裝配式空心板體外橫向預(yù)應(yīng)力加固力學(xué)性能研究

韓智強(qiáng)， 郭茂泉， 晉民杰， 王俊霞

(1.太原科技大學(xué) 交通與物流學(xué)院， 山西 太原 030024； 2.山西交通科學(xué)研究院； 3.山西通暢工程勘察設(shè)計(jì)咨詢有限公司)

裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋采用企口縫進(jìn)行橫向連接，由于20世紀(jì)90年代，中國大部分空心板均采用小鉸縫設(shè)計(jì)，在橋梁運(yùn)營多年后，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)諸多病害，鉸縫脫落開裂、空心板單板受力等，已經(jīng)引起橋梁設(shè)計(jì)與養(yǎng)護(hù)人員高度重視。針對此類橋梁病害，通常采用施加橫向預(yù)應(yīng)力進(jìn)行加固，但對于加固理論分析還不太成熟。傳統(tǒng)體外預(yù)應(yīng)力加固分析主要基于鉸接板法，即假設(shè)結(jié)構(gòu)受力后，結(jié)構(gòu)鉸接處只傳遞剪力，未考慮橫向彎矩對其影響，與實(shí)際工程較為不符。因此，該文基于傳統(tǒng)剛接板法理論，分析空心板橋施加橫向預(yù)應(yīng)力后，結(jié)構(gòu)鉸縫處的受力機(jī)理，構(gòu)造空心板剛接板法在接縫處贅余力的典型方程組，計(jì)算系數(shù)矩陣及荷載項(xiàng)矩陣，通過理論分析和模型試驗(yàn)驗(yàn)證方法的合理性和可行性，以便為空心板加固設(shè)計(jì)分析提供參考。

1 剛接板法計(jì)算原理

空心板橋在豎向荷載作用下，在鉸縫處產(chǎn)生4個(gè)力分量：豎向剪力、橫向彎矩、縱向剪力和法向力；通過分析得知：縱向剪力和法向力同另外兩個(gè)分量相比，對于橫向傳力貢獻(xiàn)較小，為提高計(jì)算精度，建議忽略不計(jì)，在空心板橫向預(yù)應(yīng)力加固受力分析時(shí)，主要考慮鉸縫處豎向剪力和彎矩傳遞影響。

假設(shè)橋梁橫向右有m塊空心板，即有m-1條鉸縫，通過工程力學(xué)相關(guān)原理可知，橋梁結(jié)構(gòu)共有2(m-1)未知鉸接力超靜定方程：

{δij}Xi+{δip}=0

(1)

式中：δij[i,j=1,2,…,2(m-1)]為鉸縫j處施加單位正弦鉸接力，鉸縫i處的豎向位移；Xi(i=1,2，…，m-1)為單位正弦鉸接力作用下，鉸接縫i處豎向剪力值；δip為外荷載P在鉸縫i處的豎向位移。

對于系數(shù)矩陣[δij]，其表達(dá)式如下所示：

(2)

其中：

式中：A11為單位剪力gi=1在鉸縫處產(chǎn)生的相對豎向位移；A12為單位橫向彎矩mi=1在鉸縫處產(chǎn)生的相對豎向位移；A21為單位剪力mi=1在鉸縫處產(chǎn)生的相對轉(zhuǎn)角；A22為單位橫向彎矩mi=1在鉸縫處產(chǎn)生的相對豎向轉(zhuǎn)角。

通過對上述方程求解，可得出鉸接縫處彎矩及剪力值。

2 空心板橫向加固仿真分析研究

2.1 工程背景

以某4×25 m空心板橋?yàn)橐劳泄こ?，結(jié)構(gòu)體系為先簡支后連續(xù)的結(jié)構(gòu)，A類預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，板高1.15 m，板寬1.51 m?？招陌宀捎肅50混凝土，鉸縫C40混凝土，橋梁上部結(jié)構(gòu)橫向共由 8片空心板組成，分別為N1～N8，墩身為C40混凝土，承臺、樁基為C25混凝土，如圖1所示。

圖1 空心板橋總體布置(單位：cm)

2.2 仿真模型分析

(1) 單元選取。采用通用軟件Ansys對依托工程進(jìn)行分析，其中橋梁混凝土采用Solid45單元模擬，預(yù)應(yīng)力筋采用Link8模擬，建模時(shí)主梁與預(yù)應(yīng)力筋通過節(jié)點(diǎn)耦合聯(lián)系，預(yù)應(yīng)力值通過降溫法實(shí)現(xiàn)，其模型示意圖見圖2、3。

