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空心板橋體外預(yù)應(yīng)力加固有限元數(shù)值分析

時(shí)間 : 2023年1月16日分類 :工程百科

引言

　　目前在我國(guó)公路橋梁建設(shè)中，中小型橋梁構(gòu)造物多采用裝配式鉸接板結(jié)構(gòu)。各板問(wèn)通過(guò)現(xiàn)澆的企口混凝土鉸縫聯(lián)結(jié)在一起，從而使作用于某一片板上的局部荷載分配給各板來(lái)共同承受，然而，如果鉸縫或橫向聯(lián)結(jié)失效，則所有荷載將由該板單獨(dú)承受，就形成了“單板受力”狀態(tài)。單板受力狀況的出現(xiàn)，使橋梁的承載能力和耐久性都大大降低，給行車安全帶來(lái)了極大隱患。為有效避免和根治這一問(wèn)題，現(xiàn)越來(lái)越多地采用對(duì)空心板施加橫向體外預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)。而如何采用經(jīng)濟(jì)、有效的加固技術(shù)來(lái)解決橋梁中出現(xiàn)的“單板受力”問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)前橋梁界急需解決的課題。

　
　1、工程背景

　　某環(huán)城高速公路橋梁上部為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板（部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件）結(jié)構(gòu)，跨徑25m，下部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土蓋梁、圓柱式墩、肋板式橋臺(tái)及鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。橋梁上部結(jié)構(gòu)橫斷面布置圖見圖1所示

　　

　　該橋投人運(yùn)營(yíng)已10年多，定期檢查發(fā)現(xiàn)該橋存在許多病害，首先預(yù)制板問(wèn)鉸縫松動(dòng)、脫落，以致空心板底面出現(xiàn)較嚴(yán)重橫向裂縫；其次由于鉸縫橫向連接作用降低，在車輪的沖擊荷載作用下，橋面行車道上的瀝青面層普遍存在車轍和縱向貫通裂縫現(xiàn)象，縱向裂縫不均勻地分布在行車道鉸縫的上方，逐漸形成一縱向破碎帶，雨、雪、水等長(zhǎng)期通過(guò)破碎后的鉸縫滲入板底，從而鉸縫滲水痕跡較為明顯翻；另外，該橋空心板底板混凝土缺損、露筋嚴(yán)重，泛堿現(xiàn)象較為普遍。因此為評(píng)估施加橫向預(yù)應(yīng)力后橋梁的整體加固效果，而采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析以模擬加固情況進(jìn)行理論分析計(jì)算。

　　
2、有限元模型建立

　　利用ANSYS軟件對(duì)鉸接板橋建立了空間實(shí)體有限元模型。鉸縫和空心板均采用Solid45單元建立，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)平動(dòng)自由度，對(duì)于板橋的鋼筋不予考慮。對(duì)于裝配式鉸接板結(jié)構(gòu)舊橋而言，由于現(xiàn)澆鉸縫混凝土的收縮，使得鉸縫與空心板處新老混凝土問(wèn)的黏結(jié)性能較差，空心板與鉸縫基本是分離開的，故可近似以為板與鉸縫在上緣處于連結(jié)狀態(tài)，在下緣處是分離的。因此在建模時(shí)，可將鉸縫與空心板分開建立，然后耦合空心板與鉸縫上緣的自由度。

　　預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用二三維桿系單元Link8單獨(dú)建立，橫向預(yù)加力則采用等效溫度荷載施加，桿單元與實(shí)體單元間通過(guò)將同一位置處的節(jié)點(diǎn)對(duì)的自由度耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)結(jié)。

　　對(duì)空心板橋，橫向預(yù)應(yīng)力筋加固的布置順序?yàn)椋涸陧槝蛳?，從橋梁跨中算起，依次在距跨中?m、2m和4m處各設(shè)置一橫向體外預(yù)應(yīng)力筋，共計(jì)5根。在豎橋向，體外預(yù)應(yīng)力筋布置在空心板底下方6cm處的位置，預(yù)應(yīng)力筋的兩端與兩側(cè)邊板相應(yīng)位置處剛性連接，形成體外無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力體系。

