無中橫隔板裝配式T 梁橋加固前后荷載橫向分布分析

■韓 斌

（平潭綜合實驗區城鄉建設與交通運輸服務中心，平潭 350400）

我國公路橋梁事業發展迅速，在高速公路及國省道線上，裝配式橋梁因其施工簡便、受力明確、運輸安裝方便的優勢而得到廣泛應用。 裝配式肋梁橋中常見的是T 形梁，2008 年我國交通運輸部編制了公路橋涵通用圖，其中包括T 梁系列。

在我國，裝配式預應力混凝土T 梁橋的跨徑在16～50 m 之間， 橫向連接構造中通常設有端橫隔板和中橫隔板2 部分。 隔板的設計是為了增加全橋的整體性，保證T 梁在服役期間荷載分布均勻，減少橋面鋪裝及翼緣板的損壞，防止因單梁受力而產生豎向、斜向的裂縫。 對于有中橫隔板的T 梁橋，一些老舊橋梁采用鋼板、螺栓、扣環、鉸接的連接方式，大多數T 梁橋采用現澆濕接縫的連接方式。 但如今國省道上還存在相當一部分裝配式T 梁橋只設置端橫隔板而無中橫隔板的情況，這些橋梁大多在服役十幾年后就出現了端橫隔板破損、 跨中梁底、腹板及支座附近腹板裂縫等因單梁受力而形成的病害，對橋梁的正常服役影響較大。 基于此，選取一此類橋梁在進行荷載試驗檢測之后，分析其病害并采取加固措施，研究加固前后荷載橫向分布以期為同類病害提供參考。

1 工程概況及病害分析

某國道上一座30 m 標準跨徑的預應力混凝土簡支T 梁橋，梁長29.94 m，計算跨徑28.66 m，橋面凈寬9.00 m， 兩側各有1.50 m 寬的安全帶人行道。具體尺寸如圖1 所示。

圖1 30 m 標準跨徑簡支T 梁橋

該橋設計荷載：汽-20 級，掛-100 級。其橫斷面共6 片等截面預制T 形梁， 梁端設有端橫隔板，未設置中橫隔板。

對該橋進行特殊檢測， 發現以下幾種重要病害：（1）在主梁端橫隔板底部出現混凝土破損露筋；（2）次邊梁跨中位置附近腹板出現豎向裂縫，中梁靠近支座附近腹板出現斜向裂縫；（3）梁片間濕接縫出現縱向裂縫，并伴有析白現象；（4）混凝土橋面鋪裝出現大面積的龜裂，并伴有露筋現象。 部分病害如圖2 所示。

圖2 典型病害圖

這些病害的成因主要在于橋梁橫向剛度較小，在荷載反復作用下橫向聯系部分受損，主梁形成單梁受力的現象。 對于無中橫隔板或少中橫隔板的T梁橋，為解決其橫向聯系薄弱、整體穩定性和剛度較差的問題，常常采用增加中橫隔板、增加橫向預應力的方式[1]。 常用措施如表1 所示。

表1 橫向聯系加固常用措施

2 裝配式T 梁橋荷載橫向分布計算

2.1 荷載橫向分布計算方法

橋梁結構是一個三維結構，現有的空間分析常采用梁格法和有限元建模分析。 當橋梁結構的橫向連接較復雜的時候，梁格法難以準確模擬；而有限元建模計算則較復雜，進行單元劃分及計算分析需要較高的技術和豐富的經驗。 為將空間分析問題轉化為平面問題，可以引入橫向分布系數進行分析。當荷載作用在橋上時，每片主梁所受的力并不相同，作用在某點上的荷載用P 表示，其內力影響面用函數η（x，y）表示，其內力值為S=P·η（x，y）[2]。 空間內力影響面可以通過2 個變量函數的乘積來表示[3]，即η（x，y）=η1（x）·η2（y），如圖3 所示。

圖3 荷載作用下計算圖示

則某一截面內力值可用下式表示：

式中：η1（x）表示某一截面的縱向內力影響線；η2（y）表示某一根梁的荷載橫向分布影響線。如此以來，空間內力值的求解問題就可以通過求解荷載橫向分布系數借助平面計算來解決。

