T形梁桥加固前后力学性能分析
随着我国轨道交通的高速发展，桥梁建设事业发展迅速，但目前设计人员主要关注桥梁结构的分析、设计和施工方法及工艺，而已建桥梁的检测和加固维修却成为桥梁工程界的薄弱环结。随着时间的推移、重载列车的开行及列车速度的提升，我国在上世纪修建的部分桥梁的承载力、刚度不足的问题日益严重，对列车行车安全造成威胁。然而废除这些桥梁重建新桥，不但要耗费大量的资金，而且会阻断交通。而对旧桥加固，不但比新建桥梁节省60%以上的资金，而且选取合适的加固方法还能保证正常交通。因此，对已有病害桥梁提出行之有效的加固方法，在我国铁路建设发展中具有重要的意义。本文以T型简支梁桥为例，采用MIDAS／CIVH 有限元软件计算桥梁加固前后在中活载作用下的竖向位移和横向位移，检验加固效果。
本文选取京广线上某单线特大桥的3孔32．6m简支梁做为计算工点。主梁采用两片32m后张法预应力混凝土T梁并置而成，桥墩为钢筋混凝土圆形桥墩，桥墩直径1．7 m，基础采用4根1．0 m钻孔桩。加固前桥梁结构示意图如图1所示。
1、加固措施
1．1 桥梁存在的问题
T梁之间有横向联结时，横向联结的主要作用是保证各片主梁能连接成整体，共同参与受力，还要承受横向水平力及偏载等作用。T梁之间的横向联结越强，每片梁承受的荷载就越均匀。如果T梁之间无横向联结或是横向联结较弱，组合T梁中的每片梁的受力会近乎于单梁。加固前，桥梁仅在跨中采用一道横隔板将两片T梁联成一体，这种结构横向联系较弱，当车速提升时，桥梁跨中横向振幅常有超限的情况。
1．2 桥梁加固方法
本文采用加强横向联系以及加大桥墩截面尺寸的措施来加固该桥。对3孔32．6 mT梁桥的加固方案为偏离支座中心线每4 m增设l道横隔板，每跨共增设6道横隔板，加固示意图如图2所示。并且将桥墩的纵向尺寸加宽到1．9 m，横向尺寸加宽到3．7 m，桥墩加固示意图如3所示。
2、桥梁空间有限元模型的理论分析
2．1 建立模型
针对本桥T梁情况，由于其容易发生畸变与翘曲，箱梁畸变计算方法不适于T梁的畸变分析。跨宽比很小的组合型T梁属于深梁，用一般空间梁段单元法分析不合适。鉴于此，本文建模使用的是梁壳组合单元法分析。
桥梁的位移模式采用梁壳组合模型对全桥进行离散，为降低结构的自由度数，引入截面的刚周边假定，考虑截面的翘曲变形，凝聚以后的每片T形粱模型的自由度分别为：梁体上缘横向位移、梁体下缘横向位移、梁体竖向位移梁体上缘纵向位移梁体下缘纵向位移、梁体上端绕竖直轴缘纵向位移Y轴的转角位移梁体下端绕竖直轴Y轴的转角位移。节点4刚接于节点2，节点5刚接于节点6。用同样的方法可求得节点7～ 节点12的约束方程。对于横隔板，采用板单元建模，边界节点分别与节点4，5，i0，11，3，7刚接。单T形和双T形梁的分析模型分别见图4及图5。
两片T梁的分析模型如图6所示。建立此模型的思想如下：将T梁离散为n个梁壳组合单元；顶腹板采用壳单元模拟，底板采用梁单元模拟，墩采用空间梁元建模。
本文采用上述理论，以MIDAS／CIVIL建立加固前后的单梁和墩梁体系单跨的有限元模型。墩底固结为输入墩底6个方向的刚度的方式建模。本文共分析了单梁及墩梁体系加固前后共4种工况。由于篇幅所限，本文只列出加固前后墩梁体系有限元模型示意图，见图7、图8。
2．2 加固前后桥梁刚度对比分析
（1）加固前后竖向刚度对比分析。列车运行时，巨大的冲击作用要求桥梁必须具备足够的强度、刚度与稳定性，以保证列车安全、平稳通行。《铁路桥涵设计基本规范》 规定，简支梁由于列车竖向静活载所引起的竖向挠度不应超过桥梁计算跨度的1／800。本文分别进行了单梁和墩梁体系的加固前后的竖向挠度对比，桥梁静活载采用中活载。通过对两种体系加固前后的模型加载计算，求出其竖向的最大位移，以对其竖向刚度进行检验，计算结果如表1所列
（2）加固前后横向刚度对比分析。由于列车过桥时列车轮对的蛇形运动以及轨道不平顺、车辆轮缘锥度、机车车辆质量和灾祸的不对称等等，使桥梁产生横向振动。《桥规》 规定，在列车摇摆力、离心力和风力的作用下，梁体的水平挠度应小于或等于梁体计算跨度的1／4 000。
本文对32 m简支梁分别进行单梁和墩梁体系的对比分析。计算荷载为列车横向摇摆力100kN，水平风力取1．5 kPa，采用线荷载的形式作用在桥梁腹板平面上。计算结果如表2所列。
3、结论
通过建立32 m 简支梁加固前后的有限元模型进行理论计算。从计算得到的两种体系加固前后的在中活载作用下的位移变化可得如下
（1）加固前，单梁和墩梁体系的竖向和横向刚度虽然均满足设计规范要求，桥梁的竖向刚度有很大的富余，但墩梁体系的横向刚度已经很接近限值，这是非常不安全的。虽然满足设计规范要求，但可能不满足检定规范要求，桥梁加固前现场检测结果也表明列车通过时部分桥梁动力响应值超标。
（2）加固后，两种体系的竖向刚度变化不是很明显，而横向刚度却有显著的提高。说明增加横向连接系的方法能有效地提升组合式T形梁桥的横向刚度。
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