空心板梁桥的钢横梁加固方法研究.docx

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空心板梁桥的钢横梁加固方法研究

空心板梁桥的钢横梁加固方法研究

Studyonstrengtheningmethodofsteelcrossbeamofhollowslabbeambridge

摘要

在我国在建和已建桥梁中，空心板梁桥占据着很大比重。

近几年，高速公路里程迅速增长，车流量逐渐增大，超载现象层出不穷，许多服役空心板梁桥在没有超过其服役年限就出现越来越多的问题，病害也越来越复杂，拆除重建既不经济也不利于环保，对于日益增长的交通流量也是不允许的。

旧桥加固和改造逐步提上日程，加固方法创新迫在眉睫。

本文以某城市市内桥梁加固项目作为工程背景，分析研究了铰缝破坏病害对服役空心板梁桥的影响，以及相对应的加固理论方法。

本文提出与竖向预应力结合的钢横梁加固法对简支空心板梁桥进行加固和改造。

通过控制铰缝承载力情况，钢横梁道数，竖向预应力钢筋直径以及上锚板的厚度四个关键因数，借助大型通用有限元分析软件Midas/FEA进行数值模拟计算，在有限元模型中变换各关键因数所选参数的大小，在铰缝损坏的前提下，通过计算各种设计参数不同取值得出横向分布系数，以此来评价各种参数选取的合理性。

最后提出了在Midas/Civil中建立验算钢横梁加固空心板模型的方法，通过与Midas/FEA横向分布对比，得到了考虑竖向预应力筋及锚固板的验算模型关键参数，为钢横梁加固空心板的验算提供了一种快速建模方法及其对应的参数选取。

关键词：

空心板梁，钢横梁加固，数值模拟，参数分析

ABSTRACT

InthebuildingandbuildingbridgeinChina,thehollowslabbeambridgeoccupiesalargeproportion.Inrecentyears,therapidgrowthofhighwaymileage,trafficincreases,overloadphenomenonemergeinanendlessstreamofhollowplategirderbridge,manyserviceinnomorethantheservicelifewillappearmoreandmoreproblems,thediseaseismoreandmorecomplicated,thedemolitionandreconstructionisnoteconomicalandenvironmentallyfriendly,butalsodoesnotallowforincreasingthetrafficflow.Thereinforcementandreconstructionoftheoldbridgeshavegraduallybeenputontheagenda,anditisbecomingmoreandmoreurgent.Inviewofthedifferentdiseasesofdifferentbridgetypes,alotofreinforcementandtransformationtheoriesandmethodsareputforward,includingenlargingsectionmethod,stickingsteelplatemethod,stickingcarbonfibermethodandprestressingreinforcementmethod.

Thispaperproposestostrengthenandreformsimplysupportedhollowslabgirderbridgesbymeansofsteelbeamreinforcementcombinedwithverticalprestress.Bycontrollingthebearingcapacityofhingejoints,thenumberofsteelbeamchannels,thediameteroftheverticalprestressedsteelbar,andthethicknessoftheanchorplate,numericalsimulationswereperformedusingthelarge-scaleuniversalfiniteelementanalysissoftwareMidas/FEAinthefiniteelementmodel.Transformthesizeoftheselectedparametersofeachkeyfactor.Underthepremiseofdamagetothehinge,calculatethevariousparametersofthedesigntoobtainthehorizontaldistributioncoefficient,inordertoevaluatetherationalityoftheselectionofvariousparameters.Finally,amethodtoverifythemodelofsteelbeamreinforcedhollowslabinMidas/Civilisproposed.BycomparingwiththeMidas/FEAtransversedistribution,thekeyparametersofthecalculationmodelconsideringtheverticalprestressedtendonandtheanchorageplateareobtained.Checkingtheboardprovidesafastmodelingmethodanditscorrespondingparameterselection.

