無(wú)鉸縫空心板橋設(shè)計(jì)與仿真分析

周湘君,廖睿軒,王俊杰,胡峰強(qiáng)*

(1.江西省交通設(shè)計(jì)研究院有限公司,江西 南昌330052;2.南昌大學(xué)工程建設(shè)學(xué)院,江西 南昌 330031)

傳統(tǒng)空心板橋設(shè)計(jì)計(jì)算方法采用鉸接板法。該方法計(jì)算荷載橫向分布系數(shù)時(shí),視相鄰板(梁)條之間為鉸接,它假設(shè)接縫處不傳遞橫向彎矩,只傳遞豎向剪力[1-2]。鑒于國(guó)內(nèi)空心板橋出現(xiàn)橫向連接弱、單板受力等普遍病害問(wèn)題,暴露出空心板橋目前存在設(shè)計(jì)理論考慮不周等問(wèn)題。

從施工方面來(lái)講,鉸接縫是空心板橋梁的關(guān)鍵部位,受力復(fù)雜,在鉸縫施工時(shí),施工單位往往無(wú)法做到充分重視施工質(zhì)量,造成鉸縫內(nèi)混凝土振搗不充分,或是沒(méi)有嚴(yán)格按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù),導(dǎo)致鉸縫的設(shè)置形同擺設(shè),沒(méi)有起到設(shè)計(jì)預(yù)期的作用,使得橋梁在使用過(guò)程中鉸接縫處容易破壞乃至失效[3]。

綜上所述,為了避免上述缺陷及不足,本文以13 m空心板梁為基礎(chǔ),綜合考慮設(shè)計(jì)、施工等因素提出一種無(wú)鉸縫空心板橋設(shè)計(jì)方法。通過(guò)采用無(wú)鉸縫設(shè)計(jì)并增大空心板寬度和增強(qiáng)橋面鋪裝來(lái)改善該類(lèi)型橋梁結(jié)構(gòu)整體受力。

1 無(wú)鉸縫空心板構(gòu)造設(shè)計(jì)與特點(diǎn)

1.1 截面構(gòu)造尺寸

現(xiàn)有13 m空心板橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通用圖中板梁寬一般為1.25 m,梁高為0.6 m,跨中頂?shù)装搴穸染鶠?.12 m,腹板厚度為0.12～0.24 m。鉸縫寬度為0.1 m左右[4-6]。針對(duì)該類(lèi)型空心板鉸縫傳力性能差、施工質(zhì)量不良的現(xiàn)狀,本文提出一種無(wú)鉸縫空心板橋設(shè)計(jì)方法,在現(xiàn)有13 m跨徑空心板梁的基礎(chǔ)上,提高單片板梁的剛度和強(qiáng)度,增強(qiáng)橋面鋪裝。該無(wú)鉸縫空心板板梁寬度為1.38 m,梁高0.7 m,腹板厚度為0.18～0.32 m,頂?shù)装搴穸扰c通用圖設(shè)計(jì)取值相同。該無(wú)鉸縫空心板與13 m傳統(tǒng)空心板結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)比詳見(jiàn)表1。

表1 13 m無(wú)鉸縫空心板與13 m傳統(tǒng)空心板結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of structural parameters of 13 m unhinged hollow slab and traditional hollow slab

1.2 預(yù)應(yīng)力鋼束設(shè)計(jì)

現(xiàn)有13 m空心板橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通用圖中,中梁一般通長(zhǎng)布置2根4Φs15.2鋼絞線,邊梁一般通長(zhǎng)布置2根5Φs15.2鋼絞線[7]。本文提出一種無(wú)鉸縫空心板橋設(shè)計(jì)方法,在現(xiàn)有13 m空心板梁的基礎(chǔ)上,提高結(jié)構(gòu)整體受力性能。該無(wú)鉸縫空心板橋中梁通長(zhǎng)布置2束4Φs15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線和2束3Φs15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線,邊梁通長(zhǎng)布置4束4Φs15.2預(yù)應(yīng)力鋼絞線。

1.3 混凝土橋面鋪裝

現(xiàn)有空心板橋的結(jié)構(gòu)計(jì)算中,橋面鋪裝僅考慮二期恒載作用,不參與結(jié)構(gòu)剛度貢獻(xiàn)[8]。在該無(wú)鉸縫空心板橋中,橋面鋪裝設(shè)置有10 cm厚的瀝青混凝土鋪裝層和12 cm的C50混凝土鋪裝層。其中板梁間混凝土鋪裝層為混凝土現(xiàn)澆接縫,其寬度為22 cm,其高度可進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化分析。C50混凝土鋪裝層中通過(guò)鋪設(shè)雙層鋼筋網(wǎng)增強(qiáng)橋面鋪裝與橋面板之間的整體性,改善該類(lèi)型橋梁結(jié)構(gòu)整體受力。該無(wú)鉸縫空心板橋混凝土橋面鋪裝設(shè)置如圖1所示。

