第5卷 第6期2008年12月铁道科学与工程学报
J OURNAL OF RA I LWAY SC I ENCE AND ENG I NEER I NG Vo l 5 No 6Dec . 2008
横向体外预应力加固装配式空心板桥的探讨
陈 淮, 张云娜, 葛素娟
1
2
1
(1. 郑州大学土木工程学院, 河南郑州450001; 2. 深圳市综合交通设计研究院, 广东深圳518131)
摘 要:采用数值仿真方法对影响装配式空心板桥加固效果的一些因素进行研究。利用有限元程序M I DAS /Ci v il 建立装
配式预应力混凝土空心板桥整体计算模型, 探讨空心板桥纵向不同位置处施加横向体外预应力的加固效率以及桥梁宽跨比不同时的加固效果。计算结果表明:空心板桥在跨中处施加横向体外预应力的加固效果较两端位置明显; 桥梁宽跨比越小, 加固效率越高。所得结论对该加固方法在工程中的应用有参考价值。关键词:装配式空心板桥; 加固; 有限元法; 横向体外预应力
中图分类号:U 445. 7+2 文献标识码:A 文章编号:1672-7029(2008) 06-0022-04
Strengthen i n g asse mbly slab bridges by imposing transverse external pre-stress
CHEN H uai , Z HANG Yun -na , GE Su-j u an
1
2
1
(1. School of C i v ilEng i neeri ng , Zhengz hou Un ivers it y , Zhengz hou 450001, Ch i na ;
2. Shenzhen C o mm un i cati on s Desi gn and Research Instit u t e , Sh enzhen 518131, Ch i na)
Abst ract :Several factors tha t i n fl u enced strengthening effect w ere stud ied by num erical si m u l a ti o n . Num erical
m ode l of an as se mb l y prestressed concrete slab bridge w as built using soft w are M I DAS /Ci v i. l W hen external transverse pre-stressi n g force w as i m posed to re i n force the bri d ge , t h e difference of reinforce m ent efficiency at different l o ng itud i n al l o cations o f the sa m e slab w as analyzed w hen bridge s ' ratio of w i d th to span was d ifferen. t The analyti c al resu lts sho w t h at the reinforce m ent effic i e ncy of location nearby m id-span is h igher than that a -w ay fro m m i d -span as for the sa m e slab , and that the ratio ofw i d t h to span decreases as t h e rei n force m ent eff-i ciency increases . The analytical results of the tex t can supp l y sign ifi c ant references to the eng i n eering app lication of this re i n force m entm e t h od . K ey w ords :asse mb ly ho ll o w slab bri d ges ; re i n force ; finite ele m ent m ethod (FE M ); transverse external pre-stress
装配式预应力混凝土空心板具有桥建筑高度较低、预制方便、用材经济等优点, 是桥梁工程广
[1]
泛采用的桥型。在20世纪七八十年代所建造的装配式预应力混凝土空心板桥, 存在桥梁承载能力较低, 且空心板间多用混凝土小企口缝进行铰接连接的缺陷。随着我国经济高速发展, 重型车辆和超载车辆出现频繁, 近年来, 装配式空心板桥经常出现沿空心板间企口缝的纵向裂缝、坑槽和塌陷, 且空心板间铰缝处混凝土破碎、脱落、大面积渗漏, 致使板间横向联系失效, 出现单板受力现象, 严重影响行车安全, 成为整条公路交通的瓶[2-6]颈。因此, 对这类病害桥梁进行加固研究具有重要的工程实用价值。
针对装配式预应力混凝土空心板桥的单板受力现象越来越严重的现况, 可通过施加横向体外
*收稿日期:2008-06-10
预应力筋来对其进行加固以提高空心板桥整体[7]