KEYWORDS:

HollowslabbeamSteelbeamreinforcementnumericalsimulationparameteranalysis

目录

第一章绪论1

1.1空心板梁桥的发展及特点1

1.1.1空心板梁桥概述1

1.1.2空心板梁桥的发展及现状1

1.2空心板梁桥服役性能的发展与特点3

1.2.1空心板梁桥病害特征[2]3

1.2.2空心板梁桥服役性能的发展[3]5

1.3问题的提出及研究意义5

1.4本文的主要研究思路及内容6

第二章混凝土桥梁加固理论7

2.1桥梁加固的必要性7

2.2桥梁加固理论8

2.2.1粘锚钢横梁法[3]8

2.2.2增大截面法[6]9

2.2.3粘贴钢板法[7]9

2.2.4粘贴碳纤维布加固法[8]9

2.2.5增加体外预应力法[4]10

第三章空心板梁桥的钢横梁加固方案设计12

3.1空心板梁桥的钢横梁加固法的特点12

3.2工程背景13

3.3项目方案设计及施工流程14

第四章有限元分析钢横梁加固法设计参数对横向分布影响15

4.1有限元方法介绍15

4.1有限元理论[9]15

4.2有限元建模16

4.3有限元模型介绍17

4.2横向分布系数计算方法19

4.2.1杠杆法[11]19

4.2.2铰接板法[11]20

4.2.3刚接板法[11]20

4.3.4有限元分析法[11]21

4.3研究思路23

4.4铰缝剩余承载能力对横向分布系数的影响24

4.5横梁道数对横向分布系数的影响29

4.6竖向预应力钢筋直径对横向分布系数的影响33

4.7上锚板厚度对横向分布系数的影响38

4.8合理参数的选取42

第五章与竖向预应力筋结合的钢横梁加固法建模方法43

5.1传统钢横梁加固法Midas-Civil建模处理43

5.2与竖向预应力筋结合的钢横梁加固法Midas-Civil建模处理44

5.3两种建模方法结果对比46

第六章结论与展望49

6.1本文取得的主要成果49

6.2有待解决的问题49

致谢51

参考文献52

第一章绪论

1.1空心板梁桥的发展及特点

1.1.1空心板梁桥概述

自上个世纪90年代以来，我国在桥梁建设发展方面取得了显著的成就，目前我国公路桥梁数量已超过80万座，高铁桥梁累积长度超过1万公里。

在现有桥梁现状中，不论是公路桥梁、铁路桥梁还是城市桥梁，其中90%以上的桥梁都是中小跨径的桥梁。

在这些中小跨径桥梁中，预应力钢筋混凝上简支空心板梁桥由于其结构简单、制作工艺成熟、造价便宜、易于装配化施工，同时相对于T梁桥自重较轻、建筑高度较低、用材较省，相对于箱型截面梁桥制作工艺简易、模板需求量小，且单块空心板在运输和吊装过程中稳定性好，因此在实际工程中得到了广泛的运用，是在中、小型桥梁设计过程中普遍采用的结构形式之一。

但简支空心板在设计上还存在一些不完善的地方，比如抗扭能力不足，不能大跨径使用，支座容易出问题以及铰缝处病害较多等。

我国空心板梁桥的基数很大，相应出现的问题也很多，特别是随着交通流量的快速增长以及超速、超重现象的频繁发生，对此类桥梁结构的安全性和耐久性产生了严重的不利影响。

完善设计理论，加强和改革设计理论已迫在眉睫。

1.1.2空心板梁桥的发展及现状

早在20世纪50、60年代，空心板就开始在我国得到应用了。

起初，施工过程受到限制，常用的空心截面是圆形的。

20世纪70年代，交通运输部组织编制了我国第一套装配式空心板桥的标准图，开创了空心板标准化设计和施工的历史。

20世纪70年代由交通部组织交通部第二公路勘察设计院编制了装配式后张法预应力混凝土简支梁标准图。

这套图纸中，空心板变得标准化，其中板宽为1.0m，适用于跨径为8-16m的梁桥中，空心部分为上、下圆弧段、中间为直线段构成的接近圆形或直接为圆形的截面形式，如图1-1所示，这个时期的空心板多为普通钢筋混凝土结构。

