橫向連接失效對空心板橋受力影響

相宏偉

(1.河北省交通規(guī)劃設(shè)計院;2.河北省道路結(jié)構(gòu)與材料工程技術(shù)研究中心)

混凝土空心板因其自重輕、結(jié)構(gòu)性能優(yōu)、預(yù)制施工方便等諸多有利因素而被廣泛運用于土建項目中。但隨著交通運輸?shù)呐畈l(fā)展，特別是重載車輛的迅速增長，同時因自然環(huán)境的影響、某些局部設(shè)計不合理、施工工藝條件限制等原因，對運營的公路承載能力提出了嚴(yán)峻的考驗?？招母靼逯g橫向通過現(xiàn)澆的鉸縫混凝土鉸接和焊接鋼板聯(lián)結(jié)，使橋梁成為一個整體受力結(jié)構(gòu)，這樣就能顯著地減小單根板梁受力，達(dá)到正常運營的目的。然而，在長期運營之后，橋梁多出現(xiàn)橫向連接失效的狀況?；谝鸭庸痰哪晨招陌鍢蜻M(jìn)行計算分析，討論鉸縫注膠失效與橫向鋼板聯(lián)系失效對橋梁整體性的影響程度。

1 依托工程概述及有限元計算模型

以某空心板橋為例，研究橫向連接失效機理及對空心板橋受力影響分析。該空心板橋跨徑為6 m，主梁為簡支實心板結(jié)構(gòu)，采用油氈支座，下部結(jié)構(gòu)采用支撐式橋臺。該橋示意圖見圖1、圖2 所示。

圖1 某橋示意圖

圖2 某橋示意圖

設(shè)計荷載為:汽－超20 級;掛－120;橋面寬度為:凈11.5 ×2 +2 ×0.5 防撞護欄+2 m 中間分隔帶，全寬26 m。

橋梁在長期運營之后出現(xiàn)了鉸縫失效的現(xiàn)象，影響橋梁整體性與行車舒適性，針對這一病害對橋梁進(jìn)行壓力注膠加固與主梁下方粘貼鋼板加固。

壓力注膠加固法是將鉸縫造成一個密閉空腔，預(yù)留進(jìn)出口，有效運用高壓灌漿設(shè)備，將化學(xué)膠液灌入鉸縫縫隙內(nèi)，使其迅速擴散、凝結(jié)并固化。通過新型環(huán)氧樹脂膠良好的粘結(jié)性能和力學(xué)性能、快速的固化時間，恢復(fù)兩側(cè)梁板之間的連接，提高鉸縫的抗剪能力，有效恢復(fù)橋梁結(jié)構(gòu)的整體性能。加固示意圖3 所示。

圖3 壓力注膠加固鉸縫示意圖

橫向粘貼鋼板加固法是在空心板橫向聯(lián)系較弱、鉸縫失效、單板受力的情況下，粘結(jié)劑及錨栓將鋼板橫橋向垂直粘貼錨固在空心板鉸縫處，使相鄰空心板共同受力，鋼板作為橫向聯(lián)系，提高橋梁整體受力性能，加固示意圖4 所示。

圖4 粘貼鋼板加固示意圖

采用橋梁專業(yè)有限元分析軟件建立有限元模型.其中主梁采用梁單元進(jìn)行模擬，支座采用一般支撐進(jìn)行模擬，一般的小跨徑鉸接板梁橋多為根據(jù)經(jīng)典鉸接板法計算，各板是依靠鉸縫連接在一起。在用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬時，用梁單元模擬橫向連接，并通過設(shè)置節(jié)點傳力功能，且一端節(jié)點的轉(zhuǎn)動全部放松，使有限元模型和橋梁的實際情況一致。在建模過程中，以由13 塊板組成的跨徑為6 m 的空心板橋為例進(jìn)行分析。

