鉸接預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋的空間受力行為及加固分析

項貽強 邢 騁 邵林海 邢 淵 晁春峰

(1浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州310058)

(2華匯工程設(shè)計集團，紹興312000)

傳統(tǒng)的中小跨徑裝配式空心板梁橋的梁間多采用混凝土企口縫進行鉸接連接，并采用光滑鉸接假定的鉸接板法進行設(shè)計計算，但該方法無法對鉸縫的混凝土橫向應(yīng)力等作出正確的分析和估計.隨著交通量的增加，重型車輛和超載車輛出現(xiàn)頻繁，此類橋梁在荷載的往復(fù)作用下常出現(xiàn)沿空心板間企口縫的縱向裂縫，嚴重時貫穿整個縱橋向，致使板間橫向聯(lián)系失效，出現(xiàn)單板受力和橋梁坍塌的現(xiàn)象.因此，對該類型橋進行空間受力的分析，提出相應(yīng)的加固方案，具有重要的工程實用價值.

陳淮等［1］通過Midas/civil軟件建立有限元模型對比分析施加橫向預(yù)應(yīng)力前后的荷載橫向分布影響線的變化，以此對加固效果進行分析，但未從空間應(yīng)力角度闡述其受力機理及加固效果;黃民水等［2］采用梁單元對空心板梁橋建模，分析得出荷載橫向分布規(guī)律，提出了加鉸縫普通鋼筋、改變梁體尺寸、加鋪橋面板的加固方案，其研究同樣缺乏從應(yīng)力角度對空間受力機理的分析，且其提出的加固方案工程實用性不強、加固效果不明顯.金花等［3］采用橫向預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)對板梁橋加固前、后建立有限元模型，通過分析其荷載橫向分布規(guī)律證明采用此方法加固板梁橋效果顯著.國內(nèi)外對此類橋型施加橫向預(yù)應(yīng)力的研究較多［4-9］，但多數(shù)研究僅通過對比計算施加橫向體外預(yù)應(yīng)力前、后的荷載橫向分布影響線、撓度等來評價加固效果，并未從空間應(yīng)力角度以及在板梁橫向設(shè)置不同高度的橫向預(yù)應(yīng)力方案比較其加固效果.本文以某裝配式企口縫空心板橋為背景，建立空間有限元模型進行數(shù)值分析，從空間受力角度探討該類橋梁的空間受力行為及沿縱向企口縫產(chǎn)生的裂縫機理，提出在板梁橫向設(shè)置不同高度的橫向預(yù)應(yīng)力加固方案，并分別從應(yīng)力、變形分布對比，驗證加固效果.

1 鉸縫空心板橋的空間受力分析

1.1 工程背景及模型建立

某典型的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋，單跨跨徑為20 m，橫向共15塊板，每板寬0.99 m，梁高0.8 m，各板間橫向由企口式混凝土鉸縫進行連接，橋面鋪裝為13 cm厚混凝土.普通鋼筋采用Ⅱ級螺紋鋼，構(gòu)造鋼筋采用Ⅰ級圓鋼筋.主梁縱向預(yù)應(yīng)力束采用φs15 mm高強低松弛鋼絞線，每梁布設(shè)17根.

圖1為橫截面布置圖，通過Ansys有限元分析軟件進行建模分析，對板梁采用solid65單元進行單元劃分，縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋采用link8單元劃分，縱向預(yù)應(yīng)力通過初應(yīng)變形式施加，橫向預(yù)應(yīng)力采用等效荷載的方式施加;橋面系按實際厚度(13 cm)實體建模，機動車道護欄采用等效均布荷載的形式施加;鉸縫采用實體單元，考慮實際情況中小鉸縫只在板梁的上部相連，故未加固前將鉸縫模擬為僅在上部企口部分有連結(jié)，模型如圖2所示.

圖1 計算模型橫截面布置圖(單位:cm)

圖2 加固前模型及取值點示意圖

1.2 原設(shè)計(加固前)空間受力分析

計算荷載為

式中，P1為含鋪裝的橋梁自重;P2為縱向預(yù)應(yīng)力;P3為掛車-120偏載.為考察原設(shè)計板梁的受力行為，分析原橋面及板縫處混凝土的開裂原因，取其中最不利的跨中截面進行分析，取各鉸縫A，B兩點作為后處理應(yīng)力路徑控制點，如圖2(b)所示.

