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简支梁桥中横向连接的性能及其加固策略
摘要
评估简支梁桥结构状态的一个关键因素是主梁之间的横向连接的性能，而传统的基于荷载试验结果的评估方法，只能评估桥梁的承载力。为了解决简支梁桥横向连接性能评估困难的问题，根据65座简支混凝土梁桥的荷载试验结果，提出了简支梁桥的两个参数和。根据加载试验结果的统计分析，指定了这两个参数的阈值：当le;0.3或le;1.0时，桥梁结构在横向上表现良好，只需要适当维护；当gt;0.3或gt;1时，桥梁横向性能较差，应采取必要的修复措施。根据和这两个桥梁评估的参数，制定了详细的桥梁加固方法并在13个实地项目中成功实施。桥梁的加固分为以下步骤：(1)拆除桥梁损伤区，(2)铰接点埋设钢筋，(3)安装钢筋网架，(4)混凝土修补。通过桥梁加固前后的对比实验，证明了该方法的有效性。
关键词：简支梁；横向连接；性能指标；加固策略。
简介
桥梁在高速公路网中起着非常重要的作用。大跨度桥梁在施工、养护和管理方面受到了广泛的关注，中小跨度的桥梁， 由于其简单的结构，不善的维护等原因存在一些问题。在美国，小跨度和中跨度的简支梁桥占了总桥数的70%(法尔希，2010年，2014年；伊斯兰等人，2015年)。在中国共计约有公路桥梁779200座，其中大跨度桥梁83406座，中小跨度桥梁695700座。由于中小跨径桥梁数量巨大，所以其结构好坏主导了交通运输的服务性能和基础设施的维护成本。
由于其结构简单，便于工厂制造和现场安装，对建筑设备和技术的要求也较低，箱梁在桥梁工程师设计中小跨径的桥梁时得到了广泛的应用。梁截面的尺寸为宽124厘米高99厘米，桥梁的跨度一般为10米到20米。
预制空心混凝土箱梁通过现浇湿接缝实现铰接以增强其横向的稳定性，因为铰接的横向加固可以忽略不计，所以假设铰接缝只能传递剪力，不能传递弯矩。通过分布系数的运用，可以将桥梁的模型简化成平面（2D）问题。表面状况调查表明，此类桥梁的主要病害是桥面铺装层纵向开裂。此外，梁底板经常出现横向裂缝，铰接混凝土经常出现压碎现象。作为一个改进，铰接缝的形状与原来的形状相比发生了很大的变化，如图1所示。虽然已经取得了改进，但空心混凝土箱梁中的一些问题仍然存在。迫切需要采取更有效的措施。
小铰接缝
铰接缝加大
- (b)
(c） （d）
铰接缝
混凝土箱梁
图1（a）典型的铰接缝; （b）改进铰接缝; （c）空心箱体混凝土梁和原位铰链接头（d）20米长的PC混凝土梁截面尺寸（厘米）
混凝土梁之间的铰接缝由桥面铺装覆盖，内部损伤难以目视观察。一般来说，这种损害可以通过静载试验的挠度应变等静态响应来识别到。由于理论计算中所采用的假设，试验梁的荷载分配系数相对较小。从保守的角度看，计算结果在设计中是可以接受的。但是，从维修角度看，从理论和实验结果对比来得出铰接缝的损伤程度是比较困难的。因此，铰接缝刚开始的损伤往往被忽略，直到这些损伤变得严重，从而失去了最佳的修复机会。当有损伤的桥梁超载时，就会产生事故。相关专业人员调查结果表明，引起这些事故的主要原因铰接缝的损坏。
2006年以来，作者对113座简支梁桥进行了调查和评价。对其中65座桥梁进行了荷载试验。对13座桥梁加固前后都进行了荷载试验。在测试结果的基础上，采用统计分析的方法对遇险特征进行了分类，并确定了振频与结构特征之间的相关性。提出了评价铰接缝的性能指标。最后，通过几个实际项目提出并详细的验证了了铰接缝的加固策略。
桥梁病害的统计分析
自2006年以来，作者对100多座简支桥梁进行了检查。他们发现，主要的病害通常出现在路面、主梁和铰接缝处。路面的病害主要是车辙坑洞、沥青破碎和纵向裂缝如图2所示（a）（b）。梁体的病害是混凝土保护层的剥落、钢筋的锈蚀和梁的裂缝。如图2(C)所示。对于横向连接，铰接缝的漏水是最主要的问题，如图2(D)所示。铰接缝的损伤由于其位置的关系，很难从外观检测中识别出来，因此经常需要进行荷载试验。在初始阶段，铰接缝的漏水可以定性地认为是接缝损坏的标志。为了清楚起见，每一种损坏都用数字来标记填入表1，此外，沥青在路面上的破碎被确定为p4