在計算荷載橫向分布系數時，可采用以下3 種計算方法：

（1）簡化計算方法

所謂簡化計算的方法，原理是通過求解荷載橫向分布影響線，按照最不利荷載作用于橫向分布影響線上進行布載，最后得到橫向分布系數；主要包括以下幾種：①杠桿法；②偏心壓力法和修正偏心壓力法；③剛接梁法和鉸接板（梁）法；④比擬正交異性板法[4]。 具體適用范圍如表2 所示。

表2 簡化計算方法適用范圍

（2）梁格法建模計算方法

采用簡化方法計算本質上都是通過在其橫向分布影響線上最不利加載來計算的，具有一定的局限性。 通過MIDAS 等有限元軟件建立橋梁結構空間模型， 可以更直觀地計算其橫向分布系數。 以T梁為例，具體方法有以下2 種：①分別建立真實多片T 梁的模型及單片T 梁模型，多片梁模型中按照最不利車道的位置在跨中施加P=-0.5 kN 的節點荷載；單片梁模型中在跨中施加P=-1.0 kN 的節點荷載。 經過計算，得到跨中各片梁的加載位移值Di及單片梁跨中的加載位移值D，則各片主梁的橫向分布系數即為Di和D 的比值[5]。 加載示意如圖4 所示。

圖4 計算模型加載示意圖

②通過建模得到跨中橫向分布影響線。 建立多片T 梁模型，分別于各主梁跨中處施加集中力P=-1000 kN，得到各梁片跨中截面的位移值之后，可按下式計算橫橋向各梁片的影響線坐標值：

式中：ηij表示橫橋向各點處的影響線坐標值；fij表示集中力作用于i 號梁片跨中時引起j 號梁片的撓度值。 此種方法相當于是簡化了橫向分布影響線的計算，直接通過建模加集中力的方法直觀地得出橫向分布影響線。

（3）荷載試驗計算方法

對于某些加固改造的橋梁，理論方法及模型計算已經難以反映橋梁結構的真實受力狀況。 為了直觀準確地得到加固后橋梁的橫向分布系數，分析加固后的效果， 可通過分析荷載試驗的撓度數據，按下式計算各梁片的橫向分布系數[6]：式中：mi表示第i 片梁的橫向分布系數；fi表示各梁片的撓度值；N 表示橫向加載車輛數。

2.2 橫隔板對橫向分布影響

橫向聯系的增強對提高全橋穩定性，加強橫向剛度意義重大，而增設橫隔板是最有效的方式。 擬從橫隔板分布數量和橫隔板厚度2 方面研究橫隔板對橫向分布的影響。

（1）無中橫隔板

對本文工程實例進行分析，分別利用簡化計算方法和MIDAS 建模計算方法進行荷載橫向分布系數計算，所得結果如表3 所示。 利用簡化方法計算橫向分布系數，一般來說，對于橫向聯系較弱的無中橫隔板的橋梁，采用杠桿法計算的結果，中間主梁偏大，邊梁則偏小；鉸接板（梁）法結果與之接近。修正偏心壓力法不適用于此橫向聯系弱的橋梁。 相比于比擬正交異性板法，剛接梁法的計算結果與建模計算結果較接近，偏差在3%以內。代表方法計算結果如圖5 所示。

表3 無中橫隔板跨中橫向分布系數

圖5 無中橫隔板跨中橫向分布系數m

（2）橫隔板數量

橫隔板的數量變化對橫向聯系有很大影響，為了研究橫隔板的數量與橫向分布變化的關系，通過在本文工程實例中于跨中四分之一跨徑和四分之三跨徑分別增加一道相同的20 cm 厚的橫隔板，使用梁格法建模計算，得到結果如表4 所示。

表4 不同橫隔板數量對應跨中橫向分布系數

由上表可知，當橋梁結構布置中橫隔板且逐漸增多時，橋梁結構的橫向分布有明顯的改善，橫隔板數量越多，橫向聯系越強。 同時，對于橋梁本身若無中橫隔板，則在跨中增加1 道中橫隔板對橋梁橫向剛度的增強最為明顯。 跨中橫向分布系數隨橫隔板數量變化的趨勢如圖6 所示。

