考虑桥面铺装层叠合效应的装配式T梁桥加固研究

李伟东

(湖南省建筑设计院， 湖南 长沙 410000)

考虑桥面铺装层叠合效应的装配式T梁桥加固研究

李伟东

(湖南省建筑设计院， 湖南 长沙 410000)

对一座20 m跨径装配式钢筋混凝土T型截面连续梁桥的结构加固设计工作，提出在结构承载能力判定中，合理计入桥面铺装层的叠合效应的必要性。通过有限单元法对结构在组合截面下的工作状态应力进行建模分析和计算。并结合现场成桥试验实测应变值，综合评价了计算模型中混凝土主梁与铺装层之间的合理连接形式，为今后工程中既有桥梁的加固设计和结构承载能力评估等相应工作中对铺装层的考虑提供了理论支持。

T梁桥； 加固设计； 桥面铺装层； 叠合效应； 有限元； 承载力试验

0 前言

对于装配式桥梁简支结构的施工工艺，以横桥向分片、厂区预制、架梁设备安放到位等一系列流程所组成了较为成熟的装配式梁桥的施工工法体系。由于梁片从预制存放到架梁成桥存在着较长的时间差，为保证最终桥梁结构横桥向各梁片间共同受力，在混凝土主梁的预制过程中，通常在梁体内按一定间距埋设外伸钢筋以浇筑现浇带。桥面铺装层施工前对混凝土预制梁体顶面进行凿毛，以保证桥面铺装层与梁体新旧混凝土之间的紧密结合，共同发生变形，从而形成一个稳定受力结合面，更好的承受车辆荷载的作用。而在现阶段桥梁结构设计计算理论及既有桥梁评定试验计算中，桥面铺装层常被视为结构二期恒载计入结构荷载效应值，而计算中不计入铺装层对结构的抗弯承载力及抗剪承载力的提高作用，使得结构承载力计算而趋于保守[1，2]。

王恩东[3]提出对于混凝土梁式桥结构承载力计算时，应根据桥面铺装层的刚度大小，分别考虑水泥混凝土和沥青混凝土两种不同材料形式的铺装层对主梁的叠合效应。其文中分别就混凝土主梁与铺装层不同的结合形式进行过模拟计算，指出了不同形式的铺装层与主梁结合方式对全桥结构受力的影响。因此，是否在结构计算中计入桥面铺装层对结构承力的贡献作用，则主要取决于铺装层材料类型及其与混凝土梁顶面的结合面状况，并且实际工程的试验数据支撑直接决定着有限元计算结果的可靠性。

1 铺装层受力性能

桥面铺装层的设置能有效保护主梁不直接承受移动荷载的磨耗影响，并能防止主梁顶面受雨水的侵蚀。对于行车道铺装层，除了保证其强度不低于主梁混凝土强度之外，而且在两者结合面之间常有技术处理，以保证铺装层与主梁间的协同受力[4]。

考虑铺装层叠合效应，需首先对铺装层的材料形式进行区分，铺装层与混凝土主梁间的结合方式可分为两种：对于混凝土形式的桥面铺装层方案，视两者连接形式为刚性连接；而对于沥青混凝土形式的桥面铺装层方案，由于主梁和铺装层两者间刚度相差较大，视其连接形式为柔性连接。对于刚性连接形式，铺装层混凝土有着较好的工作性能，可作为结构承载力的一部分计入结构承载力。主梁与铺装层之间的结合面能够支持两者之间的剪力和弯矩的传递，故对两者的变形可视为协调形式。而对于沥青混凝土铺装层的柔性连接形式，由于两者间的刚度差别较大，故不考虑沥青混凝土铺装层为承载结构的一部分，两者之间存在传递剪力的传递。对于梁结构，刚性连接形式主梁可视为由新旧混凝土组合而成的组合截面，此时铺装层不仅可使主梁有效工作截面得到增大，而且截面中性轴上移，有效提高结构抗弯刚度。对于底板粘贴钢板加固桥梁，则能进一步发挥加固钢板受拉的工作能力、主梁顶面及混凝土铺装层抗压性能，因而计入铺装层的组合截面结构计算原理能有效发挥主梁承载能力。