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图1-170年代空心板截面

上世纪80年代，空心板桥的设计中，其板间铰缝多采用小企口缝的形式，相邻板块与板块之间的接缝尺寸很小，施工过程中铺设一层钢筋网混凝土，并采用小石子混凝土浇筑，如图1-2。

随后，由于预应力钢筋产生的消去弯矩，使得空心板梁的结构高度大大减小，减轻了板梁的自重。

由于预应力技术的逐渐成熟，空心板梁主要采用了预应力结构体系，并因其突出的经济性和卓越的使用性能，已被广泛应用。

在80年代交通量较小、车辆载重不大的情况下这种空心板梁可以很好地满足交通需求，但是在经过10多年的通车运营后，板梁还是普遍出现了问题。

图1-280年代空心板截面

自上个世纪90年代开始，在公路空心板桥梁中已经开始采用大铰缝。

在铰缝中增加了板与板之间的连接钢筋、缝内抗剪钢筋并加强了桥面铺装钢筋网，大大改善了铰缝的抗剪能力。

同时铰缝内的混凝土可以振捣，改善了混凝土的质量。

结合过去空心板梁桥发展中的经验，为了适应社会的高速发展，交通部颁布并实施了新的宽幅空心板标准图（如图1-3所示）。

这种新的空心板梁板宽在1.25~1.5m左右，这种宽幅空心板直接减少了上部结构所采用材料的数量，大大减少了工程数量，从而节约了工程造价。

同时也减少了下部结构所承受的荷载，对整体结构受力更加有利。

由于板宽的加大使得空心板块的数量减少，减少了运输、施工安装等过程的工序，在提高建设效率的同时也体现出了其良好的经济效益，进一步降低成本。

针对空心板桥在运营过程中普遍存在的单板受力现象，这种宽幅空心板设计时对铰缝尺寸等进行了优化，增加了板桥的横向整体性[1]。

图1-390年代空心板截面

在当前这个经济蓬勃发展的背景下，现代交通量急剧加大，同时伴有车辆超载、超速等现象的出现，对桥梁质量提出了新要求，在施工过程中需要更严格地实施。

空心板桥结构中铰缝构造复杂，处理比较困难，是施工的难点，需要更加关注。

板间铰缝的传力性能与施工质量有较大关系。

若是施工过程中铰缝质量不合格，上部结构空心板承受荷载时，因企口缝横向传力过大，使得企口缝间混凝土受损甚至被剪开，从而导致空心板间横向联系减弱和单板受力情况，危及桥梁安全，成为交通隐患。

由于目前这类空心板桥数量巨大，随着时间的推移，裂缝逐渐增多，在自然环境下空心板内钢筋因为外部原因而锈蚀，且经过多年运营己到了维修加固阶段。

如果全部推倒重建，则费工、费时、耗资较大，并且也要长期中断交通，这对于快速增长的交通流量是不允许的。

1.2空心板梁桥服役性能的发展与特点

1.2.1空心板梁桥病害特征[2]

1.沿企口缝出现纵向裂缝、坑槽和塌陷

桥面铺装层沿空心板企口缝纵向开裂是桥梁结构破坏的典型表现形式。

在车道宽度范围内，空心板接缝处上方桥面铺装层规律性的出现车辙和纵向贯通裂缝，严重时形成一条破碎带。

这种类型的病害通常表现为在行车道上靠近车轮痕迹的空心板接缝上方桥面的纵向开裂；病害程度较为严重时，各空心板企口缝以上桥面整体纵向开裂，并在车轮轨迹线附近加剧，形成局部的网状裂缝，产生桥面铺装麻面松散、破碎和沉降现象，最后造成桥面铺装层局部的纵向沟槽。

