橫向預(yù)應(yīng)力加固板梁橋的有限元分析

金 花, 孫立功

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西渭南 714000)

0 引言

據(jù)橋梁病害狀況調(diào)查顯示:大量既有高速公路中常用的板梁橋出現(xiàn)了不同程度的結(jié)構(gòu)病害。該類橋梁的損傷與破壞主要表現(xiàn)為橋面板的板間鉸縫混凝土完全開裂或脫落,造成板之間的橫向聯(lián)系破壞,導(dǎo)致單板承受車輪荷載作用,一般稱這種現(xiàn)象為“單板受力”,單板受力嚴(yán)重破壞了橋梁的整體性,降低了橋梁的承載能力,給行車安全帶來了隱患。如何采用經(jīng)濟(jì)、有效的加固技術(shù)預(yù)防出現(xiàn)“單板受力”和解決出現(xiàn)的“單板受力”現(xiàn)象已經(jīng)成為了有關(guān)部門亟需解決的問題。

1 橋梁概況

該橋橫向由 8塊空心板組成,板間的橫向連接通過鉸縫來實(shí)現(xiàn),橋面寬度為 13.25 m。板的混凝土標(biāo)號(hào)為 C50。本橋采用了橫向預(yù)應(yīng)力加固法,加固設(shè)計(jì)中采用的鋼絞線為 ASTMA416—90a標(biāo)準(zhǔn) 270級(jí)高強(qiáng)度低松弛鋼絞線,公稱直徑為 15.24mm。全橋橫斷面如圖1所示。

圖1 全橋的橫截面圖(單位:cm)

通過對(duì)鋼絞線數(shù)量、布置位置的比較得出橫向預(yù)應(yīng)力加固法中較為合理、經(jīng)濟(jì)的鋼絞線的布置方式是:從跨中向兩側(cè)垂直于橋的縱向軸線對(duì)稱布置,順橋向跨中一束,兩端支座附近各一束,共計(jì) 3束;沿梁高方向橫向預(yù)應(yīng)力筋布置在空心板底偏上 0.4m處(板的中性軸以下且方便打孔的位置),即在梁體空心處打孔穿筋,預(yù)應(yīng)力筋的兩端與兩側(cè)邊板的相應(yīng)位置剛性連接形成一體。為保證錨下局部應(yīng)力不至于過大,在空心板邊板側(cè)面應(yīng)設(shè)置具有一定厚度且大小適當(dāng)?shù)匿摪逡詼p少錨下局部應(yīng)力[1]。

加固設(shè)計(jì)中鋼絞線張拉力,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)的規(guī)定,為保證錨具不松弛,預(yù)應(yīng)力張拉時(shí)實(shí)際有效的橫向張拉應(yīng)力在大于鋼絞線標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的 40%范圍內(nèi)某一經(jīng)濟(jì)的噸位即可,故設(shè)計(jì)張拉控制力為 129.3 kN,已考慮了鋼筋回縮、錨具變形及墊板壓密、預(yù)應(yīng)力鋼絞線應(yīng)力松弛和孔道摩擦等造成的預(yù)應(yīng)力損失[2]。

2 有限元模型的建立

利用 ANSYS軟件對(duì)鉸接板梁橋建立了空間實(shí)體有限元模型[3-4]。

空心板、鉸縫均采用空間 8節(jié)點(diǎn) 6面體單元 Solid45建模,對(duì)于板梁橋的鋼筋不予考慮,每個(gè)節(jié)點(diǎn)有 3個(gè)平動(dòng)自由度。由于現(xiàn)澆鉸縫混凝土的收縮,鉸縫與預(yù)制板新老混凝土的粘結(jié)性差,鉸縫與板基本是分離的,對(duì)舊橋尤其如此,而且此縫只是為板的安放而預(yù)留的縫,依設(shè)計(jì)初衷是可以不填充的,,故可以認(rèn)為板與鉸縫只在上緣處連結(jié),而下緣是分離開的。在建立模型時(shí),可將各板與鉸縫分開建模,然后耦合板與鉸縫上緣的自由度即可。

橋面鋪裝層分上下兩層:瀝青混凝土為上層、水泥混凝土為下層。上層瀝青混凝土層僅作為傳力層和保護(hù)層,不參與受力,故不需要建立該層的模型而只將其作為恒載來考慮;下層水泥混凝土層與原受力結(jié)構(gòu)即與板共同受力,用實(shí)體單元 Solid45來建模。

預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用三維桿單元 Link8單獨(dú)建模,桿單元與實(shí)體單元之間的聯(lián)結(jié)通過將同一位置的節(jié)點(diǎn)對(duì)的自由度耦合來實(shí)現(xiàn),預(yù)加力采用等效溫度荷載來施加。

至于有限元模型的邊界條件,固定支座以三向約束 (X,Y,Z)進(jìn)行施加;移動(dòng)支座以Z軸自由,X軸和Y軸固定進(jìn)行施加。施加的約束位于理論支承線處有限元模型截面的下邊緣節(jié)點(diǎn)上。在計(jì)算模型中,分別在各板的跨中位置中心處施加單位豎向荷載,再根據(jù)各板的撓度比例關(guān)系求得各板撓度橫向分布影響線,以撓度橫向分布影響線的平緩程度來探討荷載的橫向分布[5]。因結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,僅分析其中 4塊板的撓度橫向分布影響線。