(2) 橫向預(yù)應(yīng)力張拉。在橫向預(yù)應(yīng)力布設(shè)時(shí)，考慮跨中截面受力較大，因此，橫向預(yù)應(yīng)力主要考慮跨中附近布設(shè)，并且預(yù)應(yīng)力筋與邊板采用剛接，分別采用單根173.3 kN進(jìn)行張拉。為得出各片主梁的荷載橫向分布影響線，模型采用在各塊梁板跨中中心處施加單位豎向荷載。

(3) 加載工況。由于橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級，因此，該文分析單位移動(dòng)荷載作用橋梁不同位置時(shí)，結(jié)構(gòu)時(shí)程位移曲線變化規(guī)律，并在其最不利位置進(jìn)行工況布載，通過計(jì)算分析，建立偏載和中載兩個(gè)工況，其布載方式如圖4、5所示。

3 結(jié)果分析

3.1 荷載橫向分布系數(shù)分析

通過施加橫向體外預(yù)應(yīng)力，計(jì)算分析荷載橫向分布影響線變化規(guī)律，并基于各板撓度橫向分布影響線豎標(biāo)值的最大值Δmax、最小值Δmin，提出加固效率η(Δz)，即：η(Δz)=(ηΔz加固前-ηΔz加固后)/ηΔz加固前作為評價(jià)加固效果的指標(biāo)，由于上部結(jié)構(gòu)橫向?qū)ΨQ性，為簡化計(jì)算，該文采用其中一半加以說明，即N1～N4，其結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知：橋梁結(jié)構(gòu)施加體外橫向預(yù)應(yīng)力后，8片板受力較為均勻，且呈對稱分布，由此可知，橋梁橫向剛度逐漸增大，荷載協(xié)同作用逐漸增強(qiáng)，橫向分布情況較為均勻，結(jié)構(gòu)體系也由單板受力逐步過渡到多板共同受力，同時(shí)驗(yàn)證模型的正確性。

圖6 N1～N4板荷載橫向分布影響線

3.2 橫向預(yù)應(yīng)力加固前后力學(xué)性能分析

(1) 豎向位移分析：計(jì)算各荷載工況下結(jié)構(gòu)加固前后豎向位移變化，結(jié)果如圖7和表1所示。

圖7 荷載作用下加固前后豎向位移(單位：m)

表1 預(yù)應(yīng)力加固前后豎向位移

比較加固前后的位移云圖及其計(jì)算結(jié)果可知：位移云圖逐漸向帶狀發(fā)展，鉸接縫處逐漸由鉸接向剛接過渡，表明結(jié)構(gòu)在進(jìn)行橫向預(yù)應(yīng)力加固后，橋梁整體橫向剛度逐步增強(qiáng)，單板效應(yīng)逐步改善，同時(shí)也驗(yàn)證該類方法的實(shí)用性。

(2) 應(yīng)力分析：計(jì)算各荷載工況下結(jié)構(gòu)加固前后應(yīng)力變化，結(jié)果如圖8、9所示。

圖8 荷載作用下加固前后應(yīng)力變化(單位：Pa)

圖9 預(yù)應(yīng)力加固前后跨中截面頂?shù)装鍣M向應(yīng)力對比

從上述結(jié)果可知：

(1) 在中載作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)力成對稱分布，但偏載作用下，由于外部豎向荷載通過相鄰鉸縫傳遞荷載，對直接承受偏載作用的梁板，受力較大，且在跨中位置為結(jié)構(gòu)的最不利位置。同時(shí)，各梁板鉸縫處受力均以頂板受壓、底板受拉為主，并存在拉力和剪力的復(fù)合作用。

(2) 加固前應(yīng)力分布不連續(xù)，橫向應(yīng)力分布各梁呈獨(dú)立受力特點(diǎn)。加固后橫向剛度增強(qiáng)，板間由鉸接漸變?yōu)閯偨樱坏装鍓簯?yīng)力大幅提高，頂板拉應(yīng)力有小部分增長，空心板橋由單板受力變?yōu)槎喟骞餐休d，加固取得了較好效果。

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)剛接板法相關(guān)原理，構(gòu)造空心板鉸縫處贅余力的典型方程組，計(jì)算系數(shù)矩陣及荷載項(xiàng)矩陣。

(2) 采用通用軟件Ansys建立橋梁加固前后仿真模型，并計(jì)算得出結(jié)構(gòu)在中載和偏載下，鉸縫呈頂面受壓、底面受拉狀態(tài)，并伴有拉剪復(fù)合應(yīng)力出現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)彎曲性能顯著。

(3) 通過對比分析施加橫向預(yù)應(yīng)力加固前、后的各類應(yīng)力云圖，得知加固后底板壓應(yīng)力大幅提高，增強(qiáng)了梁板橫向受力，研究方法可為該類橋梁加固設(shè)計(jì)提供參考。