CN111139751A - 一种面向多目标的既有空心板梁桥承载能力提升方法 - Google Patents

Abstract

一种面向多目标的既有空心板梁桥承载能力提升方法，涉及一种桥梁承载能力提升方法。拆除原有桥面铺装；空心板梁底纵向连续粘贴跨缝式组合板；建立桥面铺装与主梁之间连接的渐变式刚度计算模型，确定刚性连接件与柔性连接件的布置范围，并进行相应的布设；空心板上方铺设并固定双层受力钢筋网；浇筑混凝土铺装层，实现非均匀刚柔混合连接。桥面铺装按照渐变式刚度计算模型进行计算，采用非均匀的刚柔混合连接方法将桥面铺装与空心板梁有效结合连接起来，并在空心板梁底部纵向连续粘贴跨缝式组合板，有效提高既有空心板梁桥的纵向抗弯、纵向抗剪、横向抗弯以及横向抗剪承载能力。

Description

一种面向多目标的既有空心板梁桥承载能力提升方法

技术领域

本发明涉及一种桥梁承载能力提升方法，尤其是一种面向多目标的既有空心板梁桥承载能力提升方法，属于桥梁加固技术领域。

背景技术

据《2018年交通运输行业发展统计公报》显示，截至2018年底，已建成公路桥梁85.15万座，累计5568.59万米。随着交通荷载的日益增加与桥梁结构性能的正常衰退，致使部分桥梁无法满足正常使用的要求，尤其是空心板梁桥，纵向铰缝破损几乎出现在所有此类型桥梁的病害中，致使多片梁之间的横向连接性能下降，严重时将会发生单梁受力，加剧了桥梁的破坏，存在巨大安全隐患。

对于空心板梁桥铰缝破损的加固方法，基本是通过粘贴横向钢板或张拉横向预应力碳纤维板来实现，但实践表明，效果并不理想。梁底横向粘贴钢板，可提高横向抗弯能力，但横向抗剪能力较弱。张拉横向预应力碳纤维板的锚固工艺复杂，且边梁偏心荷载较大，不利于结构受力。

此外随着使用年限的增加，规范所给的荷载等级也不断提高，并考虑到桥梁出现的种种病害，带来的问题是既有桥梁的纵向抗弯、纵向抗剪、横向抗弯以及横向抗剪均不满足当前规范的设计要求，这对于使用者而言是不安全的，属于工程大忌。尤其是空心板梁桥，跨径较小，对比规范JTG D60-2004与JTG D60-2015，汽车荷载模式的改变对小跨径的空心板梁桥影响尤其明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向多目标的既有空心板梁桥承载能力提升方法，它的桥面铺装按照渐变式刚度计算模型进行计算，采用非均匀的刚柔混合连接方法将桥面铺装与空心板梁有效结合连接起来，并在空心板梁底部纵向连续粘贴跨缝式组合板，有效提高既有空心板梁桥的纵向抗弯、纵向抗剪、横向抗弯以及横向抗剪承载能力。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种面向多目标的既有空心板梁桥承载能力提升方法，包括以下步骤：