　　預(yù)應(yīng)力荷載則按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004）的相關(guān)規(guī)定，按實(shí)際有效的橫向體外張拉應(yīng)力大于鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的40%范同內(nèi)取某一經(jīng)濟(jì)的噸位，本模型計(jì)算中預(yù)應(yīng)力荷載大小設(shè)為173．3 kN/根。

　　分別在空心板Nl～N8號(hào)板縱向跨中處施加豎向單位荷載，先求得荷載橫向分布影響線。汽車荷載布置首先用JTG D60—2004公路一I級(jí)標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載由梁端走向梁尾，根據(jù)時(shí)程位移曲線分析車輛荷載縱向最不利位置，在求得縱向最不利位置后，再按最不利情況進(jìn)行工況布載。

　　

　　汽車荷載采用規(guī)范中的車輛荷載時(shí)，只考慮汽車荷載以點(diǎn)方式傳遞集中力，不考慮輪胎接觸問(wèn)題。

　
　3、實(shí)體模型分析結(jié)果

　　3．1 荷載橫向分布系數(shù)分析

　　為能對(duì)預(yù)應(yīng)力施加后的加同效果進(jìn)行評(píng)估，對(duì)預(yù)應(yīng)力筋加固前后的N1一N4號(hào)板荷載橫向分布影響線進(jìn)行了對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果見圖3所示。

　　

　　為了能對(duì)空心板橋的加固效果進(jìn)行具體評(píng)估，以各板撓度橫向分布影響線豎標(biāo)值的最大值及最小值的差值在加固前、后的變化作為評(píng)價(jià)加固效果的指標(biāo) ，則可以得到空心板施加橫向預(yù)應(yīng)力后的具體加同效果，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

　　

　　通過(guò)以上計(jì)算結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，橫向體外預(yù)應(yīng)力施加后各板的荷載橫向分布影響線變得相對(duì)較為平緩，這表明荷載的橫向分布由相對(duì)集中向變得相對(duì)

　　均勻方向轉(zhuǎn)變，使得各板間的橫向協(xié)同作用得以增強(qiáng)；同時(shí)也說(shuō)明橫向預(yù)應(yīng)力施加后能較大程度地改善裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋荷載的橫向分布規(guī)律，增大空心板橋的橫向剛度和板問(wèn)橫向聯(lián)系I I，從而減少了單板受力現(xiàn)象的發(fā)生，得以對(duì)空心板橋進(jìn)行了加固。

　　3．2 位移分析

　　通過(guò)計(jì)算可以得到在體外預(yù)應(yīng)力筋加同前后，各荷載T況下的結(jié)構(gòu)豎向位移，計(jì)算結(jié)果如圖4（第53頁(yè)）及表2（第53頁(yè)）所示。

　　

　　比較預(yù)應(yīng)力加同前后計(jì)算結(jié)果及位移云圖可知：橫向體外預(yù)應(yīng)力筋加固后，位移云圖有由盆狀向帶狀方向漸變的趨勢(shì)，表明橋梁的橫向剛度增強(qiáng)，板問(wèn)有由鉸接漸變?yōu)閯偨拥内厔?shì)。表明施加橫向預(yù)應(yīng)力后，板間的相互作用增強(qiáng)，加固取得了效果。

　
　4、小結(jié)

　　通過(guò)對(duì)比施加橫向預(yù)應(yīng)力加固前、后的計(jì)算結(jié)果可以看出，對(duì)裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋采用施加橫向預(yù)應(yīng)力的方法來(lái)進(jìn)行加固，能夠較有效地改善其荷載橫向分布規(guī)律，增強(qiáng)空心板橋梁結(jié)構(gòu)間的橫向聯(lián)系，從而減少和避免了單板受力現(xiàn)象發(fā)生，且橫向體外預(yù)應(yīng)力加固效果相對(duì)較為明顯。

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標(biāo)簽：加固、有限元、橫向預(yù)應(yīng)力筋、空心板橋