示，当T梁只配置端横梁而无中横梁时，在对称和偏载作用下各T梁的挠度均呈曲线分布，桥梁横向发生弯曲的趋势且翼缘板承受较大的剪应力。与之形成鲜明比照的是，设置了中横梁的T梁桥在荷载作用下各T梁的挠度均呈直线分布，翼缘板所受剪应力有限，最大剪应力发生在横梁部位。说明增加横梁后，中横梁改善了翼缘板的受力状态，使其更为安全，桥梁横向刚度和抗扭刚度得到较大提高。因此中横梁对提高全桥的整体性有较大作用。      此外，本文还将工况1、工况2下T梁跨中断面横向剪应力进行了比照(如图7、图8所示)，结果显示设置了中横梁的T梁桥在荷载作用下翼缘板几乎无横向拉应力产生，这对翼缘的受力较为有利。没有中横梁的T梁桥翼缘板在荷载作用下顶面承受较大的横向拉应力，特别是在中T梁顶面附近到达最大值1．77 MPa。      虽然计算值小于设计强度2．45 MPa的限值，但计算中加载是以设计荷载来取值。事实上该桥位于重要的高速公路干线，车流量相对较大。根据对大桥通行车流量及车辆超载超限状况进行的统计。调查期间单日发现各类大型装载汽车70余辆，且均有超限超载迹象。当大货车高速通过大桥时，桥梁振动现象明显，大桥铺装破损的存在加剧车辆对大桥的冲击作用，将使桥面的状况进一步恶化。综合考虑汽车的冲击作用以及超载等因素，特别是最大横向拉应力发生位置与纵向裂缝位置相吻合，可以认为未配置中横梁的T梁桥在超载车作用下横向拉应力过大是桥面产生纵向裂缝的内在原因。  3维修加固措施     根据对大桥病害的检测和以上分析，采取了以下维修加固措施：首先凿除原桥面铺装层，对变形老化比拟严重的支座进行更换，然后在跨内增设3道中横隔梁。通过增设中横隔梁，可增强各主梁之间的横向联系，使荷载的横向分布更加均匀。在本次桥梁加固中拟采用钢筋混凝土横梁。横隔梁可浇到与翼缘板底面相接以保证结构整体刚度，也可不浇到顶而在翼缘板下预留30-40 cm高的空间以方便施工操作。但据计算，此方法比前一种方法对结构整体刚度提高的效果至少要低50％，其他类似工程可根据实际情况采取不同措施。新增横隔梁内钢筋通过植筋与T梁腹板连接，浇筑横隔梁混凝土前先将T梁腹板相应混凝土面打毛并适当湿润以保证新老混凝土的联接。在对T梁裂缝等病害进行修补后在梁底粘贴碳纤维布以增强梁体的承载力，最后再重新浇注铺装层。  4结论     本文利用实体单元有限元模型对预应力T梁桥跨中横梁的力学性能进行了研究，对不同工况下中横梁的受力分析结果说明，中横梁对大桥受力状态特别是翼缘板的受力状态影响较大，可以提高荷载横向分配能力，对各T梁的受力都有利。研究结果证明了新老桥梁设计标准均要求设置跨中横梁的合理性，并据此结论确定了维修加固措施。