步骤一：拆除原有桥面铺装；

步骤二：空心板梁底纵向连续粘贴跨缝式组合板；

沿空心板梁纵向粘贴通长的跨缝式组合板，包括采用高强螺栓固定于梁底的钢板，留有1～3cm的空隙，以及在空隙内注入纤维聚合物；

步骤三：建立桥面铺装与主梁之间连接的渐变式刚度计算模型，确定刚性连接件与柔性连接件的布置范围，并进行相应的布设；

通过理论推导，提出渐变式刚度计算模型，确定刚性连接件与柔性连接件的布置范围，进而实现刚柔混合连接方式，

渐变式刚度计算模型推导如下：

桥面铺装与主梁分别作为受力构件，二者结合形成组合梁，将简支组合梁分为n等份，基本假设如下：

(1)每个微元段内界面连接的抗剪刚度是连续均匀分布的，桥面铺装与主梁之间的滑移量与纵向水平剪应力之间为线性关系；

(2)桥面铺装与主梁的弯曲曲率相等，即桥面铺装和主梁间的竖向掀起为零；

(3)组合梁受力后桥面铺装和主梁为弹性工作状态，符合平截面假定，

任取第i个微元段，建立微分方程，

Z—桥面铺装受压区形心轴与主梁形心轴之间的距离；

V—截面剪力，V＝V_p+V_g；

F—截面轴向力；

v_i—单位长度界面剪力，为坐标x的函数，v_i(x)＝K_i·S(x)；

K_i—第i个微元段的界面抗剪刚度；

S—桥面铺装与主梁之间的界面滑移量，

由基本假设(2)得曲率φ，

式中，I_p、I_g—桥面铺装和主梁混凝土截面惯性矩，

交界面上滑移应变ε_g为：

式中，A_p、A_g—桥面铺装和主梁混凝土截面面积，A_p＝bh_pf；

b—组合板截面宽度，

将

和f(x)＝f₀(x)+Δf(x)等式两边分别对x求导，代入式(6)，得到微分方程：

式中，I₀＝I_p+I_g/m，

m＝E_g/E_p，

求解方程

得，

式中，C_i1、C_i2—第i个微元段积分常数，由边界条件确定，

C_i1和C_i2为两个积分常数，为未知数，为解得每个节段的滑移量，现将n个节段分别求解，即出现2n个未知数，在节段与节段之间滑移和滑移应变的连续条件可以获得(n-1)+(n-1)＝2n-2个方程，又因为，

S'(L)＝0，S(L/2)＝0 (6)

综上一共可以获得2n个方程，利用MATLAB编写程序，由式(5)及以上边界条件即可求得相应的滑移量S(x)，连续求解后，每个节段的滑移S_i(x)即可对应表示，

排布形式为靠近梁端位置布置型刚性连接件，靠近跨中位置布置柔性连接件，并且由中间向两端逐渐加密布置；

步骤四：空心板上方铺设并固定双层受力钢筋网；

步骤五：浇筑混凝土铺装层，实现非均匀刚柔混合连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.桥面铺装与主梁之间的纵向抗剪刚度沿桥梁的跨度方向并不是均匀的，针对这种不均匀分布，采用渐变式刚度计算模型，计算出桥面铺装与主梁之间的连接的非均匀布置范围，然后铺设双层受力钢筋网，浇筑高标号混凝土，实现桥面铺装的刚柔混合连接方法，在纵向剪应力大的位置布置刚性连接件，纵向剪应力小的位置布置柔性连接件，更好地契合了桥面铺装的实际纵向抗剪受力，更有效地避免了桥面铺装与主梁之间的滑移，可以减少桥面的普通裂缝和滑移损伤，从而降低铰缝渗水的问题，也可以减少钢材用量，减轻桥梁自重，增强跨越能力；

2.空心板梁底的跨缝式组合板增强了桥梁的横向联系，使得相邻空心板结合成为一个整体，从而有利于桥梁受到荷载时力的传递，其次跨缝式组合板对铰缝清理填充，修复原先的铰缝病害，并在此基础上重新浇筑的桥面铺装和铰缝底部的跨缝式组合板将铰缝包裹，有效降低未来的铰缝病害，跨缝式组合板在铰缝和钢板与梁底的缝隙中填塞纤维聚合物，可以有效增强抗弯抗剪承载能力，达到有效加固的作用。

附图说明

图1是本发明的渐变式刚度计算模型的排布形式示意图；

图2是本发明的跨缝式组合板的安装位置示意图；

图3是本发明的跨缝式组合板的组成结构示意图；

图4是本发明的渐变式刚度计算模型推导中的简支梁微元划分示意图；

图5是本发明的渐变式刚度计算模型推导中微元受力分析示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在实际桥梁外观检查中，简支空心板梁桥的铰缝破坏十分普遍，通常表现为铰缝渗水、脱空，这意味着桥梁的横向连接性能已下降许多，随时面临着单梁受力的不利情况。实际荷载试验结果也显示，简支空心板梁桥的横向连接性能较差，即铰缝产生破坏，此时桥面一般产生裂缝，桥梁的抗弯、抗剪承载能力都有所下降。传统的加固仅仅关注于抗弯承载能力的提升，特别是简支空心板梁桥，无法在腹板处粘贴钢板或碳纤维板等，其抗剪承载能力得不到提升，而且仍然存在桥面破损的问题。不仅存在抗剪承载能力较差和桥面破损等问题，横向抗弯承载能力的提升通常通过横桥向粘贴钢板或碳纤维板，这样钢板和碳纤维板的端头锚固在两侧边梁，又加速了边梁与次边梁之间的铰缝破坏。空心板梁桥的加固难于其他形式桥梁的加固，问题迟迟得不到良好解决。