在被调查的113座桥梁中，有50座出现路面病害，30座在路面上出现纵向裂缝，如图3(A)所示；73座桥梁出现了结构病害(包括横向连接)，其中39座在铰接缝处漏水。如图3(B)所示。
根据对已发现的100多座桥梁的病害的统计分析，这些病害可分为五类，如表1所示，在这些类别中，I型、II型、IV型和V型是非结构型的，以每次只需要进行适当的维护，第III类是结构变形，需要进行适当的强化修理。
图2.简支梁桥的典型故障：（a）桥面铺装纵向裂缝；（b）碾压混凝土沥青；(c)梁裂缝；(d)漏水AG铰链接头
表1.桥面铺装与桥梁中常见病害类型的组合
注：P0表示路面无病害；P1代表桥面铺装层纵向裂缝；P2代表车轮车辙；P3代表坑洞；S0表示梁内无病害；S1 表示铰接缝漏水；S2代表混凝土保护层剥落和钢筋锈蚀；S3代表梁裂缝。如果路面和大梁没有任何病害那么编号是VI。
图3.简支梁桥的比较损伤分布：(A)桥面铺装的损伤分布；(B)桥梁的应力分布
图4.六种典型病害的统计结果及结构校正因子
荷载试验和结果
荷载试验的方法
一般情况下，现有桥梁的结构性能通常是通过进行荷载试验来评价的。在这些测试中，桥梁在车辆荷载下的挠度和应变等静力响应是主要采集的数据。并采用结构定标因子zeta;对桥梁的综合结构性能进行了评价。zeta;可按如下方式计算：
其中和分别为梁在试验荷载作用下的静力弹性响应和理论计算。当zeta;lt;1.0时，可以证明所测得桥是安全的。
在简支梁桥梁的荷载试验中，测量了纵向钢筋和混凝土的应变以及桥梁跨中的挠度。根据设计规范和桥梁车道布置的要求，在进行加载的时候要分别进行中载和偏载试验。
荷载试验结果
在过去的10年中，作者对前面提到的65座桥梁进行了测试。65座桥梁的跨度从4米到30米不等。图4给出了典型五种缺陷的统计结果和结构校正因子。其中34座桥有不同程度的缺陷，有20座桥有III型损坏，20座桥有IV型损坏。34座危重桥中，zeta;gt;1.0的桥梁6座，其中Ⅰ型1座，Ⅲ型5座。可以认为上述三类病害是桥梁横向结构完整性恶化的主要原因。
在zeta;lt;1.0的情况下，有15座有Ⅲ型病害的桥梁。经过长期监测，发现这些桥梁横向结构性能较差. 作为结果，非常需要桥梁来验证评价铰接缝的新指标是否正确。
为了更详细地说明这一问题，本文以珊瑚沙桥为例。该桥梁的总长度为208.6m它包括一个8米长的钢筋混凝土梁和10个20米预应力混凝土（PC）梁组成，九根主梁沿桥横向排列。2010年对这座桥进行了详细的检测。结果表明，该桥多跨出现路面纵向裂缝和铰接缝漏水现象。自那时以来，已经进行了几次修理旨在提升其结构性能。然而，这些病害仍然存在。2015年，对这座桥进行了荷载试验。如图5所示，试验结果表明，梁中的所有zeta;均小于1.0，但这些因素的分布表明桥梁的完整性和梁的性能较差。
梁号
挠度（mm）
红色为计算值，黑色为实测值
图5.荷载试验间结构校准系数的比较和计算
实例研究表明，标定因子不能评价桥梁的横向完整性，需要更合理的指标。
如前所述，铰接缝的损伤与梁的静态响应之间存在密切的关系。然而，桥梁的横向完整性不能用结构校准因子zeta;来评估。
对于简支梁桥的计算，可以将桥梁的三维结构模型简化为具有横向分布系数的二维模型。由于这种简化，实测的横向连接的刚度是大于理论值的。因此，梁的横向挠度的斜率小于理论的斜率。基于此分析，主梁横向偏转的斜率差异的平方
在测试结果和计算结果之间可以用作基本指标。指标可以用下式计算。
图6.平均横向完整性指数的统计分析：（a）在lt;1.0；（b）中的平均横向完整性指数gt;1.0
连续测试数据
图7.横向完整性指数PM的统计分析：(a)4lt;1.0;(b)在gt;1。
其中和分别等于试验梁和理论梁的横向挠度的斜率；=的平均值；=的最大值；j=简支梁桥主梁的数量。
结合简支梁桥检测到的五种典型病害以及提出的横向完整性评价指标，对65座桥梁的荷载试验结果进行了统计分析。遇险类型与故障类型之间的关系评价指标见附图.6(a)和图7(a)。这些数据可以确定这两个指标的两个界限：为0.3，为1.0。当小于0.3或小于1.0时，桥梁在横向上表现良好，只需少量维修；当较大时，大于0．3，大于1.0时，桥梁横向结构性能较差。铰接缝漏水、路面纵向开裂等病害开始出现时，应采取必要措施进行修补。