3 有限元法與鉸接板法計(jì)算橫向分布影響線的對(duì)比分析

對(duì)鉸接板橋,在施加橫向預(yù)應(yīng)力前,各板間橫向聯(lián)系較弱,可視為鉸接,故可根據(jù)傳統(tǒng)鉸接板理論來計(jì)算橫向分布影響線,并與 ANSYS計(jì)算的撓度橫向分布影響線進(jìn)行比較。結(jié)果分別如圖2所示,可知按兩種方法所得的影響線差別很小,二者計(jì)算結(jié)果基本吻合。說明本文計(jì)算模型的正確、有限元方法有效,故可采用此方法來計(jì)算鉸接板橋的橫向分布影響線。

圖2 1～4號(hào)板鉸接法和有限元法的撓度橫向分布影響線

4 對(duì)荷載橫向分布規(guī)律的探討

建立跨徑為 25m的簡(jiǎn)支鉸接板梁橋的有限元模型,得出圖3所示撓度橫向分布影響線。從邊板到中板撓度橫向分布影響線依次平緩,即幅值差逐漸減小,說明荷載作用在邊板時(shí)不均勻性最嚴(yán)重,當(dāng)荷載位置逐漸靠近中間時(shí)其荷載橫向分布趨于均勻。

4.1 寬跨比對(duì)荷載橫向分布的影響

建立跨徑分別為 20 m、25 m、30m的簡(jiǎn)支鉸接板梁橋的有限元模型,3個(gè)模型的寬跨比μ=b/l依次為:0.66,0.53,0.44,分別求得各板對(duì)應(yīng)于不同寬跨比時(shí)的撓度橫向分布影響線如圖4所示:隨著寬跨比的減小即相同條件下跨徑的增大,其撓度橫向分布影響線逐漸變的平緩即幅值差逐漸減小,說明其荷載橫向分布趨于均勻;相反,相同條件下跨徑越小,其荷載橫向分布越不均勻。

圖3 1～4號(hào)板的撓度橫向分布影響線

圖4 1～4號(hào)板不同寬跨比時(shí)的撓度橫向分布影響線

從力學(xué)角度分析,相同條件下跨徑越大越接近于細(xì)長(zhǎng)梁,因此,越有利于荷載的橫向分布。

4.2 斜交角對(duì)荷載橫向分布的影響

建立跨徑 25m,斜交角為 0°、15°、30°、45°的簡(jiǎn)支鉸接板梁橋有限元模型,求得各板對(duì)應(yīng)于不同斜交角時(shí)的撓度橫向分布影響線如圖5。斜交板梁橋的荷載橫向分布規(guī)律和相應(yīng)的正交板梁橋荷載橫向分布規(guī)律類似,且隨著斜交角增大其荷載橫向分布逐漸不均勻;當(dāng)斜交角為 15°時(shí)其撓度橫向分布影響線與正交板梁橋很接近,故對(duì)于斜交角不超過 15°的斜交板梁橋可按正交板梁橋來計(jì)算,這與規(guī)范是相符的。

5 板梁橋加固效果的評(píng)析

以各板撓度橫向分布影響線豎標(biāo)值的最大值 ηmax、最小值 ηmin的差值 Δη=ηmax-ηmin在加固前、后的變化 λ(Δη)=(Δη加固前-Δη加固后)/Δη加固前作為評(píng)價(jià)加固效果的指標(biāo) 。

圖5 1～4號(hào)板不同斜交角時(shí)的撓度橫向分布影響線

5.1 寬跨比對(duì)加固效果的影響

建立跨徑分別為 20、25、30 m的簡(jiǎn)支鉸接板梁橋的有限元模型,3個(gè)模型的寬跨比 μ=b/l依次為:0.66,0.53,0.44,求得對(duì)應(yīng)于不同寬跨比時(shí)的加固效率指標(biāo)如表1所示:隨著寬跨比的減小其加固效率逐漸增大,且對(duì)于同一寬跨比的板梁橋來說從邊板到中板加固效果逐漸增強(qiáng)。

表1 1～4號(hào)板應(yīng)于不同寬跨比時(shí)的 λ值

5.2 斜交角對(duì)加固效果的影響

建立跨徑為 25 m,斜交角分別為 0°、15°、30°、45°的簡(jiǎn)支鉸接板梁橋的有限元模型,求得對(duì)應(yīng)于不同斜交角時(shí)的加固效率指標(biāo)如表2所示:橫向預(yù)應(yīng)力加固法對(duì)斜交板梁橋同樣能取得較好的加固效果,但其加固效果不如正交板梁橋明顯;隨著斜交角的增大其加固效率逐漸減弱,且對(duì)于同一寬跨比的板梁橋來說從邊板到中板加固效果逐漸增強(qiáng)。

表2 1～4號(hào)板應(yīng)于不同斜交角時(shí)的 λ值

6 結(jié)論

橫向預(yù)應(yīng)力加固法能有效的改善鉸接板梁橋的荷載橫向分布,增加板間的橫向聯(lián)結(jié),避免單板受力現(xiàn)象,且隨著寬跨比的減小其加固效率增大。但斜交板梁橋的加固效果不如正交板梁橋明顯,對(duì)于同一寬跨比的板梁橋來說無論正交還是斜交,從邊板到中板加固效果逐漸增強(qiáng)。