在此基础上，参照图1～图5所示，本发明公开了一种面向多目标的既有空心板梁桥承载能力提升方法，包括以下步骤：

步骤一：拆除原有桥面铺装；

步骤二：空心板梁底纵向连续粘贴跨缝式组合板；

针对空心板梁的加固方法，传统采用两种处理方式：1、纵向粘贴钢板，位于梁底并非跨缝，只能提高纵向承载力无法提高横向承载力，对铰缝破坏无任何加固作用；2、横向粘贴钢板，实现跨缝可提高横向承载力，但由于所粘贴钢板沿桥梁纵向非连续，对纵向承载力没有贡献。为了实现同时提高桥梁横向与纵向承载能力的目的，可考虑纵向跨缝通长粘贴钢板的方式，但是实际上装配式空心板梁桥不同板之间会有错台，若跨缝加固还是采用传统的粘贴钢板工艺，则难以做到钢板与主梁完全贴合，进而影响其受力整体性，其加固效果将会大打折扣。

因此，本发明提出沿着桥梁纵向粘贴通长的跨缝式组合板，具体结构参照图2、图3所示，首先采用高强螺栓将钢板固定于梁底，并留有1～3cm的空隙，其次在主梁与钢板的空隙内注入纤维聚合物，部分纤维聚合物将会进入破损的铰缝，使其充分形成整体更好地共同受力，钢板为20cm宽、3mm厚的条形钢板，长度与梁长一致，钢材采用Q345D。

步骤三：建立桥面铺装与主梁之间连接的渐变式刚度计算模型，确定刚性连接件与柔性连接件的布置范围，并进行相应的布设；

传统方法是等间距植筋，但事实上混凝土桥面铺装与主梁之间的纵向剪切刚度沿着跨径方向是不一致的，本发明通过理论推导，提出渐变式刚度计算模型，在此基础上，确定刚性连接件与柔性连接件的布置范围，进而实现刚柔混合连接方式，以更好地达到安全性与经济性的目的。

关于渐变式刚度计算模型的推导如下：

桥面铺装与主梁分别作为受力构件，二者结合形成组合梁，参照图4、图5所示，将简支组合梁分为n等份，基本假设如下：

(1)每个微元段内界面连接的抗剪刚度是连续均匀分布的，桥面铺装与主梁之间的滑移量与纵向水平剪应力之间为线性关系；

(2)桥面铺装与主梁的弯曲曲率相等，即桥面铺装和主梁间的竖向掀起为零；

(3)组合梁受力后桥面铺装和主梁为弹性工作状态，符合平截面假定。

任取第i个微元段，建立微分方程，

Z—桥面铺装受压区形心轴与主梁形心轴之间的距离；

V—截面剪力，V＝V_p+V_g；

F—截面轴向力；

v_i—单位长度界面剪力，为坐标x的函数，v_i(x)＝K_i·S(x)；

K_i—第i个微元段的界面抗剪刚度；

S—桥面铺装与主梁之间的界面滑移量。

由基本假设(2)得曲率φ，

式中，I_p、I_g—桥面铺装和主梁混凝土截面惯性矩，

交界面上滑移应变ε_g为：

式中，A_p、A_g—桥面铺装和主梁混凝土截面面积，A_p＝bh_pf；

b—组合板截面宽度。

将

和f(x)＝f₀(x)+Δf(x)等式两边分别对x求导，代入式(6)，得到微分方程：

式中，I₀＝I_p+I_g/m，

m＝E_g/E_p。

求解方程

得，

式中，C_i1、C_i2—第i个微元段积分常数，由边界条件确定。

上式(5)中，C_i1和C_i2为两个积分常数，为未知数。为解得每个节段的滑移量，现将n个节段分别求解，即出现2n个未知数。显然，在节段与节段之间滑移和滑移应变的连续条件可以获得(n-1)+(n-1)＝2n-2个方程，又因为，

S'(L)＝0，S(L/2)＝0 (6)

综上一共可以获得2n个方程，利用MATLAB编写程序，由式(5)及以上边界条件即可求得相应的滑移量S(x)。连续求解后，每个节段的滑移S_i(x)即可对应表示。

排布形式参照图1所示，理论推导结果表明：靠近梁端位置剪切刚度较大，可以布置型钢这类刚性连接件，靠近跨中位置剪切刚度较小，可以布置竖向钢筋这类柔性连接件，并且由中间向两端逐渐加密布置，实际施工中也可分段施工，每施工段取连接件间距平均值以方便施工。

