簡(jiǎn)支空心板橋加寬剛度漸變施工細(xì)部研究

1、簡(jiǎn)支空心板橋加寬剛度漸變施工細(xì)部研究摘要：以某高速公路空心板橋?yàn)楣こ瘫尘?，采?有限元程序midas建立該橋的空間有限元計(jì)算模型，細(xì)部分 析結(jié)果表明：橫向剛度漸變構(gòu)件的槽鋼和螺栓在工作時(shí)容易 出現(xiàn)應(yīng)力集中。螺栓出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，其應(yīng)力值遠(yuǎn)大于槽 鋼的應(yīng)力值，橫向剛度漸變構(gòu)件在工作時(shí)螺栓是薄弱部分， 選擇螺栓時(shí)，為了保證其有足夠的安全可靠度，應(yīng)選擇高強(qiáng) 螺栓和適當(dāng)增加螺栓直徑；所選定的槽鋼和螺栓的局部應(yīng)力 都在材料承受范圍內(nèi)，給出空心板橋剛度漸變施工方案和具 體措施。關(guān)鍵字：空心板，加寬，細(xì)部分析中圖分類(lèi)號(hào)：ts653. 92+3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a文章編號(hào)：1引言分析已有的研究成果可以看出，采用分離

2、式加寬或剛性 連接方案均沒(méi)有達(dá)到理想的加寬工程效果，主要原因是新空 心板和舊空心板之間存在較大的剛度差異，這種差異會(huì)在新 舊空心板結(jié)合部位產(chǎn)生位移突變及附加應(yīng)力，造成橋面鋪裝 開(kāi)裂，從而產(chǎn)生工程病害，不能滿(mǎn)足工程使用要求。如果能 將集中在兩塊空心板上的剛度差異有效地分配到多塊板上， 這樣產(chǎn)生的變形或附加應(yīng)力就會(huì)減小，滿(mǎn)足工程使用要求。對(duì)采用剛度漸變的空心板橋進(jìn)行靜力動(dòng)力力學(xué)性能分 析。計(jì)算結(jié)果表明：施加橫向剛度漸變構(gòu)件前后的整橋在過(guò) 渡區(qū)域位移有較大的不同，在施加橫向剛度漸變構(gòu)件前，新 內(nèi)板和舊板之間出現(xiàn)較大的剛度突變，引起位移突變；施加 橫向剛度漸變構(gòu)件后，各個(gè)橋面板的位移呈現(xiàn)逐步變化的趨

3、勢(shì)。施加橫向剛度漸變構(gòu)件前承受荷載的空心板荷載橫向分 布系數(shù)突起明顯，即單板受力明顯；施加橫向剛度漸變構(gòu)件 后，荷載橫向分布系數(shù)突起值減小，突起寬度增大，說(shuō)明施 加的集中荷載由多塊板共同承擔(dān)。對(duì)比施加橫向剛度漸變構(gòu) 件前后的靜力力學(xué)性能，證明了施加橫向剛度漸變構(gòu)件的有 效性，橫向剛度漸變效果良好。另外，施加橫向剛度漸變構(gòu) 件前各橋板跨中位移達(dá)到最大值的時(shí)間也有一定的不同，說(shuō) 明其振動(dòng)存在不同步現(xiàn)象，振動(dòng)不同步可能會(huì)導(dǎo)致橋梁在使 用期間，企口縫混凝土因橋板的不同步振動(dòng)出現(xiàn)破壞；施加 橫向剛度漸變構(gòu)件后各橋板之間振動(dòng)位移協(xié)調(diào)性大大增強(qiáng)， 達(dá)到最大位移的時(shí)間幾乎一致。從動(dòng)力效果分析也說(shuō)明了施 加橫向

4、剛度漸變構(gòu)件的必要性和有效性。2工程概況通過(guò)上章加固效果的評(píng)價(jià)，證明了施加橫向剛度漸變構(gòu) 件的必要性和有效性。為了方便施加橫向剛度漸變構(gòu)件的應(yīng) 用，本節(jié)對(duì)橫向剛度漸變構(gòu)件的槽鋼的受力和布置情況進(jìn)行 分析。由于前文進(jìn)行分析時(shí)，空心板和橫向剛度漸變構(gòu)件均 采用梁?jiǎn)卧M，只能分析整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移，不能進(jìn) 行精確細(xì)部?jī)?nèi)力分析。因此，還需要運(yùn)用midas/civ訂有限 元程序，對(duì)橋梁進(jìn)行三維空間塊體實(shí)體有限元建模，所建立 的全橋三維有限元計(jì)算模型如圖1和圖2所示。圖1斜、正橋有限元計(jì)算模型在細(xì)部分析有限元建模中，空心板的彈性模量釆用鋼筋 與混凝土的折算彈性模量考慮普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋的影 響。對(duì)于

