葉 生

（安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，合肥 230051）

提高空心板梁橋橫向整體性與剛度的方法研究

葉 生

（安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，合肥 230051）

利用有限元程序MIDASCivil建立了裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋整體計(jì)算模型并進(jìn)行計(jì)算，通過對(duì)比分析裝配式預(yù)應(yīng)力板橋在重做鋪裝、粘貼鋼板和施加橫向預(yù)應(yīng)力的荷載橫向分布影響線降低幅度、變化趨勢(shì)，其中，著重分析了施加橫向預(yù)應(yīng)力之后的加固效果。有限元模型分析的結(jié)果表明，施加橫向預(yù)應(yīng)力效果最好，可達(dá)到治本效果。

重做鋪裝層；粘貼鋼板；施加橫向體外預(yù)應(yīng)力；裝配式空心板橋；加固

裝配式空心板梁橋的截面形式包括整體實(shí)心矩形板、裝配式空心板、異形板其截面形式的多樣化，使得其在我國取得廣泛的應(yīng)用［1］。對(duì)于高速公路、城市道路等部分橋梁（主要采用裝配式鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋），其橫向采用企口縫鉸接、鍵槽聯(lián)結(jié)的形式［2］。近年來由于道路的交通量尤其是超限超載車輛迅猛增加，橋面鋼筋混凝土鋪裝層結(jié)構(gòu)薄弱、早期通車的公路橋梁設(shè)計(jì)與現(xiàn)在新建橋梁設(shè)計(jì)思路不同、橋面鋼筋混凝土鋪裝層的施工缺陷等原因，最終造成橋面和板縫間病害。橋面病害表現(xiàn)為，瀝青混凝土面層內(nèi)部產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，引起不確定破壞面的剪切變形，或者由于面層中水泥混凝土和瀝青混凝土粘結(jié)力變差，水平抗剪能力減弱，致使產(chǎn)生水平向相對(duì)滑移、擁抱現(xiàn)象。因溫度變化伴隨梁板大撓度而產(chǎn)生裂隙，面層在車輛荷載或滲水情況下產(chǎn)生塌陷、裂縫及坑槽。板縫間病害變現(xiàn)為，梁板間企口縫塌陷、破碎，板間橫向傳遞失效，出現(xiàn)單塊板參與受力現(xiàn)象。空心板受到的荷載大于設(shè)計(jì)值，其下緣被拉裂。面層破損后，梁板直接受到汽車荷載沖擊，板上緣部位混凝土被碾碎。嚴(yán)重削弱了空心板梁橋的橫向整體性與剛度，影響了行車安全［3－8］。由此，研究橋面和板縫間病害，并對(duì)其進(jìn)行有效的加固探討，對(duì)設(shè)計(jì)、施工建設(shè)有一定的參考價(jià)值。

1 加固方法及機(jī)理

目前提高空心板梁橋橫向整體性與剛度的方法有以下幾種：

1、增加鉸縫鋼筋，重做鋪裝層；

2、粘貼如鋼板、玻璃鋼、碳纖維、在板底沿企口縫縱向加π型鋼等加固材料；

3、沿梁板下緣方向施加橫向預(yù)應(yīng)力。

所列三種方法的加固機(jī)理分別為：

方法1：以重做鋪裝層，加強(qiáng)橫向聯(lián)系，以保持與原橋起初的橫向整體工作性［7］；

方法2：約束鉸縫之間裂縫開展，提高了橫向抗彎、抗扭剛度，減小構(gòu)件撓度，間接增強(qiáng)承載能力，提高板間橫向協(xié)作性和橫向剛度［3］；

方法3：預(yù)應(yīng)力鋼束在板底上緣橫穿各個(gè)梁板，使得各個(gè)板間受壓力一致。根本上減弱了應(yīng)力集中，抵消了鉸縫間不大的橫向彎矩。同時(shí)，板與板之間由鉸接縫變?yōu)閯偘辶哼B接，變單一的縫間傳遞剪力變?yōu)榧葌鬟f剪力有傳遞橫向彎矩。由此，提高了整體空心板梁橋的橫向整體性和剛度。使得各個(gè)板能有效的相互協(xié)作，共同承擔(dān)外部荷載。所以，同時(shí)也提高了橋梁的整體承載能力［3、7］。

介紹的三種加固方法，在工程中有所應(yīng)用，其效果缺乏理論支撐。本文結(jié)合實(shí)際工程并從理論上用有限元分析方法，對(duì)以上三種加固效果進(jìn)行比較，并著重分析施加預(yù)應(yīng)力鋼束體系的加固效果。