2.铰缝破坏。

空心板铰缝病害通常有以下类型：

（1）桥面病害

空心板间的铰缝内存在较大的剪力，铰缝发生破坏时会在沥青混凝土面层内产生较大的剪应力，从而引起不确定破坏面的剪切变形。

或者由于沥青混凝土与水泥混凝土层之间的结合能力差，水平抗剪能力较弱，在水平方向产生相对位移从而发生剪切破坏，导致沿铰缝方向的纵向、横向裂纹。

图1-4空心板桥面破坏

（2）板缝间病害

在桥梁建造过程中，铰的施工是施工的重难点，空心板铰缝同样如此，构造复杂，处理比较困难，与施工质量密切相关。

板缝间的病害形式按病害程度主要包括板缝间渗水、缝间填料脱落、铰缝开裂以及铰缝填料脱空等。

由于空心板间铰缝填料破碎脱落，空心板与板之间发生剪切变形、板间错位，使得板与板之间横向联系减弱，荷载横向分布性能丢失，从而出现单板受力现象，单块板承受的荷载大于设计荷载，使得空心板挠度大大增大，导致其下缘被拉坏，钢筋外露。

板间铰缝破坏时，上部整体结构受力减弱，整体刚度和强度降低。

同时，经过相关统计，当空心板间铰缝发生破坏时，其中92%铰缝两侧的板梁会出现横向裂缝并渗水泛碱。

裂缝渗水泛碱会使得板梁内受力钢筋锈蚀的速度大大增加，进一步降低了板梁的受力性能，可能导致板梁的挠度增加，如果不及时进行补救措施，板梁可能从持续下挠状态发展成塑性变形，严重影响桥梁结构的承载能力和耐久性。

（3）其他方面破坏

包括桥面铺装开裂；伸缩缝脱空；栏杆破损、缺失；空心板梁板底部保护层过薄、梁底纵向裂缝；支座剪切变形、脱空等病害。

尤其是对于关于桥面铺装的病害，由于桥面铺装既保护行车道板不受车辆直接磨损、防止板遭受雨雪侵蚀，还起着分布车轮荷载的作用，有利于荷载的横向传递，桥面铺装产生破损、裂缝等不利情况是必然会对板梁的受力产生不利的影响。

桥面铺装发生不同程度的裂缝或损坏的原因，可分为设计因素和施工因素。

①设计因素包括：

桥面铺装层设计理论不足；桥面铺装层厚度不均匀，部分厚度不够；未完整考虑荷载因素；桥面铺装层配筋率不足；桥面板刚度不够；桥面铺装层混凝土强度不足；排水设计不合理等。

②施工因素包括：

桥面铺装层与梁板粘结不好；桥面铺装层钢筋网定位不准确；桥面铺装层混凝土施工控制不严格；桥面铺装层混凝土养护较差；桥面防水层的影响等。

铺装纵向开裂机理：

运营期间纵向开裂主要原因为桥面温度应力和荷载应力叠加造成；施工期间纵向开裂是温度应力和微差收缩应力叠加造成。

桥面铺装纵向开裂是由于空心板桥的横向刚度小而引起的，板间横向力的传递是由接缝和铺装层共同承担的。

在车辆荷载作用下，板缝之间的路面受到弯剪作用，其中受剪是主要影响因素。

由于受到车辆的长期反复荷载作用，桥面铺装容易发生疲劳破坏，从而沿板缝产生纵向裂缝。

当桥梁受超限车辆荷载作用时，板梁的变形进一步加大，下挠更加严重，加剧桥面铺装纵向开裂。

图1-5空心板梁底病害

1.2.2空心板梁桥服役性能的发展[3]

空心板梁开始服役时，铰缝完好，充分发挥横向分布荷载效应的作用，各板协同受力，各板所分担的最大作用力均小于结构的抗力。

运营期间，由于汽车车轮反复冲击、以及车辆超速超载，在铰缝处出现微小的裂缝，这些裂缝在不断重复的荷载作用下持续扩展，最终贯通形成通缝，至此桥面铺装层上出现纵向裂缝，并随着通缝的扩展而发展。