5、空心板和底部橫向剛度漸變構(gòu)件均用塊體單元離 散；根據(jù)橫向剛度漸變構(gòu)件實(shí)際施工情況，空心板與槽鋼之 間采用螺栓連接，槽鋼沒(méi)有與空心板完全粘連在一起，為了 與實(shí)際情況接近，在細(xì)部分析有限元建模時(shí)，不能讓槽鋼的 空間塊體與空心板的空間塊體全部共節(jié)點(diǎn)，僅在螺栓布置的 地方，讓空心板與槽鋼的空間塊體之間共節(jié)點(diǎn)連接。斜橋共 劃分為21336個(gè)空間塊體單元，33756個(gè)節(jié)點(diǎn)。正橋共劃分 為39406個(gè)空間塊體單元，59741個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于該橋?yàn)楹?jiǎn)支 板橋，故邊界條件設(shè)為兩端簡(jiǎn)支，全橋共有146個(gè)支座?？?心板企口縫同樣采用塊體建模，其與空心板的空間塊體之間 共節(jié)點(diǎn)連接，其彈性模量新板采用c60的素混凝土，舊板

6、采 用c40的素混凝土。為了獲得橫向剛度漸變構(gòu)件的槽鋼及螺栓的最不利受 力狀況，對(duì)橋梁進(jìn)行最不利車(chē)輛荷載布置。由于本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng) 試驗(yàn)采用一輛sh361型重車(chē)，單車(chē)前軸為60kn,中后軸為 120kn,全車(chē)重300kno為了方便說(shuō)明車(chē)輛荷載的橫向加載位 置，對(duì)整個(gè)橋板進(jìn)行統(tǒng)一編號(hào)，最左邊舊板為1號(hào)板，最右 邊新板為18號(hào)，如圖5. 3所示。圖2整橋統(tǒng)一編號(hào)圖圖3加載重車(chē)橫向加載位置橫向布置：重車(chē)輪距為1.8m,考慮到不允許交通斷行，共考慮8種橫向加載位置：橫向加載位置a：重車(chē)作用在舊板上，右輪位于9號(hào)舊 板中心；橫向加載位置b：重車(chē)作用在舊板及新板上，左輪位于10號(hào)新板中心；橫向加載位置c：重車(chē)作

7、用在舊板上，右輪位于11號(hào)新 板中心；橫向加載位置d：重車(chē)作用在舊板及新板上，左輪位于12號(hào)舊板中心；橫向加載位置e：重車(chē)作用在舊板及新板上，右輪位于 13號(hào)板中心；橫向加載位置f：重車(chē)作用在新板上，左輪位于14號(hào)板 中心；橫向加載位置g：重車(chē)作用在新板上，右輪位于15號(hào)舊 板中心；橫向加載位置h：重車(chē)作用在新板上，左輪位于16號(hào)舊 板中心。3剛度漸變施工方法與以上荷載加載位置相對(duì)應(yīng)，計(jì)算時(shí)共考慮8種荷載工 況，通過(guò)有限元分析確定的槽鋼加固型號(hào)為12.6,采用高 強(qiáng)螺栓將鋼板施加到空心板上。為了保證槽鋼的實(shí)際安裝狀 態(tài)與數(shù)值模擬相似，在進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算時(shí)，高強(qiáng)螺栓連接 處槽鋼與空心板的空間塊體

8、單元通過(guò)共單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行剛性 連接。通過(guò)對(duì)橫向剛度漸變構(gòu)件的槽鋼進(jìn)行內(nèi)力分析，來(lái)選 擇合適的螺栓型號(hào)。提出剛度漸變施工的具體方法，對(duì)于正橋、各種斜交角 的斜橋給出各自的槽鋼加工參數(shù)。4細(xì)部分析表1正橋槽鋼在重車(chē)作用下的應(yīng)力狀態(tài)tab 1 the stress status of channel steel under the heavy vehicle of the quadrature bridge表2正橋橋螺栓在重車(chē)作用下的應(yīng)力狀態(tài)表3正橋螺栓在重車(chē)作用下的內(nèi)力狀態(tài)通過(guò)表1-3可以看出，在各種不利荷載工況情況下，整 橋布置橫向加固構(gòu)件槽鋼的最大主力值為50.7mpa,最大剪 應(yīng)力為24. 5