2 有限元模型計(jì)算

2.1 實(shí)例分析

以某裝配式預(yù)應(yīng)力空心板梁為研究對(duì)象，該橋跨徑20.5m，橫向共6塊板，中板寬0.99m，邊板寬1.295m，鉸縫寬度1cm，各板間用縱向企口縫連接。橫向加固方法分別采用重做鋪裝層、典型的橫向粘貼鋼板［8］、施加橫向預(yù)應(yīng)力。其中，對(duì)于粘貼鋼板做法是從跨中開始依次向兩端每隔兩米布置一道Q235鋼板，厚度取5mm（一般在3～8mm），寬度取50cm，共布置9道。對(duì)于施加橫向預(yù)應(yīng)力做法是從跨中開始沿板下緣依次向兩端每隔兩米布置一束，并將橫向預(yù)應(yīng)力筋在兩端通過錨具分別固定在兩塊鋼板上，共9道。全橋的橫截面如圖1所示。

圖1 全橋橫截面（單位：cm）

2.2 計(jì)算模型

運(yùn)用MIDAS／CIVIL有限元程序，鋼板采用實(shí)體單元。此橋?yàn)楹?jiǎn)支梁，全橋共12個(gè)約束點(diǎn)。圖2～4分別為全橋模型、粘貼鋼板模型及施加橫向預(yù)應(yīng)力模型。

圖2 重做鋪裝全橋模型

圖3 粘貼鋼板模型

圖4 施加橫向預(yù)應(yīng)力模型

在計(jì)算模型中，為得到橋梁荷載橫向分布影響線，分別對(duì)跨中出1＃～6＃板中跨中處施加單位荷載。預(yù)應(yīng)力荷載分別設(shè)為20t、30t進(jìn)行比較預(yù)應(yīng)力荷載大小對(duì)橫向分布的影響。

2.3 計(jì)算原理

（1）在板跨度中點(diǎn)施加一個(gè)單位集中力；

（2）求出橫向每塊板跨度中點(diǎn)的豎向位移；

（3）使得某一塊板的豎向位移wi除以所有板橫向位移之和，就得到某塊板的荷載橫向分布影響線值。

3 有限元結(jié)果分析

為了從理論上評(píng)價(jià)三種提高橫向整體性和剛度的加固效果，對(duì)1?！?＃板的重做鋪裝層與粘貼鋼板、施加橫向預(yù)應(yīng)力的影響線值比較分析，如圖5所示。

對(duì)比以上各圖分析可知，粘貼鋼板比單純的重做鋪裝層的荷載橫向分布影響線變的平緩，而施加橫向預(yù)應(yīng)力比粘貼鋼板的荷載橫向分布影響線變的平緩，說明施加橫向預(yù)應(yīng)力的加固效果最佳，各板之間的相互協(xié)作作用增強(qiáng)，變單板受力為多板共同受力，提高了裝配式預(yù)應(yīng)力空心板橋的荷載橫向整體性和剛度。

圖5 1?！?＃板重做鋪裝和粘貼鋼板、粘貼鋼板和施加預(yù)應(yīng)力荷載橫向分布影響線比較

施加橫向預(yù)應(yīng)力的加固效果最佳，但是預(yù)應(yīng)力的大小施加多大才能達(dá)到滿意的加固效果，本文對(duì)預(yù)應(yīng)力荷載施加20t、30t時(shí)1?！?＃板加固效果作了比較如下圖6所示。

圖6 1?！?＃板在預(yù)應(yīng)力筋施加20和30t時(shí)荷載橫向分布影響線變化比較

由曲線的變化幅度可知，橫向預(yù)應(yīng)力為20t／根、30t／根，加固效果接近，說明預(yù)應(yīng)力荷載的在逐漸增大時(shí)，加固的效果不成線性增長(zhǎng)關(guān)系。

4 施加橫向預(yù)應(yīng)力后板橋整體承載能力的提高

4.1 計(jì)算原理

依據(jù)彎矩影響線，可按常規(guī)方法加載求橫梁中的最大彎矩：

式中：ηi——橫梁彎矩影響線坐標(biāo)值；

ps——荷載系數(shù)也即將不同性質(zhì)的實(shí)際荷載折算為正弦荷載后的荷載峰值，計(jì)算方法及圖形布置見下表1及圖7所示。

圖7 實(shí)際荷載形式

表1 荷載系數(shù)

對(duì)于中橫隔梁，在求剛接梁的力法方程時(shí)，曾把中橫梁化成等剛度的橋面板。現(xiàn)在，把橋面板彎矩~Mk從橫隔梁間距l(xiāng)a中到中的積分作為中橫隔梁的彎矩Mk，其中以中間橫隔梁的為最大：

全跨一片中橫隔梁時(shí)：

三片中橫隔梁時(shí)：

4.1.1 空心板結(jié)構(gòu)參數(shù)