由于断裂面集料的啮合作用，当裂缝刚出现时，铰缝可以继续传递剪力。

随着荷载的不断增大，裂缝宽度增大。

雨水或桥面水会携带裂缝表面摩擦产生的粘土粉等杂质渗入铰缝裂缝并流下。

雨水或积水中含有二氧化硫、碳酸和其他腐蚀性物质，这些物质与混凝土的化学反应将大大增加铰缝断裂面的破坏速度。

铰缝破坏，横向联系减弱，板梁形成单板受力，作用力增加导致梁体破坏。

1.3问题的提出及研究意义

在我国现存桥梁中，中小跨径公路桥梁中广泛采用了空心板梁作为其上部结构形式，其中空心板包括钢筋混凝土空心板和预应力钢筋混凝土空心板桥。

随着交通量的不断增加，盲目追求经济指标的现象时有发生。

许多中、小跨径空心板梁桥都出现了不同程度的纵向、横向裂缝，以及铰缝脱落、脱空等严重病害，使得主梁的抗弯承载力降低，侧向连接薄弱，大大增大了单板受力的情况。

在自然环境中，混凝土裂缝的进一步发展降低了桥梁结构的使用安全性。

因此，为了确保桥梁整体结构满足承载力及使用要求、确保交通安全畅通，必须要对出现病害的空心板梁桥采取一定的有效加固方案。

由于桥梁的转型和创新赶不上在我国公路交通量的增加，我国危桥数量持续增加。

因此，在未来几年，提升桥梁维修加固技术仍将是我国的桥梁建设的首要任务。

我国幅员辽阔，不同的地区气候和地理条件均不同。

从东海岸到西部山区，桥梁的自然环境是不同的。

针对不同桥梁病害，要提出相应的加固方法。

要从根本上研究各种病害的原因，采用适当的结构形式和可靠的材料，不断改进施工工艺，从源头上遏制或减轻病害的发展，这将有利于保障桥梁结构的安全性和可靠性。

空心板的构造形状、挖空率在很大程度上影响了空心板的受力性能；同时空心板结构不像T梁结构、箱梁结构那样有横隔板使其具有牢固的横向联系，使各梁协同受力、共同变形；空心板之间采用铰接的形式，铰接缝中的开裂现象比较严重，使得板与板之间横向联系薄弱，对整体结构受力不利，对桥梁的安全性、耐久性产生了较大影响。

这些因素都有必要在设计和施工当中引起足够的重视，避免能够避免的问题。

对于空心板梁的加固方法，比较常用的有增大截面、粘贴钢板、粘贴碳纤维等。

如何有效的提高板的承载能力、减少裂缝产生与发展，并在较少的材料消耗下，达到较好的补强效果；桥梁的加固维修，通常会占用车道，造成交通的暂时封闭，如何能够快速并有效的实现空心板的维修加固；这些方面均需要深入的研究[3]。

1.4本文的主要研究思路及内容

本文首先对空心板梁桥受力特点与加固方法进行分析，了解目前公路桥梁的各类病害和加固的迫切形势，在熟悉混凝土结构设计原理、桥梁结构加固基本理论、结构有限元分析理论以及相关规范的的基础上，对重庆市铜梁区全德大桥装配式预应力混凝土空心板梁桥加固工程进行分析研究。

本文的主要研究内容是研究对于本工程实例，通过实体单元建模，对其横向效应影响因数进行分析，包括原铰缝剩余承载能力大小，横梁道数，竖向预应力筋直径，上锚板厚度五个因数，得到各因数对钢横梁加固法加固效果的影响大小，找出关键影响因数，并能满足设计要求，投入实际施工过程。

