钢桥面板在桁梁桥更新加固中的应用

摘要: 介绍了正交异性钢桥面板在桁梁桥桥面板更新加固中的主要优势: 重量轻、强度高、安装迅速，以及根 除现有病害的细节构造。并且借助三维有限元模型分析，结合实桥试验，考察了钢桥面板与原纵横梁的协同工作 状况。通过不同加载工况对比分析，认为更新的钢桥面板与原纵横梁叠合作用明显，增强了结构刚度，降低了纵横 梁结构的应力，有效增强了既有桥梁的承载能力。 

关键词: 栓焊桁梁桥; 钢桥面板; 加固; 叠合作用 

1 引言 

由于历史局限性，我国早期公路栓焊桁梁桥的 设计荷载等级普遍较低，其桥面系构造为钢纵横梁 上叠加预制混凝土桥面板，由于使用分布数量较少 的刚性剪力键固定，纵横梁与混凝土板之间的叠合 作用较弱。 近十几年来，大部分栓焊钢桁梁桥所通行的车 辆载重及流量均远超原设计水平，并且桥梁结构深 受各种形式病害的侵扰，如桥面板破损导致的钢结 构锈蚀、纵横梁不当连接导致的疲劳裂纹等。在重 载交通的频繁碾压下，位于横梁部位的混凝土板出 现贯通裂缝，使得钢混叠合作用趋微，甚至出现混凝 土板拍打纵梁造成纵梁严重变形的病害，更加剧了 纵梁连接端头的疲劳裂纹。 本文介绍了正交异性钢桥面板在某桁梁桥桥面 板更新加固中的应用与相关的问题。通过建立三维 有限元模型，并结合实桥试验，分析并考察了钢桥面 板与原纵横梁的协同工作状况。 

2 钢桥面板加固实例 

以某跨越黄河的栓焊桁梁桥为例，其上部结构 为下承式平行弦三角体系栓焊桁架，桁高11m，节间 长度8m，主桁横向中心距10m，钢材为16Mn 钢。 经数十年运营，横梁上方桥面板与纵横梁连接已失 效，车行道桥面渗漏水严重，造成桥道横梁端部及其 上翼缘严重锈蚀。由于长期超载，纵梁端头与横梁 连接处，已形成宏观疲劳裂纹，亟需加固补强以策安 全。拟采用正交异性钢桥面板替换原混凝土板的维 修加固方案，其基本特点如下: ( 1) 基本构造如图1 所示。为了适应公路重载 交通，保证钢桥面板的刚度和铺装的耐久性，采用厚 14mm 的顶板，高260mm、厚8mm 的U 型肋。顶板设 置横坡以利于排水。其横梁腹板厚12mm、下翼板厚 16mm，除了在原横梁处布置新横梁外，节间还布置3 道间距2m 的新横梁( 原横梁间距8m) 。新横梁与原 纵横梁间采用高强螺栓连接。钢桥面板在工厂分块 预制，在现场焊接顶板，并用高强螺栓拼接U 肋 ( 2) 采用正交异性钢桥面板减轻了结构的二期 恒载，在不加强主桁构件的前提下可增加活载的受 荷比例。该栓焊钢桁梁桥车行道净宽9m，原混凝土 桥面板恒载每延米6． 1t，钢桥面板恒载每延米仅 4. 1t，对应的最大受拉弦杆的恒载应力分别为 172MPa 和136MPa，而一期恒载产生的应力仅为 62MPa，鉴于该桥所用16Mnq 钢材的设计容许应力 为200MPa，采用钢桥面板方案能有效的降低二期恒 载比重，提高活载比例。 ( 3) 采用U 型加劲肋和较厚的顶板，沿桥梁纵 向U 肋拼接，顶板焊接，极大的增强了桥面系的整 体刚度。横向布置较密的横梁向上支撑U 肋，向下 与纵横梁采用高强螺栓连接，提供了优良的叠合性 能，改变了活载内力在正交异性板、纵横梁和主桁杆 件之间的分配，减轻了主桁受力，提高了承载能力。 ( 4) 消除易产生疲劳裂纹的细节构造。要根除 栓焊桁梁桥纵横梁连接处的疲劳裂纹必须从构造上 改善，保证纵梁传力路径的平顺，并补偿纵梁端头截 面的抗弯能力。由于采用了钢桥面板更换原混凝土 板的方案，其钢桥面板本身刚度较大，纵梁也不再直 接承受活载，因而原纵梁端头的弯矩减小。此为，在 新横梁下翼缘采用特殊的外形设计，即在原纵梁连 接部位下翼缘变宽，以实现鱼形板的构造功能。 ( 5) 钢桥面板由工厂预制安装，质量有保障，所 采用的重防腐涂装能提供20 年的可靠防护，减小了 后期的维护投资，并且施工工期短，大大减轻了中断 交通所造成的经济损失。 

