增加主梁法加固悬臂空心板桥梁优化设计

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摘要：对增加主梁加固悬臂板桥梁进行了研究。以实桥为例，通过对比几种加固方案对板桥横向分布系数的影响趋势，确定最佳加固方案。分析加固前后理论计算数据和实桥实测数据，可见实测数据变化趋势与理论计算变化趋势一致，表明加固方案合理，效果明显，为该类桥梁加固改造设计具有一定的指导意义。

关键词：悬臂板桥；增加主梁；加固；优化设计

带悬臂的空心板相对于普通板有自重轻，宽度易于调整等特点，而在以往公路桥梁建设中得到广泛应用，尤其在变宽桥梁中使用更广。但是，悬臂板一般板边缘较薄，横向联系较差，这类桥梁在经过多年运营后普遍出现了铰缝纵向开裂、桥面破损等病害，导致结构横向联系变差，单板受力现象普遍，承载能力降低。针对该类桥梁的病害特点，目前通过优化设计，采用加大截面尺寸增加悬臂板厚度，预留纵向湿接缝现场浇筑，并在跨中截面增设横系梁增强结构横向刚度，使结构受力更加均匀。对于在役悬臂板桥，通过加固改造提高其承载力，以满足现有交通需要。如果下部结构质量好，且有足够的承载力，增加纵向主梁加固是一种非常有优势的加固方法，即在悬臂位置将破损桥面凿开，并凿除悬臂利用原结构设置悬挂模板，现场浇筑设计需要的新增纵梁，通过原悬臂钢筋与新增结构钢筋联接，并加强桥面铺装层钢筋使新、旧结构连接成整体共同受力。

增加纵向主梁加固，一方面由于主梁数量增加，使结构活荷载在横向得以重新分配，改善了结构整体受力，减轻了原各主梁的负担；另一方面新增主梁同时增大了整个结构的受力截面，增强了结构本身承载能力。但是，增加主梁数量和主梁截面形式对结构整体受力特性影响较大，本文以实际工程为例，对比分析，提出了一种较优的加固设计方案，对类似工程加固设计具有重要的指导意义。

1 工程概况

某高速公路上一预制安装板桥,单孔跨径13m，单幅宽12m，横向9块板，每块板宽1.31m，板与板之间在翼缘板顶通过桥面铺装层联接。由于桥梁原始设计荷载等级偏低，经过长时间的运营后，出现了如下病害：桥面大面积破损、且在车道分界处沿铰缝出现通长纵向裂缝，相应处主梁翼板破损，混凝土脱落严重，横向传力减弱。加固前荷载试验检测结果显示该桥横向传力系数较小，板与板之间横向联结基本破坏，其承载能力严重不足，需对其进行加固补强。由于该桥翼板破损严重，但下部结构完好，通过综合比较，选取增加纵向主梁方法进行加固。

考虑到增加纵向主梁会加重下部结构的负担，对图1（a）所示的桥梁结构采取四种加固方案进行对比分析，寻求一种比较合理的加固方案，既能改善上部结构受力，又能尽量少增加下部结构负担。

方案一：将全部铰缝处增加主梁（图1（b））；

方案二：分车道增加主梁（图1（c））；

方案三：将铰缝间隔增加主梁（图1（d））；

方案四：将车道处铰缝增加主梁（图1（e））。

2 方案选择

增加纵向主梁加固主要是通过主梁数量增加，使活载在横向得以重新分配而减轻原主梁的负担。通过分析加固对结构荷载横向分布系数的影响，确定合理的加固方案。由于新增主梁截面与原主梁截面的尺寸和刚度不一致，导致采用传统的方法计算十分繁琐，本文借助计算机采用有限元方法建立空间模型进行计算。在跨中截面横向施加移动单位荷载，求得各板挠度与所有板总挠度的比值，确定出各板在最不利时刻所分配的荷载比例，进而确定其横向分布系数。对图1所示结构各板进行编号，原始主梁为1-17单号，新增主梁为2-16双号，结构对称，只需计算1-9号板的横向分布系数，结果列于表1。

由表1可见，新主梁的存在分担了原主梁的荷载，使得各主梁横向分布系数都有不同程度发降低。方案三和方案四中各板分布系数虽都有降低，但是只有新增纵梁两侧板块的分布系数降低较多，且各主梁分布系数差异性增大，原结构最小系数为最大的90.24％，方案三和方案四加固后分别变为58.06％和71.87％，这说明加固后各板在外荷载作用下内力分布变得离散，主要是结构横向刚度在断面上变得不连续而造成；而方案一和方案二中各板分布系数降低幅度比较均匀，且幅度较大，比较方案一和方案二可以看出两者对分布系数影响基本一致，但是方案二由于少增加两道主梁而减小了下部结构的负担，综合比较四种加固方案可见方案二最为合理。

3结果分析

3.1 理论计算结果

采取方案二对结构进行加固，对加固前后结构建立空间实体有限元模型，按车辆荷载加载分析加固对结构内力影响。加固前结构模型为9片空心板铰接，加固后结构模型在原空心板翼板处添加矩形截面梁与原结构铰接，加固前、后计算模型如图2所示。

对加固前、后模型分别施加中载和偏载两种工况进行计算，取挠度作为荷载效应参数进行分析，计算结果列于表2，对比分析见图3和图4。

3.2 实测结果

为了了解实际桥梁加固效果，对实桥按车辆荷载对加固前后桥梁结构进行与理论计算一致的加载方案进行分析。两种工况下结构跨中截面的挠度实测结果列于表2，对比分析结果见图5和6。

3.3 结果分析

对比理论计算结果和实测计算结果可以看出：各种工况下，实测数据比相应的理论值小，但是理论值与实测值在加固后挠度减小趋势是一致的。理论计算偏载作用下加固后平均挠度减小了24.83％，中载作用下加固后平均挠度减小了23.83％；实测偏载作用下加固后平均挠度减小了52.48％，中载作用下加固后平均挠度减小了52.31％。可见加固后各板挠度都相应的变小了，说明增加纵向主梁加固效果明显，改善了整个结构的受力。加固后中载方差减小 ，即各板受力更加均匀，偏载

4.结论

在基础质量完好承载力足够的前提下，增加主梁加固悬臂板桥是一种理想的加固方法。按车道进行增加主梁加固方案最佳，加固后结构在外荷载作用下，荷载效应最大降低了89%，加固达到理想效果。

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