簡支空心板橋加寬剛度漸變施工細部研究

1、簡支空心板橋加寬剛度漸變施工細部研究摘要：以某高速公路空心板橋為工程背景，采用 有限元程序midas建立該橋的空間有限元計算模型，細部分 析結果表明：橫向剛度漸變構件的槽鋼和螺栓在工作時容易 出現(xiàn)應力集中。螺栓出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，其應力值遠大于槽 鋼的應力值，橫向剛度漸變構件在工作時螺栓是薄弱部分， 選擇螺栓時，為了保證其有足夠的安全可靠度，應選擇高強 螺栓和適當增加螺栓直徑；所選定的槽鋼和螺栓的局部應力 都在材料承受范圍內，給出空心板橋剛度漸變施工方案和具 體措施。關鍵字：空心板，加寬，細部分析中圖分類號：ts653. 92+3文獻標識碼：a文章編號：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 連接方案均沒有達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，這種差異會在新 舊空心板結合部位產(chǎn)生位移突變及附加應力，造成橋面鋪裝 開裂，從而產(chǎn)生工程病害，不能滿足工程使用要求。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)生的變形或附加應力就會減小，滿足工程使用要求。對采用剛度漸變的空心板橋進行靜力動力力學性能分 析。計算結果表明：施加橫向剛度漸變構件前后的整橋在過 渡區(qū)域位移有較大的不同，在施加橫向剛度漸變構件前，新 內板和舊板之間出現(xiàn)較大的剛度突變，引起位移突變；施加 橫向剛度漸變構件后，各個橋面板的位移呈現(xiàn)逐步變化的趨

3、勢。施加橫向剛度漸變構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件 后，荷載橫向分布系數(shù)突起值減小，突起寬度增大，說明施 加的集中荷載由多塊板共同承擔。對比施加橫向剛度漸變構 件前后的靜力力學性能，證明了施加橫向剛度漸變構件的有 效性，橫向剛度漸變效果良好。另外，施加橫向剛度漸變構 件前各橋板跨中位移達到最大值的時間也有一定的不同，說 明其振動存在不同步現(xiàn)象，振動不同步可能會導致橋梁在使 用期間，企口縫混凝土因橋板的不同步振動出現(xiàn)破壞；施加 橫向剛度漸變構件后各橋板之間振動位移協(xié)調性大大增強， 達到最大位移的時間幾乎一致。從動力效果分析也說明了施 加橫向

4、剛度漸變構件的必要性和有效性。2工程概況通過上章加固效果的評價，證明了施加橫向剛度漸變構 件的必要性和有效性。為了方便施加橫向剛度漸變構件的應 用，本節(jié)對橫向剛度漸變構件的槽鋼的受力和布置情況進行 分析。由于前文進行分析時，空心板和橫向剛度漸變構件均 采用梁單元模擬，只能分析整體結構的內力和位移，不能進 行精確細部內力分析。因此，還需要運用midas/civ訂有限 元程序，對橋梁進行三維空間塊體實體有限元建模，所建立 的全橋三維有限元計算模型如圖1和圖2所示。圖1斜、正橋有限元計算模型在細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應力鋼筋的影 響。對于

5、空心板和底部橫向剛度漸變構件均用塊體單元離 散；根據(jù)橫向剛度漸變構件實際施工情況，空心板與槽鋼之 間采用螺栓連接，槽鋼沒有與空心板完全粘連在一起，為了 與實際情況接近，在細部分析有限元建模時，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，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)點連接。斜橋共 劃分為21336個空間塊體單元，33756個節(jié)點。正橋共劃分 為39406個空間塊體單元，59741個節(jié)點。由于該橋為簡支 板橋，故邊界條件設為兩端簡支，全橋共有146個支座?？?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件的槽鋼及螺栓的最不利受 力狀況，對橋梁進行最不利車輛荷載布置。由于本項目現(xiàn)場 試驗采用一輛sh361型重車，單車前軸為60kn,中后軸為 120kn,全車重300kno為了方便說明車輛荷載的橫向加載位 置，對整個橋板進行統(tǒng)一編號，最左邊舊板為1號板，最右 邊新板為18號，如圖5. 3所示。圖2整橋統(tǒng)一編號圖圖3加載重車橫向加載位置橫向布置：重車輪距為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：重車作用在舊板上，右輪位于9號舊 板中心；橫向加載位置b：重車作用在舊板及新板上，左輪位于10號新板中心；橫向加載位置c：重車作

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

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

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

10、6 mpa,最大剪應力為97. 31mpa,其應力值遠大于槽鋼 的應力值，但應力值仍小于材料的設計強度。另外，斜橋應 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 交結構，在承受豎向荷載時，只產(chǎn)生縱向拉力，不會產(chǎn)生橫 向拉力。而有一定斜交角的斜橋，承受豎向荷載時，各個方 向都會產(chǎn)生拉力，產(chǎn)生的組合應力較大，其傾斜度越大，其 應力值越大。據(jù)橫向剛度漸變構件的槽鋼受力情況，可選擇hy高強 螺栓，其具體參數(shù)如表5. 4所示。表7螺栓的設計參數(shù)根據(jù)螺栓受力和螺栓設計參數(shù)，并考慮一定安全系數(shù)， 橫向布置r24型號螺栓2個表8螺栓的內力及安全系數(shù)通過力學分析和施工可行性分析，采用r24型號螺栓，

11、橫向布置2個，能滿足力學要求。5結論及建議以某高速公路空心板橋為工程背景，采用有限元程序 midas建立該橋的空間有限元計算模型，細部分析結果表明:(1) 選定的12.6型槽鋼的局部應力滿足要求，說明擬 定的橫向剛度漸變方案是可行的，槽鋼在工作期間不會出現(xiàn) 局部受力破壞。(2) 橫向剛度漸變構件的槽鋼和螺栓在工作時容易出 現(xiàn)應力集中。螺栓出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，其應力值遠大于槽鋼 的應力值，橫向剛度漸變構件在工作時螺栓是薄弱部分，選 擇螺栓時，為了保證其有足夠的安全可靠度，應選擇高強螺 栓和適當增加螺栓直徑；所選定的槽鋼和螺栓的局部應力都 在材料承受范圍內，給出空心板橋剛度漸變施工方案和具體 措施。通過力學分析和施工可行性分析，采用r24型號螺栓， 橫向布置2個，能滿足力學要求。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行施 工：首先使用電錘或鉆孔