2 加固桥梁现场试验分析

2.1 主梁加固设计

以某地一座跨径分布为4×20 m装配式简支变连续混凝土T形截面梁桥加固设计工作为研究对象。桥梁于1998年建成通车，桥面净宽18 m，双向四车道，横桥向两侧分别设置1.5 m盖板式人行道，横桥向标准横断面由11片T梁组合拼装。全桥设计荷载等级为汽车-20、挂车-100；人群荷载按均布荷载计，4.0 kN/m2。

根据上部结构的检测报告，主梁主要病害及其成因可以归纳为主要的特征裂缝分布形式。环境的长期侵蚀直接导致了混凝土碳化引起混凝土的剥落和钢筋的锈胀现象，T梁马蹄及腹板产生较为密集的竖向、斜向裂缝及沿断面贯通裂缝。此类裂缝主要成因是梁体在荷载作用下承受较大弯拉效应，截面受拉区混凝土主拉应力超过混凝土抗拉允许值，进而出现可视裂缝的扩展。而在主梁支点附近，斜向裂缝成为梁体腹板主要裂缝类型分布。简支结构在支承位置附近主梁承受较大剪力作用，腹板抗剪钢筋所提供的抗剪承载力低于主拉应力时，亦会导致斜向剪裂缝的产生和沿45°方向发展。根据其裂缝的分布与成因，对主梁的加固处理措施如下：

1) 于T梁底板处进行粘贴纵向钢板条进行加固，以提高主梁抗弯承载力，底板加固形式如图1中所示。

2) 于T梁腹板处进行粘贴斜向钢板条进行加固，以提高主梁抗弯承载力。腹板加固形式如图2中所示。

3) 对混凝土T梁横隔板进行粘钢加固，加强T梁间的横向联系与抗扭性能。

4) 对于桥面铺装层，预先凿除梁顶面已破损的桥面铺装层，重新加铺16 cm厚C40防水钢筋混凝土铺装层。加固处理后的主梁截面如图3中所示。

图1 底板粘贴钢板加固示意图

图2 腹板粘贴钢板加固示意图

图3 加固处理后的主梁截面示意图(单位： mm)

2.2 加固后现场荷载试验

为了解新加铺混凝土桥面铺装层与主梁顶面间新旧混凝土在实际工作中的协同工作情况，通过加固后主梁现场静载试验，测定主梁截面在荷载作用下截面不同高度的应变值，并通过有限元单元法在不同结合面对应工况下的计算结果，分析得出新旧混凝土之间不同材料接触模拟的最佳方式。

现场试验选取第2跨上部结构主梁进行应变记录，横桥向梁片自左向右依次编号为1号～11号梁。其中，仅对车辆荷载直接影响下的3号～9号梁在荷载作用下的应变进行观测。沿高度方向通过粘贴电阻应变片的方式进行应变值实时观测。跨中截面应变测点布置如图3中所示(测点A位于T梁马蹄下缘中心、测点B位于距底面边缘80 cm对应位置处、测点C位于距底面边缘110 cm对应位置处)。

3号～9号主梁应变现场实测值于表1中列出，其实测应变值沿截面高度方向基本服从胡可定律，接近初等梁理论里面对受弯梁沿截面高度的变形理论中线性分布。

表1 主梁实测应变值梁编号测点应变值ABC374με33με-2με489με49με0με5103με51με5με6113με57με1με7101με44με-2με890με51με1με975με39με3με

