T型刚构桥转连续刚构体系加固技术研究

摘要

T型刚构桥具有墩梁固结处截面负弯矩较大、悬臂端活载挠度过大等特点，在使用过程中常出现悬臂端挂梁支座损坏、牛腿开裂、挂梁移位，特别是活载挠度过大导致跳车，车辆冲击大，伸缩缝易损坏，行车舒适性很差，经常需要进行维修和加固，但效果不够理想。随着交通量的快速增长和通行荷载的增大，桥梁的承载性能越来越不适应目前的使用要求，也产生了其它一些病害。本文采用转换结构体系的改造方法，研究把T型刚构桥变为连续刚构体系的可行性以及相应构造措施等。 本文首先研究提出了把T型刚构桥变为连续刚构体系的基本思路和构造，即为减轻挂梁自重影响，把原钢筋混凝土挂梁拆除改成钢箱梁节段，把钢箱梁与原预应力混凝土T构悬臂梁连接成整体，设计成连续刚构结构体系。同时针对一座背景桥梁，采用Midas Civil建立空间杆系模型，分析了体系转换前后两种结构体系的受力情况，探讨了改造的可能性。通过结构计算分析，得到如下结论：①将T型构体系改造为连续刚构体系后，在活载作用下跨中一定范围内（原挂梁和部分悬臂梁）出现正弯矩，而墩顶负弯矩变小，即在原悬臂梁端部附近底板也出现了拉应力，且在该区域出现原悬臂梁正截面抗弯承载能力不够现象；②体系改造后结构刚度得到提高，活载挠度有明显改善；③在活载作用下墩身弯矩变小了，但在温度变化的作用下墩身弯矩增大了；④改造后结构自振频率变大，动力性能得到了改善等。 根据上述结构分析结果，说明通过一些合理的构造设计有可能实现转换结构体系的目的，但还需要对主梁和墩身进行具体的验算和必要的加固，存在改造的可能性。 为达到结构连续和受力安全的目的，本文进行了体外束和粘贴钢板两种加固方式的研究对比。针对部分区域底板出现的拉应力情况，首先对体外束和粘贴钢板进行了初步的构造设计，探讨了体外束的布置原则、束型、锚固、转向块等构造要求，以及对实施可行性进行了论证。然后对粘贴钢板加固方式进行了具体设计，明确了钢板加固的范围、数量的确定、断面布置等。通过两种加固方法的比较，各有利弊，在存在加固可能的前提下，钢板加固法更便于操作实施。 对于钢箱梁与原悬臂端的连接构造进行了设计研究，提出了使用高强螺栓固结钢箱梁和原混凝土梁，并在钢箱梁内设置后承压板，形成钢-混过渡段。高强螺栓的预紧力使钢箱梁边界面和原混凝土梁边界面紧密贴合，并通过钢-混接触面上的摩擦力传递外力，同时螺杆还可以承受剪力，另外高强螺栓的预应力也可以改善接头处的应力状态。由于钢-混过渡段属于比较重要的区域，而且牛腿难以改造，所以在牛腿上布置竖向锚杆，使钢箱梁界面和混凝土梁界面贴紧。同时，在后承压板和钢箱梁端部之间浇筑混凝土，避免后承压板在高强螺栓的作用下发生局部变形。 最后研究探讨了改变结构体系这种方法的适用性。通过参数化建模的方法批量建立不同跨径、墩高组合的模型进行计算，并对结果进行相关性分析。主跨跨径等其他条件确定时，悬臂根部最大负弯矩、中跨悬臂端最大正弯矩都与悬臂长度、墩身高度呈线性关系；墩底最大弯矩和悬臂长度呈线性关系，和墩高高度的平方呈线性关系。

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Abstract

第1章 绪论

1.1 概述

1.2 原桥概况

1.3 原桥主要病害描述

1.4 T型刚构桥加固研究现状综述

1.5 主要研究内容

第2章 原桥结构受力和验算

2.1 设计标准

2.2 有限元建模

2.3 承载能力极限状态验算

2.4 施工阶段验算

2.5 正常使用极限状态

2.5.1 正应力验算

2.5.2 挠度验算

2.6 墩身验算

2.6.1 承载力验算

2.6.2 裂缝宽度验算

2.7 动力性能分析

2.8 本章小结

第3章 体系转换后的结构受力对比分析

3.1 结构连续的改造措施

3.2 有限元建模

3.3 体系转换前后结构内力对比

3.3.1 恒载

3.3.2 汽车活载

3.3.3 温度荷载

3.3.4 数据对比

3.3.5 荷载组合

3.4 体系转换前后结构应力对比

3.5 体系转换前后挠度对比

3.6 体系转换后裂缝宽度验算

3.7 墩身验算

3.7.1 承载力验算

3.7.2 裂缝宽度验算

3.8 动力性能分析

3.9 本章小结

第4章 加固构造设计

4.1 钢-混过渡段设计

4.2 加固构造设计方法

4.3 钢板设计

4.3.1 钢板长度设计

4.3.2 钢板面积、厚度、宽度设计

4.3.3 裂缝宽度验算

4.4 本章小结

第5章 转刚构体系加固的适用性

5.1 目的

5.2 MCT参数化建模

5.2.1 参数化建模概述

5.2.2 参数设计

5.2.3 Midas Civil参数化建模方法

5.3 挂梁长度与墩身高度对主梁的影响

5.4 挂梁长度与墩身高度对墩身的影响

5.5 主跨跨径对适用性的影响

5.6 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

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