圖1 混凝土橋面鋪裝示意圖Fig.1 Schematic diagram of concrete bridge deck paving

2 案例分析

2.1 工程概況

某橋上部結(jié)構(gòu)為13 m簡(jiǎn)支預(yù)制空心板梁,單片空心板為本文提出的一種無(wú)鉸縫空心板。橋面寬度布置為0.55 m(防撞欄)+凈21.20 m+0.55 m(防撞欄);橋面鋪裝的設(shè)置為40 mm厚瀝青混凝土抗滑層,60 mm厚中粒式瀝青混凝土,120 mm厚C50混凝土;荷載等級(jí)公路Ⅰ級(jí),車(chē)道設(shè)計(jì)為雙向四車(chē)道。斷面布置圖詳見(jiàn)圖2。

圖2 橋梁結(jié)構(gòu)斷面圖Fig.2 Cross-sectional view of bridge structure

2.2 全橋有限元模型建立

針對(duì)該無(wú)鉸縫空心板橋,其簡(jiǎn)化計(jì)算原理與經(jīng)典的空心板鉸縫法計(jì)算顯然不同,又與小箱梁采用的剛接梁法有所區(qū)別。為真實(shí)模擬實(shí)際受力情況,本橋可采用空間梁?jiǎn)卧M計(jì)算。每個(gè)主梁為縱向的空心板梁,各主梁之間通過(guò)鋼筋混凝土鋪裝層聯(lián)系,可作為虛擬橫梁。虛擬橫梁的高度取混凝土鋪裝層的厚度,虛擬橫梁的寬度取距左右橫梁距離一半的之和[9]?，F(xiàn)澆接縫處混凝土鋪裝層考慮真實(shí)剛度和質(zhì)量,主梁處混凝土鋪裝層由于受到主梁協(xié)同受力的影響,可采取放大剛度方式模擬,并考慮真實(shí)的質(zhì)量。上述模擬與常用的梁格法完全不同,實(shí)際梁格法是將結(jié)構(gòu)截面分割成一個(gè)個(gè)離散的等效梁格分析,梁格法的優(yōu)點(diǎn)是可以考慮彎曲、扭轉(zhuǎn)以及畸變等因素,可以更精確地反映結(jié)構(gòu)的橫向受力狀態(tài)[10-11]。本橋各主梁本身為分離的主梁,且梁格法中虛擬橫梁也不考慮質(zhì)量。

為了更準(zhǔn)確地模擬各片梁間的橫向連接,每片空心板寬度范圍內(nèi)的橫梁采用放大剛度處理,空心板梁間橫梁按真實(shí)剛度模擬[12]。全橋空間有限元模型共有1 483個(gè)節(jié)點(diǎn),1 482個(gè)梁?jiǎn)卧?。瀝青鋪裝和護(hù)欄等二期恒載用均布荷載來(lái)模擬替代其作用。該13 m跨徑無(wú)鉸縫空心板橋全橋空間有限元模型如圖3所示。

圖3 全橋空間有限元模型Fig.3 Full bridge space finite element model

2.3 計(jì)算結(jié)果與分析

對(duì)建立好的無(wú)鉸縫空心板橋全橋空間有限元模型進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)算,將驗(yàn)算結(jié)果與表1所述傳統(tǒng)13 m空心板的驗(yàn)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表2 無(wú)鉸縫空心板與傳統(tǒng)空心板最不利位置設(shè)計(jì)驗(yàn)算表Tab.2 Comparison of design check table for the most unfavorable position of the main beam

由表2可知,該無(wú)鉸縫空心板橋其主梁在各荷載工況下設(shè)計(jì)驗(yàn)算滿足規(guī)范要求,正截面抗彎最不利設(shè)計(jì)值提升了6.0%,斜截面抗剪最不利設(shè)計(jì)值提升了9.5%,分別代表無(wú)鉸縫空心板較傳統(tǒng)空心板抗彎、抗剪性能的提升度。綜上所述,該無(wú)鉸縫空心板橋整體受力性能優(yōu)于傳統(tǒng)空心板橋,結(jié)構(gòu)的承載力得到了提升。為保證結(jié)構(gòu)整體受力性能,充分發(fā)揮混凝土鋪裝層橫向傳力作用,探究該無(wú)鉸縫空心板橋橫向連接性能,須對(duì)混凝土鋪裝層受力狀態(tài)進(jìn)行分析,尤其是對(duì)混凝土現(xiàn)澆接縫進(jìn)行局部計(jì)算分析[12]。