性。该加固方法的加固原理是:采用在装配式空心板桥的板底增设横向体外预应力筋, 对装配式预应力混凝土空心板桥进行加固, 使空心板的横向下缘混凝土处于受压状态, 从而平衡横向弯矩; 变铰接板结构形式为刚接板结构形式, 使空心板间可以同时传递竖向剪力和弯矩, 以增强装配式空心板桥的横向联结能力; 由于空心板的横向联结从铰接变为刚接, 改善了桥梁的荷载横向分布, 有利于各空心板共同分担行车荷载, 因此, 可提高装配式预应力混凝土空心板桥的整体承载能力。
装配式空心板桥出现铰缝处的顺桥向裂缝的原因是铰缝抗剪强度不够, 铰缝的抗剪强度除了受混凝土质量影响以外, 在很大程度上取决于新旧混凝土间的粘结力和摩阻力, 其中摩阻力=垂
基金项目:河南省自然科学基金资助项目([1**********]0)
作者简介:陈 淮(1962-), 男, 河南淮阳人, 教授, 博士, 从事桥梁结构分析研究
第6期陈 淮, 等:横向体外预应力加固装配式空心板桥的探讨
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直力 摩阻系数, 由此可见, 设置横向预应力(即公式中的垂直力) 可以大大增强铰缝的抗剪强度。增加横向体外预应力后, 将使荷载的横向分布模式由铰接向固结方向变化, 有利于提高桥梁总体承载能力。因此, 设置横向预应力可以说是抓住了问题的关键。该方法虽然已在一些实际装配式
[8-9]
空心板桥加固中开始使用, 但人们对该加固方法理论研究较少。在此, 本文采用有限元方法从理论上对影响该法加固效果的一些因素进行探讨, 以便使该加固方法在实际工程中推广应用。
1 计算原理
荷载横向分布影响线的变化趋势可反映出桥梁的加固效果, 本文采用荷载横向分布影响线来探讨不同因素对加固效果的影响。对铰接空心板桥, 按各板挠度、弯矩求得的跨中荷载横向分布影
[1]
响线应该是一致的。所以, 可以按各板同一截面上挠度所占比例来计算此截面上的荷载横向分布影响线, 即:将单位荷载依次加载到某块板的宽度中心处, 计算得到各块板的挠度, 再根据位移互等定理, 即可得到该块板挠度的横向影响线, 根据挠度和荷载横向影响线的关系即可得到该板的荷载横向分布影响线的坐标值。挠度与荷载横向影响线关系的具体推导过程见文献[1]。
i
i =(1)
W
式中: i 为j 号梁中点作用一个单位集中荷载时, 引起i 号梁的荷载影响系数; w i 为集中荷载作用在j 号梁中点时各梁沿宽度方向中点的铅垂位移; W 为各板中点的铅垂位移之和。
计算各片空心板在施加横向预应力前、后的荷载横向分布影响线, 以某片板横向分布影响线最大值与最小值的差值 = m ax - m in 在加固前与加固后的变化 ( ) 作为评价加固效果的指标。
( ) =( 前- (2) 后) / 前。
以某典型装配式预应力混凝土空心板桥为实例, 桥梁跨径为30m, 横向15块空心板, 单板宽1m 。桥梁加固所用的横向体外预应力筋的设置为:在顺桥方向从跨中向两端依次在间距为1m, 1. 5m 和2. 5m 处设置横向体外预应力筋, 共计7根, 横向体外预应力筋在竖向布置在空心板底3. 5c m 处, 预应力筋的两端锚固在两侧边板相应位置的
[9-10]
钢板上。
该桥梁普通钢筋采用 16, 11根/板; 横向预
j
应力筋采用1 7- 15, 共7根; 纵向预应力筋(中
s
板) 采用 5, 108根/板; 纵向预应力筋(边板) 采
s
用 5, 114根/板。桥面板和企口缝混凝土的弹性
4
模量为3. 25 10M Pa , 泊松比为0. 2; 混凝土护栏
4
的弹性模量为2. 80 10M Pa , 泊松比为0. 167; 防
4
水混凝土铺装层的弹性模量为3. 00 10M Pa , 泊松比为0. 2。全桥横截面、空心板的横截面及截面配筋图如图1~3
所示。
图1 全桥横截面
F ig . 1C ross section of the w ho le br idg
e
图2 板横截面
Fig . 2C ro ss sec ti on o f bo
ard 图3 横截面配筋图
F i g . 3S tee l d istr ibut i on of cross-section
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铁道科学与工程学报2008年8月
2 空心板桥纵向不同位置处的加固
效率
桥梁结构计算常用的计算模型有2种:空间梁格体系有限元模型和空间块体有限元模型, 因为荷载的横向分布与各片空心板的联接方式(铰接或刚接) 有关, 与断面的抗弯刚度有关, 为了能较好地反映空心板结构的真实受力和变形情况, 本文运用M I DA S /Civ il 有限元程序, 采用空间8节点6面体块体单元进行有限元建模, 每个块体单元节点有3个平动方向的自由度, 整桥三维实体单元计算模型如图4所示。在有限元建模中, 截面顶板处的普通钢筋区采用钢筋与混凝土的折算弹性模量考虑顶板处普通钢筋的影响, 底部的预应力钢筋采用等效的预应力板带模拟; 桥面板、铰缝、混凝土铺装及护栏等均用实体单元, 横向预应力筋采用只受拉不受压的杆单元。全桥共划分138132个实体单元, 7
[10]