2 空心板橋受力計算分析

本文進(jìn)行受力影響分析時，以設(shè)計為基準(zhǔn)狀態(tài)，利用傳統(tǒng)的橫向鉸接板(梁)理論對橋梁出現(xiàn)的病害進(jìn)行模擬。分析橋梁橫向聯(lián)系加固后、橫向連接鋼板失效、鉸縫混凝土與橫向連接鋼板失效三個工況進(jìn)行分析，得出結(jié)構(gòu)在荷載作用下的效應(yīng)對比，分析結(jié)構(gòu)的病害的分析方法與影響程度。

對橋梁6#、7#、8#、9#空心板進(jìn)行動載試驗，得到6#、7#、8#、9#空心板豎向撓度最大值。并對不同工況進(jìn)行模擬，對空心板鉸接縫采用不同單元形式，分別進(jìn)行了鉸縫鏈桿單元模擬經(jīng)典鉸接板法計算針對工況:橋梁橫向聯(lián)系加固后、鉸縫處橫向連接鋼板失效、鉸縫混凝土與橫向連接鋼板失效進(jìn)行受力分析計算。通過對鉸接板橋建立整體計算模型。對計算結(jié)果與實測結(jié)果進(jìn)行橫向與縱向?qū)Ρ?，得到空心板豎向位移在不同計算工況下的分布情況，分析橫向連接失效對空心板橋的豎向受力情況的影響。

圖5 動載工況下有限元計算豎向最大撓度

圖6 動載工況下實測豎向最大撓度

由圖5 有限元計算結(jié)果可知:空心板最大撓度出現(xiàn)在7#到8#空心板處，空心板加固后豎向撓度最小，且撓度曲線較平滑;空心板橫向加固鋼板失效后豎向撓度出現(xiàn)一定的變大，且峰值與最小值之間差值變大;空心板鉸縫與鋼板失效后空心板豎向撓度均變大，7#、8#空心板出現(xiàn)明顯的“單板受力”情況，其豎向撓度最大值為6#、9#豎向撓度的兩倍左右。由圖6 實測結(jié)果可知:實測結(jié)果曲線趨勢與有限元計算結(jié)果類似，但鉸縫與鋼板失效后，8#板出現(xiàn)了空心板明顯的“單板受力”情況。分析現(xiàn)場情況，8#板出現(xiàn)了空心板明顯的“單板受力”情況是由于跑車位置有一定的橫向偏離，導(dǎo)致8#板撓度遠(yuǎn)大于其他空心板。

由圖7 ～圖9 豎向撓度曲線趨勢對比圖可知。對比有限元計算與實測撓度曲線趨勢，有限元計算峰值與最少值之間相差0.099 cm、0.156 cm、0.207 cm。實測峰值與最少值之間相差0.339 cm、0.379 cm、0.995 cm。實測峰值與最小值之間差值為計算差值的2.43 倍到4.61 倍，實測撓度曲線峰值明顯，且峰值與最小值差距較大，有限元計算結(jié)果偏于保守，現(xiàn)場多種影響因素導(dǎo)致”單板受力“情況越加明顯。

圖7 加固后撓度曲線趨勢對比圖

圖8 鋼板失效撓度曲線趨勢對比圖

圖9 鉸縫與鋼板失效撓度曲線趨勢對比圖

3 結(jié) 論

(1)空心板橫向連接處板間受力復(fù)雜，傳統(tǒng)的橫向鉸接板(梁)理論不能很好的模擬現(xiàn)場空心板橫向連接間受力情況，計算結(jié)果較為保守，未能突出模擬空心板的”單板受力“情況。

(2)空心板加固后，橫向鋼板失效與壓力注膠失效對橋梁的承載力有一定幅度的降低，同時空心板橋的”單板受力“情況有逐漸增加，使橋梁的整體受力性能得到大幅度降低。

(3)鉸縫是空心板橋的關(guān)鍵受力部件，受力情況復(fù)雜，在施工過程中，鉸縫內(nèi)混凝土需嚴(yán)格按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)澆筑養(yǎng)護;橋梁運營過程中，應(yīng)采取措施限制橋梁超負(fù)荷工作;對橋梁的細(xì)致的養(yǎng)護與檢查工作也可保證鉸縫的正常使用。

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