2.3 有限单元法计算

通过Midas-civil结构有限元桥梁结构分析平台，选取3跨连续梁加固结构建立有限元分析模型。其中主梁混凝土、横隔梁、加固粘贴钢板以及混凝土铺装层均采用不同截面的梁单元模拟，材料参数主要按照现场试验检测、设计图纸说明以及有关设计规范而确定。对于铺装层混凝土与主梁混凝土之间通过设置不同刚度的弹性连接形式进行模拟，计算模型中分别采用刚度较大的硬连接和刚度值较小的软连接两种形式对桥面铺装层参与结构承载力后的主梁应变进行计算。上部结构有限元分析模型如图4所示。

图4 上部结构有限元计算模型

根据现场试验车辆荷载的分布、荷载作用面的作用值，等效施加于桥面铺装层单元。对于硬连接计算模型，桥面混凝土铺装层作为承载构件，此时的跨中截面对应测点A、B、C处的计算应变计算值汇总于表2；而对于软连接计算模型，主梁直接作为承载构件，跨中截面对应测点A、B、C处的计算应变计算值也汇总于表2。

显然，硬连接形式下的主梁测点应变计算值较软连接形式下的测点计算应变值低。经结果数据分析，计入桥面铺装层受力的主梁抗弯承载力较不计铺装层对应的模型而言能得到约13.5%的明显提高。由此可见，在装配式混凝土桥梁方案选取阶段，可优先选取混凝土形式的桥面铺装层，并在施工工艺上保证新旧混凝土的结合面的有效程度。这样主梁的结构承载能力既能得到有小的提升，材料性能也能得到充分的运用。如图5。

表2 硬连接、软连接主梁测点应变计算值梁编号硬连接测点应变值软连接测点应变值ABCABC3 73με15με-1με 76με19με5με4 99με21με 0με 90με24με6με5103με28με 0με122με32με 7με6134με33με 3με172με37με11με7109με25με-4με115με31με 8με8101με24με-1με109με28με 7με9 77με21με-1με 89με21με 6με

图5 测点A应变实测值与理论值

3 结语

本文以一联4跨装配式普通钢筋混凝土T形截面连续梁桥加固设计为研究对象，对单跨跨径20 m的简支梁桥在不同桥面铺装层下的受力性能计算和分析，研究得到的结论如下：

1) 对于既有桥梁重新加铺混凝土桥面铺装层形式的加固方案，桥面铺装层可以视为结构承载力的受力构件之一。

2) 通过桥梁结构检算或桥梁承载力评估验算的有限元计算模型的两者对比，考虑混凝土铺装层与混凝土主梁协同受力能真实反映桥面铺装层的实际工作状态。

3) 对桥面铺装层与主梁的有限元计算仿真，定义有效的连接形式能够有效发挥铺装层的叠合效应，以得到符合工程实际条件的数值计算结论。

4) 对于装配式混凝土桥梁结构设计，建议优先选取混凝土形式的桥面铺装层，并在施工工艺上保证新旧混凝土的结合面的有效程度。这样主梁的结构承载能力既能得到有效的提升，材料性能也能得到充分的运用。

[1] 谢玮.桥面铺装层叠合效应的受力分析研究[D].安徽：合肥工业大学，2009.

[2] 常军辉．公路桥梁的养护与维修加固探讨[J].交通世界(建养.机械)，2015，34(2)：44-45.

[3] 王恩东．箱梁桥桥面铺装受力特性研究[J].山东大学学报(工学版)，2008(2)：71-76.

[4] 郝国强.考虑铺装层叠合效应简支板梁桥力学性能研究[D].长春：吉林大学，2009.

[5] 吕建鸣，宋建永．组合截面桥梁结构计算方法研究[J].公路交通科技，2005(6)：68-71.

[6] 张树仁，王宗林.桥梁病害诊断与改造加固设计[M].北京：人民交通出版社，2006.

[7] 赵顺波，张新中.混凝土叠合结构设计原理与应用[M].北京：中国水利水电出版社，2001.

2016-09-02

李伟东( 1982-) ，男，硕士研究生，工程师，主要从事路桥设计工作。

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

U 448.21+2

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