經(jīng)過布載計算，當(dāng)按掛車-120偏載布置于2#與3#板梁之間鉸縫處時，上部鉸縫底緣橫向應(yīng)力將產(chǎn)生峰值，布載位置如圖3所示.本文加掛車-120荷載時均按圖3布置.

圖3 掛車-120荷載布置圖(單位:cm)

計算荷載下原結(jié)構(gòu)的豎向位移、橫向應(yīng)力云圖如圖4所示.

圖4 計算荷載下原結(jié)構(gòu)的位移及應(yīng)力云圖

由圖4及圖5的橋梁加固前應(yīng)力結(jié)果可見:

圖5 計算荷載下加固前后結(jié)構(gòu)豎向位移及跨中截面各控制點應(yīng)力對比圖

1)在掛車-120荷載作用下，跨中截面鋪裝頂面橫向應(yīng)力最大值達到0.67 MPa(拉)，跨中截面上部鉸縫底緣橫向應(yīng)力最大值達到6.18 MPa(拉)，出現(xiàn)在掛車車輪荷載作用的鉸縫處，此時其應(yīng)力值已明顯大于橋梁設(shè)計規(guī)范規(guī)定的C40混凝土抗拉強度標(biāo)準值［10］(2.40 MPa).跨中截面上部鉸縫底緣剪應(yīng)力最大值達到1.42 MPa，根據(jù)混凝土抗剪強度與抗壓強度之比 0.095 ～0.121［11］，取最小比值0.095計算，可得C40混凝土抗剪強度參考值 τk=0.095 ×26.8=2.55 MPa.因此，上部鉸縫底緣剪應(yīng)力小于τk，由此可得剪應(yīng)力不是產(chǎn)生裂縫的主要原因.

2)橫向拉應(yīng)力沿橫橋向分布相對不均勻，反映了此橋橫向聯(lián)系較差，橫向荷載的傳遞能力不夠.

1.3 縱向裂縫病害機理分析

由以上分析結(jié)果可得，在長期超載和反復(fù)荷載作用下板件鉸縫處橫向應(yīng)力值超過C40混凝土抗拉強度設(shè)計值，將產(chǎn)生裂縫.裂縫由上部鉸縫底緣產(chǎn)生，并不斷向橋面系頂層發(fā)展，致使鉸縫截面更加薄弱.在渠化交通和超載車輛增加的情況下，裂縫擴展連結(jié)，產(chǎn)生貫穿的縱向裂縫.同時，雨水沿橋面縱縫侵入，加快了企口縫混凝土的損壞.橋面鋼筋混凝土鋪裝層和企口縫混凝土損壞的相互影響，導(dǎo)致橫向聯(lián)系失效，出現(xiàn)空心板單板受力現(xiàn)象.

2 加固方案

2.1 加固方案構(gòu)思

針對上述縱向裂縫病害機理，解決的根本途徑是削弱鉸縫處橫向拉應(yīng)力，增強梁間橫向剛度與橫向聯(lián)系，而施加橫向預(yù)應(yīng)力恰能達到上述效果.由此提出采用增設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力體系進行加固和改善橋梁橫向受力的方案.

2.2 加固方案設(shè)計

從受力角度分析，橫向預(yù)應(yīng)力加固應(yīng)在跨中和L/4截面處效果較好.結(jié)合相關(guān)工作及經(jīng)濟性考慮，本文提出在板梁橫向設(shè)置不同高度的橫向預(yù)應(yīng)力2種加固方案(見圖6)，其中鋼絞線均采用φs15.2 mm，張拉應(yīng)力均為 0.6fpk，方案 1、方案 2 的比較見表1.

3 加固方案的受力分析及比較

3.1 加固后的有限元分析模型

橋梁加固時，鑿去橋面鋪裝混凝土，修復(fù)鉸縫并確保板梁在距下部鉸縫底緣30 cm左右高度的混凝土封閉密實，有限元模型見圖7.按方案1、方案2加固后，計算荷載取自重+縱向預(yù)應(yīng)力+橫向預(yù)應(yīng)力+掛車-120，在跨中截面取各鉸縫的A，B，C點作為后處理應(yīng)力路徑控制點(見圖2(b)).