步骤四：空心板上方铺设并固定双层受力钢筋网，钢筋直径采用12mm，钢筋型号采用HRB400；

步骤五：浇筑强度等级为C55的15cm厚的混凝土铺装层，实现非均匀刚柔混合连接。

本发明采用非均匀的连接布置形式，竖向钢筋在桥面铺装中发挥类似于剪力键的作用，竖向钢筋和型钢共同实现桥面铺装的抗剪承载，这种布置形式可以更好的适应真实的剪应力分布，更经济高效地抵抗桥面板上由于车辆移动、桥梁下挠等造成的滑移破坏。与双层钢筋网和高强混凝土形成一个整体后，坚实可靠、连接紧密，可以更有效阻止滑移开裂、车致裂缝等各种病害的发生，从上部阻止铰缝再次渗水，加强了各梁之间的横向联系。底部粘贴的跨缝式组合板将整个桥梁再加固，一方面，通过钢板和纤维聚合物提高了整个桥梁的抗弯承载能力。其次，纤维聚合物对铰缝和梁底缝隙的填充，可以明显增强桥梁的抗剪承载能力。再者，跨缝式的钢板设计和纤维聚合物对铰缝的填充，使得桥梁的横向联系更加紧密，所有空心板更紧密地结合在一起。最后，由于钢板在梁底下部的存在和更坚实的桥面铺装的存在，加上纤维聚合物对铰缝的填充，铰缝被良好的保护了起来，与外界环境基本隔绝，加固后，铰缝会更少受到恶劣环境的侵蚀。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种面向多目标的既有空心板梁桥承载能力提升方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一：拆除原有桥面铺装；

步骤二：空心板梁底纵向连续粘贴跨缝式组合板；

沿空心板梁纵向粘贴通长的跨缝式组合板，包括采用高强螺栓固定于梁底的钢板，留有1～3cm的空隙，以及在空隙内注入纤维聚合物；

步骤三：建立桥面铺装与主梁之间连接的渐变式刚度计算模型，确定刚性连接件与柔性连接件的布置范围，并进行相应的布设；

通过理论推导，提出渐变式刚度计算模型，确定刚性连接件与柔性连接件的布置范围，进而实现刚柔混合连接方式，

渐变式刚度计算模型推导如下：

桥面铺装与主梁分别作为受力构件，二者结合形成组合梁，将简支组合梁分为n等份，基本假设如下：

(1)每个微元段内界面连接的抗剪刚度是连续均匀分布的，桥面铺装与主梁之间的滑移量与纵向水平剪应力之间为线性关系；

(2)桥面铺装与主梁的弯曲曲率相等，即桥面铺装和主梁间的竖向掀起为零；

(3)组合梁受力后桥面铺装和主梁为弹性工作状态，符合平截面假定，

任取第i个微元段，建立微分方程，

Z—桥面铺装受压区形心轴与主梁形心轴之间的距离；

V—截面剪力，V＝V_p+V_g；

F—截面轴向力；

v_i—单位长度界面剪力，为坐标x的函数，v_i(x)＝K_i·S(x)；

K_i—第i个微元段的界面抗剪刚度；

S—桥面铺装与主梁之间的界面滑移量，

由基本假设(2)得曲率φ，

式中，I_p、I_g—桥面铺装和主梁混凝土截面惯性矩，

交界面上滑移应变ε_g为：

式中，A_p、A_g—桥面铺装和主梁混凝土截面面积，A_p＝bh_pf；

b—组合板截面宽度，

将

和f(x)＝f₀(x)+Δf(x)等式两边分别对x求导，代入式(6)，得到微分方程：

式中，I₀＝I_p+I_g/m，

m＝E_g/E_p，

求解方程

得，

式中，C_i1、C_i2—第i个微元段积分常数，由边界条件确定，

C_i1和C_i2为两个积分常数，为未知数，为解得每个节段的滑移量，现将n个节段分别求解，即出现2n个未知数，在节段与节段之间滑移和滑移应变的连续条件可以获得(n-1)+(n-1)＝2n-2个方程，又因为，

S'(L)＝0，S(L/2)＝0 (6)

综上一共可以获得2n个方程，利用MATLAB编写程序，由式(5)及以上边界条件即可求得相应的滑移量S(x)，连续求解后，每个节段的滑移S_i(x)即可对应表示，

排布形式为靠近梁端位置布置型刚性连接件，靠近跨中位置布置柔性连接件，并且由中间向两端逐渐加密布置；

步骤四：空心板上方铺设并固定双层受力钢筋网；

步骤五：浇筑混凝土铺装层，实现非均匀刚柔混合连接。

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