当zeta;大于1.0时横向完整性指数如图6(b)和图7(b）所示，这些桥的主要问题是铰接缝漏水和路面开裂。横向完整性指数远超过界限值，因此应及时采取适当的措施来阻止进一步的损坏。
加固维修方法
加固策略
如前文所述，路面纵向开裂和铰接缝漏水对简支梁横向完整性影响最大。为修复这些病害，我们采取了以下的方法，如图8所示
图8修复影响简支梁桥横向完整性的病害
细节设计
建立在对超过100座简支梁桥病害的分析和整理的基础上提出了一种如下的修复方法：
1.拆除桥梁中损坏的区域。铰接缝两侧的路面应被拆除，损坏的钢筋网架也应拆除。两侧的铰接缝应清理干净
2.将钢筋嵌入到铰接缝中，在铰接缝的损坏处两侧的梁顶部嵌入闸形钢筋。钢筋的直径不应小于20mm。钢筋间距不应大于300 mm，埋设深度不应小于150 mm。。此外，安装在路面上的闸形钢筋和钢筋网格应焊接在一起，以确保铰接缝节点、路面和梁之间的完整性，如图9所示。
3.安装钢筋格栅。在这些钢筋网中，应使用过1010厘米的B12焊接钢筋来进行编织，浇注混凝土时应在路面安装支撑杆来防止钢筋格栅的变形。
4.修补混凝土，采用自密实的混凝土来修复破损的铰接缝，同时将混凝土的等级提高到C50，浇筑混凝土前，槽缝底部应用环氧树脂封闭。
5.进行回收和养护，混凝土路面浇筑后，在沥青路面施工前应采取防水措施。
B12焊接钢筋 C50混凝土路面铺装
铰接缝中使用B12门型钢筋
钢筋网
图9.铰接缝处的钢筋网：(a)钢筋嵌入和安装钢筋网的示意图(厘米)；(b)钢筋嵌入和钢网就地安装(图像)陈春蕾)
加强成果和评价
采用上述方法修复了13座桥梁，其中包括珊瑚沙桥。为验证该方法的有效性，对加固前后的珊瑚砂桥试验结果进行了对比分析。2010年发现路面有许多纵向裂缝，2011年对这座桥梁进行了维修。使用1年后，再次出现纵向裂纹。2016年，采用该方法修复了珊瑚路桥。在服役几个月后，没有出现明显的破损图10。
图10.2016年路面状况良好(陈春蕾摄)
图11.试验结果与计算结果对梁跨中挠度的比较（横坐标为梁号，竖坐标为挠度单位毫米；绿色代表2011挠度实测值，红色代表2015挠度实测值，蓝色代表2016挠度实测值，粉色代表理论计算挠度值。）
加固前的第3跨
加固后的第3跨
加固前的第4跨
加固后的第4跨
理论计算结果
加固前的第一跨
加固后的第一跨
加固前的第二跨
加固后的第二跨
理论计算结果
图12.加固前后梁中跨试验挠度的比较及计算结果：(a)桥梁的一跨和二跨；(b)桥梁的第三跨和第四跨（横坐标为梁号，竖坐标为挠度单位毫米）
图13.四跨简支梁桥加固前后指标比较：(A)PN；(B)PM（横坐标为梁号，纵坐标为综合评级系数Pm和Pn）
2016年修复后再次进行了一次加载测试，并将测试结果与先前进行的加载测试结果进行了比较，如图11所示。图11表明，实测梁中跨挠度符合理论计算值，表明了通过该方法确实增强了桥梁的横向完整性。
图12给出了四座桥梁加固前后梁跨中跨试验挠度的比较和计算结果。图13对这些桥梁加固前后的评价指标和进行了比较。结果表明，采用该方法进行加固后，桥梁的横向完整性得到了明显的提高。同时，和两项指标均在合理范围内，说明了所提评价指标的可行性。
展望
一般情况下，可以通过荷载试验来检测铰接缝的损伤。在对桥梁进行荷载试验时，应关闭交通服务，避免干扰。同时，一次装载测试的成本约为一万美元，相对较高。采用桥梁挠度在线监测系统，可以对简支梁桥的长期性能进行监测和评价。在线偏转监测仪的主要成本主要用于传感器和数据采集系统，仅为加载测试价格的一半。
此外，所提出的横向完整性指标可与动态称重(WIM)系统一起使用。利用WIM系统，利用所提出的横向完整性指标，可以准确地确定桥梁上的行车荷载。此外，在指定的载荷水平下，铰接缝的损伤状态也可以确定。
结论<!--资料编号：[5593]
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