圖6 不同數量中橫隔板跨中橫向分布系數m

（3）橫隔板厚度

橫隔板的尺寸也會影響橋梁的橫向剛度，當中橫隔板數量一定時，通過改變橫隔板的厚度，由10 cm 逐漸增加到25 cm，來計算跨中橫向分布系數，結果如表5 所示。

表5 不同橫隔板厚度對應跨中橫向分布系數m

由上表可知， 橋梁結構中橫隔板厚度越大，橫向聯系越強，但實例中不同厚度的橫隔板對應的橫向分布系數偏差在3%以內。 跨中橫向分布系數隨橫隔板厚度變化的趨勢如圖7 所示。

圖7 不同厚度中橫隔板跨中橫向分布系數m

（4）橫隔板混凝土強度

除橫隔板的數量分布及厚度外，橫隔板的強度大小也決定著橫向聯系的強弱，影響橋梁結構的橫向分布。 所以在橫隔板的數量和尺寸不變的前提下，通過改變橫隔板混凝土的強度等級，由C20 逐漸增加到C50，計算跨中橫向分布系數，得到結果如表6 所示。

表6 橫隔板強度對應跨中橫向分布系數

由上表可知，橋梁結構的橫向剛度隨著橫隔板強度的增加而增加，橫隔板強度越大，橫向聯系越強，但實例中不同強度的橫隔板對應的橫向分布系數偏差在1%以內。 橫隔板強度對橫向分布系數的改變影響很小。 跨中橫向分布系數隨橫隔板強度變化的趨勢如圖8 所示。

圖8 不同強度中橫隔板跨中橫向分布系數m

3 加固前后T 梁橋荷載橫向分布

對于無中橫隔板或少中橫隔板的裝配式T 梁橋，采用增設橫隔板的加固方式可以很好改善橋梁結構的橫向分布，增加結構橫向剛度。 對本文工程實例進行加固效果分析，在加固之前對橋梁進行了荷載試驗檢測，各梁片的跨中撓度值采用百分表測量，測點布置如圖9 所示。

圖9 測試截面測點布置圖

在對此橋進行荷載試驗檢測之后，分析跨中各梁片的撓度數據，計算其實測荷載橫向分布系數。荷載橫向分布系數計算結果如表7 所示。 由表可知，經過荷載試驗，此橋實測荷載橫向分布系數與理論建模計算所得值接近，最大偏差在3%以內。

表7 加固前荷載橫向分布系數m 對比

針對單跨簡支裝配式無中橫隔板T 梁橋在橋梁定期檢測中發現4 種典型病害，后經設計單位出具加固方案，在橫橋向增設3 道橫隔板，材料采用Q355B 的槽鋼，通過連接件與主梁連接。 加固后橫斷面如圖10 所示。

圖10 裝配式T 梁橋加固后橫斷面示意圖

按照相關規范，對加固后的裝配式T 梁橋進行荷載試驗檢驗，測點布設同上次荷載試驗方案。 荷載橫向分布系數計算結果如表8 所示。

表8 加固后荷載橫向分布系數m 對比

由上表可知，加固后的裝配式T 梁橋，實測荷載橫向分布系數與理論計算值較接近，且橋梁結構橫向聯系較好，橫向剛度較大，各主梁協同受力性能有所增強。 加固前后理論與實測荷載橫向分布系數變化如圖11 所示。

圖11 加固前后理論與實測荷載橫向分布系數m

4 結語

（1）針對無中橫隔板的裝配式T 梁橋，使用簡化計算方法和建模計算方法得出荷載橫向分布系數。 對比結果可知，剛接梁法理論上與建模計算結果相吻合，兩者偏差在3%以內。

（2）針對增加橫向聯系的加固方法，通過變參分析，進一步研究了影響橫向分布的因素。 對于無中橫隔板裝配式T 梁橋，增加跨中橫向聯系可有效改善橋梁的荷載橫向分布。

（3）加固后的試驗計算與理論建模計算荷載橫向分布系數曲線吻合較好。 對比理論值，加固后的橋梁橫向分布更均勻，橫向剛度滿足加固設計的要求。

（4）本文僅分析了增加橫向聯系的加固方法對裝配式梁橋的橫向分布影響，對于采用其他的加固方法，各種方法之間加固效果的對比，還需進一步研究。