9、 mpa,遠(yuǎn)小于材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力值；而連接橫向加 固構(gòu)件的螺栓，由于其受力面相對(duì)較小，其最大主力值為 176. 9mpa,最大剪應(yīng)力為89. impa,其應(yīng)力值遠(yuǎn)大于槽鋼的 應(yīng)力值，但應(yīng)力值仍小于材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。另外，可根據(jù)螺 栓承受內(nèi)力值選定螺栓型號(hào)。表4斜橋槽鋼在重車(chē)作用下的應(yīng)力狀態(tài)表5斜橋螺栓在重車(chē)作用下的應(yīng)力狀態(tài)表6斜橋螺栓在重車(chē)作用下的內(nèi)力狀態(tài)通過(guò)表4-6可以看出，在各種不利荷載工況情況下，整 橋布置橫向加固構(gòu)件槽鋼的最大主力值為61. 24mpa,最大剪 應(yīng)力為30. 91 mpa,遠(yuǎn)小于材料的設(shè)計(jì)應(yīng)力值；而連接橫向 加固構(gòu)件的螺栓，由于其受力面相對(duì)較小，其最大主力值為 183. 0

10、6 mpa,最大剪應(yīng)力為97. 31mpa,其應(yīng)力值遠(yuǎn)大于槽鋼 的應(yīng)力值，但應(yīng)力值仍小于材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。另外，斜橋應(yīng) 力值與正橋相比較大，其主要原因是正橋的槽鋼與橋板為正 交結(jié)構(gòu)，在承受豎向荷載時(shí)，只產(chǎn)生縱向拉力，不會(huì)產(chǎn)生橫 向拉力。而有一定斜交角的斜橋，承受豎向荷載時(shí)，各個(gè)方 向都會(huì)產(chǎn)生拉力，產(chǎn)生的組合應(yīng)力較大，其傾斜度越大，其 應(yīng)力值越大。據(jù)橫向剛度漸變構(gòu)件的槽鋼受力情況，可選擇hy高強(qiáng) 螺栓，其具體參數(shù)如表5. 4所示。表7螺栓的設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)螺栓受力和螺栓設(shè)計(jì)參數(shù)，并考慮一定安全系數(shù)， 橫向布置r24型號(hào)螺栓2個(gè)表8螺栓的內(nèi)力及安全系數(shù)通過(guò)力學(xué)分析和施工可行性分析，采用r24型號(hào)螺栓，

11、橫向布置2個(gè)，能滿(mǎn)足力學(xué)要求。5結(jié)論及建議以某高速公路空心板橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用有限元程?midas建立該橋的空間有限元計(jì)算模型，細(xì)部分析結(jié)果表明:(1) 選定的12.6型槽鋼的局部應(yīng)力滿(mǎn)足要求，說(shuō)明擬 定的橫向剛度漸變方案是可行的，槽鋼在工作期間不會(huì)出現(xiàn) 局部受力破壞。(2) 橫向剛度漸變構(gòu)件的槽鋼和螺栓在工作時(shí)容易出 現(xiàn)應(yīng)力集中。螺栓出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，其應(yīng)力值遠(yuǎn)大于槽鋼 的應(yīng)力值，橫向剛度漸變構(gòu)件在工作時(shí)螺栓是薄弱部分，選 擇螺栓時(shí)，為了保證其有足夠的安全可靠度，應(yīng)選擇高強(qiáng)螺 栓和適當(dāng)增加螺栓直徑；所選定的槽鋼和螺栓的局部應(yīng)力都 在材料承受范圍內(nèi)，給出空心板橋剛度漸變施工方案和具體 措施。通過(guò)力學(xué)分析和施工可行性分析，采用r24型號(hào)螺栓， 橫向布置2個(gè)，能滿(mǎn)足力學(xué)要求。其具體分布情況如下圖所 示：圖4新舊板螺栓布置剖面圖（單位mm）圖5正、斜橋1/4跨、1/2跨螺栓布置平面圖圖6正、斜橋跨螺栓布置總體平面圖the general plane map for bolt of the skew bridge and thequadrature bridge為了保證螺栓有效發(fā)揮作用，可按以下施工方法進(jìn)行施 工：首先使用電錘或鉆孔