抗彎慣性矩I＝0.06314m4；抗扭慣性矩IT＝0.04578m4。扭轉(zhuǎn)位移與主梁撓度之比：

由于空心板懸臂比較短，近似取懸臂板撓度與主梁撓度之比：β＝0，計(jì)算跨徑l＝19.5m。

4.1.2 橫向彎矩影響線坐標(biāo)值~ηc及橋面板彎矩~Mk

該類型的橋梁橫向由6塊板組成，橫截面上的橫向彎矩采用6塊的模型進(jìn)行計(jì)算。

（1）由β＝0，γ＝0.021，查《公路橋涵計(jì)算手冊(cè)》，6梁式橫截面上跨中點(diǎn)的橫向彎矩影響線坐標(biāo)值ˉηc及汽車在橋?qū)挿较蛏蠙M梁跨中彎矩的最不利位置如下表2及圖8所示。

表2 彎矩影響線坐標(biāo)值ˉηc

圖8 橫截面跨中點(diǎn)的橫向彎矩影響線坐標(biāo)值ˉηc及汽車在橋?qū)挿较蛏蠙M梁跨中彎矩的最不利位置

（2）標(biāo)準(zhǔn)汽車在橋?qū)挿较蛏蠈?duì)橫梁跨中彎矩的影響系數(shù)

（3）標(biāo)準(zhǔn)汽車在橋跨縱向?qū)M梁跨中彎矩的荷載系數(shù)

圖9 均布荷載、集中力在橋跨方向上對(duì)橫梁跨中彎矩的最不利位置

汽車荷載對(duì)橫梁跨中彎矩的荷載系數(shù)：

橋面板彎矩計(jì)算汽車荷載跨中的峰值~Mk：

橫向預(yù)應(yīng)力鋼絞線處的跨中彎矩（縱向）

（1）橫向預(yù)應(yīng)力縱向位置，如圖10所示：

圖10 橫向預(yù)應(yīng)力位置示意圖

（2）列出跨中處a的預(yù)應(yīng)力鋼絞線承擔(dān)的正彎矩鋼絞線a位置單根鋼絞線承擔(dān)的正彎矩：

由以上4.1.1～4.1.3可知，橫向預(yù)應(yīng)力筋可承擔(dān)一定的縱向彎矩，使得各板間鉸接變剛接，荷載橫向分配更加均勻，板橋的承載能力、橫向整體性和剛度得到提高，從根本上解決了鉸縫損壞、單板受力問題。

5 結(jié)束語

（1）對(duì)比三種加固方法的效果可得到，施加橫向預(yù)應(yīng)力鋼束體系可以從根本上提高空心板梁橋的橫向整體性與剛度，比重做鋪裝和粘貼鋼板的的加固方法效果理想。施加橫向預(yù)應(yīng)力鋼束體系，可以增強(qiáng)空心板梁橋的橫向分布性能，使得各個(gè)板梁共同協(xié)作能力增強(qiáng)，消除了單板受力的情況再次發(fā)生。

（2）預(yù)應(yīng)力筋施加的荷載大小對(duì)比可知，預(yù)應(yīng)力荷載的逐漸增大情況下對(duì)加固效果作用不大，潛力有限。單根預(yù)應(yīng)力筋的荷載不少于10t，便可以達(dá)到一定的加固效果。通過算出跨中處單根的預(yù)應(yīng)力筋承擔(dān)的彎矩可知，采用橫向體外索預(yù)應(yīng)力技術(shù)，每塊板梁下緣底上方處于同等壓力狀態(tài)，削弱了鉸縫間的應(yīng)力集中現(xiàn)象，板與板之間即可傳遞剪力又可傳遞橫向彎矩。變鉸接板為剛接梁，各板協(xié)同工作，橫向剛度和整體性提高，在一定程度上提高了板橋的承載能力，尤其是中央板塊更為顯著。

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A Study on the Methodology of Improving Transverse Integrity and Stiffness of Hollow Slab Girder Bridges

Ye Sheng

An integrated three dimensional finite element model of a typical fabricated PC hollow slab bridge was built by ageneral FEM program MIDASCIVIL and a number of calculations were done by contrastively analyzing the low magnitude and changeable trend of load distribution influence line after redo pavement layer，glue stress plate and stretch transverse prestress.The results of calculation show that the strengthen effect of transverse prestress is best and can obtain basic strengthen effect.

redo pavement layer；glue stress plate；exert external transverse prestress；fabricated hollow slab bridge；reinforcement

U445.7

A

1673-1794（2012）05-0043-04

葉 生（1971－），男，安徽舒城人，碩士研究生，講師，研究方向：道路與橋梁工程。

2012-07-27