第二章混凝土桥梁加固理论

2.1桥梁加固的必要性

交通设施是国家发展的重要基础设施，他关系到我国经济和社会的发展，钢筋混凝土桥梁在交通设施中占有很大比例，特别是山区高速公路，起到至关重要的作用。

改革开放以来，我国大兴土木，修建了很多桥梁，在20世纪末修建的桥梁，很多质量出现问题，由于当时勘察、设计、施工等技术还不太成熟，加上现在公路交通量不断增加，车型趋于重型化，公路桥梁负荷急剧加重；加上旧桥部分老化，损坏或受原设计荷载标准的限制，普遍存在桥梁承载力不足的情况，许多现有的老桥已经不能满足当今社会交通量的要求，这些问题不仅影响到桥梁的正常使用，严重的还会危及人民安全、带来巨大的损失，为了适应现代交通量的需要，满足现行桥梁设计规范要求，必须对旧桥进行加固处理[5]。

据中国交通运输部数据显示，2015年按使用年限分我国公路危桥数量全国总计达到76483座，其中排名前十的城市分别是河南，江苏，湖北，黑龙江，江西，山东，河北，内蒙古，贵州，安徽；排名第一的河南12465座，排名第十的安徽2195座。

图2-12015年按使用年限分我国公路危桥数量统计

对于公路旧桥，如果全部毁掉重建，必然会影响交通，从而影响当地的经济，因此不可能全部毁掉；如果通过采用适当的桥梁加固方法，可以恢复甚至提高旧桥的极限承载力及交通能力，延长桥梁的使用年限，满足现代交通运输的需要。

据统计，采用桥梁加固方法以满足流通量需求所花费的人力物力，仅为新建桥梁的10%一30%。

现在，作为新时代桥梁工程师，不仅要在建设超大跨径桥梁上有所创新，还应该提出一些创新的桥梁加固方法。

2.2桥梁加固理论

加固桥梁的方法有很多种，根据设计规范要求，可分为两类，一类是减小作用力，比如增加桥墩，可以有效减下弯矩和剪力，从而减小截面的正应力和剪应力，使桥梁承载力满足规范要求。

另一类是增大截面抗力，通过增大梁高、钢筋数量或者二者同时增大，从而增加控制截面的承载力，进而使得桥梁整体功能增强，满足设计要求。

第一类加固方法有简支梁转连续梁法、桥面连续加固、粘锚钢横梁法；第二类加固方法有增大截面加固法、粘贴钢板加固法、粘贴纤维复合材料加固法、体外预应力加固法等等。

2.2.1粘锚钢横梁法[3]

粘锚钢横梁法主要用于铰缝受损的装配式空心板梁，对于铰缝受损的空心板桥而言，板之间的剪力失去传递介质，形成单板受力；增设钢横梁作为新的剪力传递介质，极大的提高了空心板桥的横向整体刚度和荷载横向分布系数。

钢横梁的作用代替铰缝的作用，传递剪力，减小荷载横向分布系数，从而减小每片板的内力，“单板受力”现象得到改善。

粘锚钢横梁法如图2-2所示：

图2-2粘锚钢横梁法示意图

2.2.2增大截面法[6]

增大混凝土截面加固技术是在原混凝土结构基础上再浇筑一定厚度的钢筋混凝土，主要用于较小跨径板桥。

增大混凝土截面一般采用2种方式，一种是加厚桥面板，需凿开铺装层在原桥面板上植筋浇筑一层桥面板，在上铺装层；另一种是加大主梁梁肋的高度和宽度。

加厚桥面板进行补强时，原桥面板与新浇筑桥面板形成组合截面，从而提高截面的抗弯刚度。

后者则使梁肋下缘采用钢筋混凝土加宽加高，通常在加大的下缘混凝土截面中加设主筋，用以提高截而的承载力，达到补强加固的效果。

2.2.3粘贴钢板法[7]

粘贴钢板加固混凝土桥梁技术基本不改变原截面的尺寸，具有施工方便、技术成熟、短期加固效果明显且工艺成熟等优点。

粘贴钢板加固法是在混凝土结构受拉面或其他薄弱部位用粘结剂和锚栓锚固钢板，使钢板与混凝土结构整体受力，钢板分担构件的弯矩、剪力，改善钢筋与混凝土的应力状态，提高原结构的刚度，限制裂缝的开展。

当截面抗弯刚度不足时