3 板梁接縫局部計(jì)算分析

傳統(tǒng)空心板橋鉸縫剪力傳遞效果差,板梁間橫向連接弱。而該無(wú)鉸縫空心板橋,增大板梁寬度且板梁間通過(guò)混凝土橋面鋪裝施工形成混凝土現(xiàn)澆接縫。為了研究該無(wú)鉸縫空心板橋橫向連接性能,并與傳統(tǒng)空心板橋進(jìn)行比較,需對(duì)板梁間混凝土現(xiàn)澆接縫進(jìn)行局部受力計(jì)算分析[13]。為真實(shí)模擬板梁間混凝土現(xiàn)澆接縫受力情況,以下建立了板梁間混凝土現(xiàn)澆接縫實(shí)體局部模型。

3.1 實(shí)體局部模型建立

根據(jù)橋梁施工順序,空心板梁架設(shè)完成后施工混凝土現(xiàn)澆接縫,混凝土現(xiàn)澆接縫可視作剛性連接縫,因此剛性連接縫受力分析無(wú)須考慮板梁的恒載和預(yù)應(yīng)力作用,且可忽略空心板梗腋對(duì)剛性連接縫受力的影響[14]。為提高計(jì)算效率,根據(jù)最不利原則選擇2片板梁建立剛性連接縫實(shí)體有限元模型作為研究對(duì)象。同時(shí),為對(duì)板梁間剛性連接縫高度進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化分析,初步設(shè)計(jì)2種剛性連接縫構(gòu)造類(lèi)型:其中剛性連接縫構(gòu)造類(lèi)型1為板梁剛性連接縫與混凝土鋪裝齊平;剛性連接縫構(gòu)造類(lèi)型2為板梁剛性連接縫與頂板下緣齊平。

計(jì)算工況根據(jù)剛性連接縫2種設(shè)計(jì)構(gòu)造類(lèi)型及車(chē)輛荷載布置的位置劃分為工況1、工況2、工況3和工況4。

工況1:剛性連接縫構(gòu)造類(lèi)型1+車(chē)輛荷載關(guān)于縫縱向?qū)ΨQ(chēng)布置;

工況2:剛性連接縫構(gòu)造類(lèi)型2+車(chē)輛荷載關(guān)于縫縱向?qū)ΨQ(chēng)布置;

工況3:剛性連接縫構(gòu)造類(lèi)型1+車(chē)輛荷載沿縫邊緣偏心布置;

工況4:剛性連接縫構(gòu)造類(lèi)型2+車(chē)輛荷載沿縫邊緣偏心布置。

采用有限元分析軟件ANSYS建立剛性連接縫三維實(shí)體有限元模型,單元類(lèi)型為solid 45,不計(jì)主梁自重和預(yù)應(yīng)力作用,混凝土橋面鋪裝參與結(jié)構(gòu)受力,瀝青橋面鋪裝作為均布荷載施加。有限元模型網(wǎng)格尺寸控制在0.1 m,共有43 230個(gè)節(jié)點(diǎn),32 760個(gè)單元,網(wǎng)格模型如圖4所示。邊界條件:左側(cè)在支點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)XYZ方向約束位移,右側(cè)在支點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)XY方向約束位移。

圖4 網(wǎng)格劃分圖Fig.4 Grid partitioning diagram

為了方便車(chē)輛荷載加載,根據(jù)車(chē)輛荷載施加的最不利位置以及區(qū)域大小建立等效加載面,并與主梁橋面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行耦合[10]。其中中輪作用于面板上時(shí),局部分布荷載為P1=162.34 kN·m-2;前輪作用于面板上時(shí),局部分布荷載為P2=81.70 kN·m-2;瀝青面荷載為P3=2.30 kN·m-2。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1 工況1計(jì)算結(jié)果分析

工況1剛性連接縫最不利截面第一主應(yīng)力S1和Mises應(yīng)力云圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 工況1第一主應(yīng)力S1Fig.5 First principal stress S1 of condition 1

圖6 工況1 Mises應(yīng)力Fig.6 Mises stress of condition 1

可知,工況1剛性連接縫的第一主應(yīng)力S1為0.03 MPa(拉應(yīng)力為正),最大Mises應(yīng)力為0.358 MPa,均小于C50混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.89 MPa,表明工況1板梁間剛性連接縫混凝土在公路Ⅰ級(jí)車(chē)輛荷載作用下不會(huì)開(kāi)裂。

3.2.2 工況2計(jì)算結(jié)果分析

跨中截面工況2剛性連接縫最不利截面的第一主應(yīng)力S1和Mises應(yīng)力云圖分別如圖7、圖8所示。

圖7 工況2第一主應(yīng)力S1Fig.7 First principal stress S1 of condition 2

圖8 工況2 Mises應(yīng)力Fig.8 Mises stress of condition 2

可知,工況2剛性連接縫的第一主應(yīng)力S1為-0.044 MPa(壓應(yīng)力為負(fù)),最大Mises應(yīng)力為0.357 MPa。計(jì)算結(jié)果表明,工況2剛性連接縫間不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力,表明板梁間剛性連接縫混凝土在公路Ⅰ級(jí)車(chē)輛荷載作用下不會(huì)開(kāi)裂。