圖6 方案1、方案2橫向預(yù)應(yīng)力鋼絞線布置圖(單位:cm)

表1 橫向預(yù)應(yīng)力布置方案

圖7 加固后有限元模模圖

3.2 計算結(jié)果與分析

在施工過程中，當(dāng)橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋張拉完畢而橋面系未鋪裝時，恒載作用下板梁及鉸縫頂緣拉應(yīng)力及底緣壓應(yīng)力最不利，通過Ansys有限元軟件按施工過程模擬計算，在此施工狀態(tài)下，按方案1、方案2加固，跨中頂緣最大主拉應(yīng)力值分別為－0.01 MPa(壓)、0.01 MPa(拉)，跨中底緣最大主壓應(yīng)力值分別為 11.01 MPa(壓)、11.02 MPa(壓).上述拉、壓應(yīng)力值均小于C40混凝土抗拉、抗壓強度標(biāo)準值［12］0.7ftk=0.7 ×2.40 MPa=1.68 MPa，0.5fck=0.5 ×26.8 MPa=13.4 MPa，滿足控制荷載(掛車)正常使用極限狀態(tài)下的安全性要求.

在計算荷載下，經(jīng)有限元程序分析按方案1、方案2加固后跨中豎向位移、控制點應(yīng)力及分布如圖5所示.由此可得:

1)應(yīng)力峰值 2種加固方案有效削弱了各應(yīng)力峰值.按方案1、方案2加固后，跨中截面板梁上部鉸縫底緣橫向拉應(yīng)力峰值由6.18 MPa(拉)分別減小為 －0.43 MPa(壓)、－0.01 MPa(壓)，鋪裝頂緣的最大橫向拉應(yīng)力由0.67 MPa(拉)分別減小為 －0.03 MPa(壓)、－0.03 MPa(壓)，加固效果明顯，并有充足的安全儲備.跨中截面上部鉸縫底緣豎向切應(yīng)力峰值略有削弱，在遠離車輛荷載作用處的鉸縫豎向剪應(yīng)力有所增加，說明加固后板間傳遞剪力的能力增強.

2)豎向位移 加固前橋梁結(jié)構(gòu)在恒載+掛車-120偏載作用下跨中最大豎向位移為9.9 mm(向下)，按方案1、方案2加固后在相同的荷載情況下跨中最大豎向位移分別為6.9 mm(向下)、7.1 mm(向下).加固后撓度明顯減少，且豎向位移沿橫向分布相對更加均勻.

3)整體性 應(yīng)力、豎向位移的橫向分布曲線表明，加固后各應(yīng)力的橫向分布較加固前均勻很多，橫向聯(lián)系與整體性有較大增強.

3.3 加固方案的比選

為進一步對比加固前后的效果，表2給出了原橋梁在恒載+掛車-120組合作用下加固方式效果的對比.

表2 加固效果對比

由表2可知，方案1對減小跨中頂緣、鉸縫底緣的橫向拉應(yīng)力、主拉應(yīng)力效果更加明顯.方案1中橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋的偏心距較方案2小，預(yù)應(yīng)力附加橫向彎矩在上部鉸縫處產(chǎn)生的橫向拉應(yīng)力較小，有效預(yù)壓應(yīng)力值較大，因此，方案1在削減橫向應(yīng)力幅值上更具優(yōu)勢.結(jié)合2種方案的優(yōu)缺點(見表1)，建議在條件許可時，應(yīng)優(yōu)先選用方案1作為該類橋梁的加固方案.

4 結(jié)論

1)上部鉸縫底緣橫向拉應(yīng)力過大是產(chǎn)生單板受力現(xiàn)象與絞縫處產(chǎn)生縱向裂縫的主要原因.

2)所提出的采用增設(shè)橫向預(yù)應(yīng)力體系加固板梁橋方案，有效削減了車輛荷載作用下跨中截面鉸縫處的橫向拉應(yīng)力峰值，增強了板橋間橫向連結(jié)，有效防止沿鉸縫的縱向裂縫及單板受力的產(chǎn)生.

3)方案1對減小跨中頂緣的橫向拉應(yīng)力效果更加明顯，且在耐久性與安全性方面更具優(yōu)勢.條件許可時，應(yīng)優(yōu)先選擇方案1作為加固方案.

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