橫向預(yù)應(yīng)力加固板梁橋的有限元分析

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1、橫向預(yù)應(yīng)力加固板梁橋的有限元分析第23卷第1期石家莊鐵道學(xué)院(自然科學(xué)版)Vo1.23N..12010年3月JOURNALOFSHUIAZHUANGRAILWAYINSTITUTE(NATURALSCIENCE)Mar.2010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)摘要:針對(duì)板梁橋的常見(jiàn)病害形式,采用了橫向預(yù)應(yīng)力加固技術(shù)并對(duì)板梁橋加固前,后建立了有限元模型.通過(guò)分析其荷載橫向分布規(guī)律證明采用橫向預(yù)應(yīng)力技術(shù)加固板梁橋效果顯著.關(guān)鍵詞:板梁橋;橫向預(yù)應(yīng)力;加固;荷載橫向分布中圖

2、分類(lèi)號(hào):U448.212文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674—0300(2010)O1—0070—05O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(lèi)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(kāi)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(chē)輪荷載作用,一般稱(chēng)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(chē)安全帶來(lái)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(mén)亟需解決的問(wèn)題.1橋梁概況該橋

3、橫向由8塊空心板組成,板間的橫向連接通過(guò)鉸縫來(lái)實(shí)現(xiàn),橋面寬度為l3.25m.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(chēng)直徑為15.24mm.全橋橫斷面如圖1所示.13258青cm凝土『I防水混凝土/,]nnIInnIInnIlnnflnnIInnIInnllnl一/,,-一/Y一/一/Y一/,,-一/Y一/,,-一/Y一/一/Y一/一/Y一/,'一/Y一/一/ll9【16圖1全橋的橫截面圖(單位:cm)通過(guò)對(duì)鋼絞線數(shù)量,布置位置的比較

4、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(chēng)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0.4111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(guò)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¨.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》(JTGD62---L2004)的規(guī)定,為保證錨具

5、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129.3kN,已考慮了鋼筋回縮,錨具變形及墊板壓密,預(yù)應(yīng)收稿日期:2009—09—17作者簡(jiǎn)介:金花女1981年出生助教}....._一一_【第1期金花等:橫向預(yù)應(yīng)力加固板梁橋的有限元分析71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J.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【]J.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)

6、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(kāi)的.在建立模型時(shí),可將各板與鉸縫分開(kāi)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(lái)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(lái)建模.預(yù)應(yīng)力鋼

7、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(guò)將同一位置的節(jié)點(diǎn)對(duì)的自由度耦合來(lái)實(shí)現(xiàn),預(yù)加力采用等效溫度荷載來(lái)施加.至于有限元模型的邊界條件,固定支座以三向約束(,y,z)進(jìn)行施加;移動(dòng)支座以z軸自由,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(lái)探討荷載的橫向分布J.因結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)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

8、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(lái)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