3.2.3 工況3計(jì)算結(jié)果分析

工況3剛性連接縫最不利截面第一主應(yīng)力S1和Mises應(yīng)力云圖分別如圖9、圖10所示。

圖9 工況3第一主應(yīng)力S1Fig.9 First principal stress S1 of condition 3

圖10 工況3 Mises應(yīng)力Fig.10 Mises stress of condition 3

可知,工況3剛性連接縫的第一主應(yīng)力S1為0.031 MPa,最大Mises應(yīng)力為0.371 MPa,均小于C50混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.89 MPa,表明工況3板梁間剛性連接縫混凝土在公路Ⅰ級(jí)車(chē)輛荷載作用下不會(huì)開(kāi)裂。

3.2.4 工況4計(jì)算結(jié)果分析

跨中截面工況3剛性連接縫最不利截面第一主應(yīng)力S1和Mises應(yīng)力云圖分別如圖11、圖12所示?？芍?工況4剛性連接縫的第一主應(yīng)力S1為0.029 MPa,最大Mises應(yīng)力為0.37 MPa,均小于C50混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.89 MPa,表明工況4板梁間剛性連接縫混凝土在公路Ⅰ級(jí)車(chē)輛荷載作用下不會(huì)開(kāi)裂。

圖11 工況4第一主應(yīng)力S1Fig.11 First principal stress S1 of condition 4

圖12 工況4 Mises應(yīng)力Fig.12 Mises stress of condition 4

各工況計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表3 各工況計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of each working condition

3.3 剛性連接縫局部分析計(jì)算結(jié)論

采用AYSYS軟件,根據(jù)最不利原則建立該無(wú)鉸縫空心板結(jié)構(gòu)三維實(shí)體有限元模型,并對(duì)2種剛性連接縫構(gòu)造類(lèi)型分別進(jìn)行局部分析計(jì)算。結(jié)果表明工況1、工況2、工況3和工況4第一主應(yīng)力S1均小于混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值1.89 MPa,表明正常使用極限狀態(tài)下板梁間剛性連接縫在公路Ⅰ級(jí)車(chē)輛荷載作用下受力滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求,混凝土現(xiàn)澆接縫橫向傳力性能優(yōu)于傳統(tǒng)鉸縫設(shè)計(jì)[15]。通過(guò)工況1與工況2計(jì)算結(jié)果比對(duì),以及工況3與工況4計(jì)算結(jié)果比對(duì),發(fā)現(xiàn)剛性連接縫高度對(duì)剛性連接縫最不利截面第一主應(yīng)力有影響且高度較高的剛性連接縫受力性能更優(yōu)。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)空心板橋設(shè)計(jì)主要是依靠板梁間有限的鉸縫混凝土傳遞和共同受力的,而這種橋型結(jié)構(gòu)的橫向抗彎性能較弱,導(dǎo)致原有的鉸縫混凝土易于開(kāi)裂、斷裂或彎剪破壞,不能有效地布置車(chē)輛荷載,致使結(jié)構(gòu)單板受力甚至坍塌。本文在現(xiàn)有空心板橋研究理論基礎(chǔ)上,針對(duì)現(xiàn)役空心板橋鉸縫通病,綜合考慮設(shè)計(jì)、施工等因素,采用無(wú)鉸縫設(shè)計(jì)并增大空心板寬度和增強(qiáng)橋面鋪裝,提出一種無(wú)鉸縫空心板橋設(shè)計(jì)與計(jì)算方法。該方法主要是通過(guò)提高單片空心板梁受力性能和增強(qiáng)混凝土橋面鋪裝協(xié)同受力達(dá)到改善空心板橋整體性。相比于傳統(tǒng)空心板,根據(jù)該方法設(shè)計(jì)的空心板涵蓋更廣泛的有效場(chǎng)景,適用于交通量更大的中小跨徑橋梁以及大跨徑橋梁的引橋設(shè)計(jì)。通過(guò)建立梁?jiǎn)卧珮蛴邢拊Ｐ鸵约皠傂赃B接縫實(shí)體局部模型,表明該無(wú)鉸縫空心板橋結(jié)構(gòu)整體受力合理,橫向傳力能力優(yōu)于傳統(tǒng)空心板橋,且正常使用極限狀態(tài)下板梁間剛性連接縫混凝土在公路Ⅰ級(jí)車(chē)輛荷載作用下受力滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求,可為該類(lèi)型橋梁設(shè)計(jì)和推廣運(yùn)用提供理論參考。