个桁架单元, 164519个节点。由于该桥为简支板桥, 故边界条件为两端简支, 共设60
个支座。
由表1和图5可以看出, 在同等横向预应力荷载水平下, 靠近跨中位置的加固效率比远离跨中位置的加固效率高。这主要与横向预应力筋在纵向的布置方式 跨中附近较集中, 远离跨中较分散有关; 同时, 因在远离跨中位置处有多个支座作用, 这些支座的存在限制了横向体外预应力筋对空心板桥的横向挤压。对于简支的空心板桥, 在竖向荷载作用下, 以受弯为主, 而受弯的最不利位置在跨中, 所以, 跨中处的加固效率高于非跨中的加固效率, 符合物理概念。
3 不同宽跨比对加固效率的影响
分别建立了跨径为16, 20, 24, 27和30m , 宽度均为15m 的预应力混凝土空心板桥的三维实体单元有限元计算模型。各模型的组成材料、截面特征、横向预应力筋的根数和布置均与上相同。5个模型的宽跨比 =b /l依次为0. 94, 0. 75, 0. 63, 0. 56, 0 50。对每个空心板模型, 在各桥纵向跨中处1~8号板的顶部宽度中心分别施加单位集中荷载, 每个集中荷载对应2种工况:单位力; 单位荷载+150kN /根的横向预应力筋荷载, 每个板桥共有16种荷载组合。
计算得到不同宽跨比对加固效率 ( ) 的影响, 见表2和图6(因结构的对称性, 只列出其中4块板的 ( ) ) 。
表2
不同宽跨比时各板的加固效率 ( )
Tab le 2R e i n forcem en t e ffic iency ( ) o f eve ry bo ard fo r
diffe ren t ratio o f w idth to span %
板号1357
宽跨比
0. 9436. 35. 44. 55.
8
820
0. 7538. 40. 50. 63.
6125
0. 6339. 42. 54. 69.
9
618
0. 5640. 44. 55. 72.
8
086
0. 541. 44. 56. 74.
5984
图4 全桥三维实体模型
Fig . 43-d i m ensiona l fi n ite e le m ent m ode l o f the br idge
为了比较纵向不同位置处设置横向预应力筋对空心板桥加固效果的影响和得到桥梁荷载横向分布影响线, 分别在桥梁纵向L /8, L /4和3L /8和L /2处(L为板桥的计算跨度) 的1~8号板的各板横向中心处分别作用单位荷载, 共计32个。对每个单位荷载, 有2种组合:单位力; 单位荷载+150kN /根的横向预应力筋荷载, 共计64种荷载组合。计算得到纵向不同位置对加固效率 ( ) 的影响, 见表1和图5(因结构的对称性, 只列出其中4块板的 ( ) ) 。
表1 纵向不同位置处各板加固效率 ( ) Tab le 1R e i n forcem en t effic i ency ( ) o f every board a t
diffe ren t l ong itudina l p lace %
板号1
357
纵向位置
L /8处36. 040. 348. 657. 3
L /4处39. 2
42. 954. 168. 5
3L /8处41. 0
44. 556. 373. 1
L /2处41. 5
44. 956. 874. 4
1-板1; 2-板3; 3-板5; 4-板7
图5 纵向位置对各板 ( ) 的影响
F ig . 5E ffect o f long it ud i na l place on ( )
第6期陈 淮, 等:横向体外预应力加固装配式空心板桥的探讨
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图6 不同宽跨比对各板 ( ) 的影响
F ig . 6E ffect o f ra tio of w i d t h to span on ( )
由表2和图6可知, 随着空心板桥宽跨比的减小, 在横向体外预应力筋纵向施加位置以及大小相同时, 其加固效率将依次增大, 即空心板桥越窄长, 横向预应力筋的横向挤压力对平衡空心板桥横向弯矩和改善空心板横向下缘混凝土的受压状态越有效, 从而对提高空心板各板间的横向联系和空心板桥的整体性越有利。
4 结 论
1) 对比施加横向预应力加固前后的计算结果可知, 采用施加横向预应力的方法来对装配式预应力混凝土空心板桥进行加固, 能有效改善荷载横向分布, 增加空心板结构横向联系, 避免单板受力现象, 且加固效果明显。
2) 通过对纵向不同位置处空心板桥加固效率的比较可知:在同等横向预应力荷载水平下, 横向体外预应力筋靠近跨中位置的加固效率比远离跨中位置的加固效率高。
3) 通过对5个不同宽跨比的空心板桥计算可知:在同等横向预应力位置和大小时, 宽跨比越小, 加固效果越好, 对改善板间协同工作和板桥的整体性越有效, 即该加固法对窄桥比宽桥更为有效。
增设横向体外预应力体系对装配式预应力混凝土空心板桥进行加固施工简单, 加固效果明显, 根据目前装配式预应力空心板桥在我国分布广泛、使用普遍的现状, 使用此加固技术对存在缺陷的装配式预应力空心板桥进行加固具有很大的实用价值。参考文献:
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