3 协同工作性能分析 

3． 1 有限元模型 由于正交异性钢桥面板在汽车活载下的受力性 能有显著的局部效益，车轮荷载对于正交异性钢桥 面板的作用是主要的研究单元。在分析正交异性钢 桥面板和原有纵横梁之间的协同工作性能时，无需 建立全桥模型，而仅需选取局部范围进行分析。这 里选取三个节间来建立桥面板和纵横梁的局部模 型。 该局部模型的基本参数如下: 正交异性板宽 9. 5m，共含有17 个加劲肋，纵桥向长24m，其小横 梁间距为2m。正交异性板采用Q345qD 钢材，原有 纵横梁采用16Mn 钢，二者材料特性近似处理为等 同。钢材弹性模量和泊松比分别为210000MP 和 0． 3。 为了更好的模拟结构的受力特点，模型采用壳 单元模拟桥面板的各构件。在施加边界约束时，由 于大横梁的约束条件与简支在主桁下弦节点上的约 束十分相近，可在各大横梁一端下翼缘加上三个方 向的位移约束，在腹板上加上竖向的位移约束，在大 横梁另一端下翼缘和腹板端只施加竖向约束以模拟 实际的支撑条件。建成后的有限元模型如图2 所 示。 

3． 2 荷载工况 在考察新老结构的协同工作状况时，分析荷载 依据《公路桥涵设计通用规范》( JTG D60 － 2004) 中 第4． 3． 1 条中第5 款的规定取值。加载时仅考虑车 辆荷载后轴的影响，其重力标准值为2 × 140kN。 3-3 在进行桥面板更换前后纵横梁受力状况的对比 分析时共考虑了2 种工况，纵桥向均布置了两个车 辆的后轮，如图3 所示。

工况1 两组轮载在纵横向 上分别对称于纵桥向中心线和纵向8m 处大横梁中 心线; 工况2 中两组轮载中的外侧车轮在横向上作 用在两个纵梁中间，纵向上一排车轮作用在12m 处 小横梁上。通过两种荷载工况作用下桥面板改造前 后原有纵横梁受力状况对比分析，来考察桥面板改 造后的新老结构共同作用状况。 

3． 3 理论对比分析 对于加固前的结构，考虑到原混凝土桥面板是 预制板预留企口，在纵横梁上采用刚性剪力键与桥 道系结合，其叠合作用甚微。在分析老结构的受力 性能时，不考虑混凝土桥面板的叠合作用，在模型理 论计算时，将荷载直接作用在没有钢桥面板的纵横 梁模型上。而对于加固后的结构，则采用完整的模 型，将荷载直接作用在钢桥面板的相应位置上。 由计算得知各工况轮载作用下桥道系纵横梁的 Mises 等效应力分布，如图4 ～ 图5 所示 3-4 在工况1 作用下，加固前桥道系的最大竖向位 移为9． 523mm，最大应力为106． 764MPa，最大应力 出现在横梁的上翼缘。加固后桥道系的最大位移为 2． 435mm，最大应力为71． 014MPa，出现在与节点板 连接处，整个横梁上翼缘应力明显降低。 在工况2 作用下，加固前桥道系的最大位移为 10． 879mm，最大应力为80． 911MPa，最大应力出现 在从外向里第二根纵梁的上翼缘。加固后桥道系的 最大位移为3． 718mm，最大应力为43． 595MP，出现 在横梁与节点板连接处，纵梁上翼缘应力明显降低。 由理论分析可知，桥面板更换后原有纵横梁应 力和挠度都有较大幅度的下降，说明由于新加正交 异性板与原有纵横梁的协同工作性能良好，原有纵 横梁体系的受力性能得到很大程度的改善。 

3． 4 静载试验结果对比分析 考虑到理论分析中进行了较多的假定，如忽略 了混凝土桥面板的叠合作用，进行荷载实测比较是 有意义的工作。借助加固评估前的荷载试验和加固 完成后的荷载试验，对相同加载工况的结构相应构 件的响应进行分析，可以更加直接的获得桥面板更 换后结构的受力性能，进而得到正交异性板与原桥 道系纵横梁的协同工作状况。 原桥道系内侧纵梁和横梁在桥面板更换前后的 应变对比图分别如图6 所示。通过桥面板更换前后 纵横梁相同测点处试验结果对比可知，内侧纵梁测 点应变最大值由89με 降至12με，横梁测点最大拉 应变由209με 降至147με，最大压应变由187με 降 至34με。可见加固后由于正交异性板与原纵横梁 协同作用，纵梁不直接参与受力，其应变显著下降。 而横梁由于正交异性板将荷载传递分配，其应变的 变化幅度也明显降低。 

4 结论 

正交异性钢桥面板在早期桁梁桥桥面板更新加 固中具有较大的优势: 重量轻、强度高、安装迅速，以 及根除现有病害的细节构造。本文通过建立局部的 三维有限元模型，结合加固前后的实桥试验，考察了 钢桥面板与原纵横梁的协同工作状况。通过对比分 析可以发现，当混凝土桥面板更换为正交异性钢桥 面板后，无论在试验的情况下还是在按照规范进行 模型加载的情况下，原有纵横梁内应力均相对变小， 原有纵横梁的受力状况得到很大程度的改善，说明更 换后的正交异性钢桥面板与原有纵横梁协同工作状 况良好。因此，对于需要更新破损混凝土桥面板的栓 焊桁架桥正交异性板加固方案是一个不错的选择。

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