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        某斜交實(shí)心板橋極限承載能力研究

        2021-12-01 13:27:00王國(guó)煒何宏彬
        青海交通科技 2021年1期
        關(guān)鍵詞:斜交實(shí)心板橋

        唐 楊 任 榮 王國(guó)煒 何宏彬 唐 彬

        (1.五峰土家族自治縣農(nóng)村公路管理所 宜昌 443413;2.五峰土家族自治縣交通運(yùn)輸局公路造價(jià)質(zhì)量監(jiān)督站 宜昌 443413;3.濟(jì)南金衢公路勘察設(shè)計(jì)研究有限公司 濟(jì)南 250101;4.湖北華中公路工程監(jiān)理咨詢有限公司 宜昌 443100;5.湖北屹峽峰建設(shè)工程有限公司 宜昌 443000)

        受自然災(zāi)害、地形地貌的限制,同時(shí)考慮公路線形的順適協(xié)調(diào)、增大橋下過水?dāng)嗝娴仍?,使得斜交橋在山區(qū)橋梁的建設(shè)中占有較大的比重[1-2]。斜交橋不同于正交橋,其空間結(jié)構(gòu)受力明顯,病害較為嚴(yán)重,主要表現(xiàn)為銳角支座脫空、鈍角主梁開裂、平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)等[3-5]。斜交橋不同于正交橋的受力性能,引起了不少專家學(xué)者的廣泛研究。

        根據(jù)斜交橋的截面形狀,斜交橋通??梢苑譃樾苯话鍢?、斜交梁橋、斜交箱橋,山區(qū)小跨徑斜交橋多采用實(shí)心板截面,即斜交實(shí)心板橋。對(duì)于斜交實(shí)心板橋,專家學(xué)者[6-9]對(duì)其受力性能有過較多的研究,但其受力性能研究大都局限在線彈性范圍內(nèi),對(duì)于極限承載能力的研究較少。橋梁結(jié)構(gòu)的極限承載能力分析可以得到橋梁的極限承載力,從而有效評(píng)估橋梁的安全系數(shù),把握橋梁的破壞行為模式,為今后橋梁的設(shè)計(jì)與施工提供有價(jià)值的意見,對(duì)于一些較大跨徑的橋梁已經(jīng)有了不少的極限承載能力方面的研究成果[10-16]。

        為了研究斜交實(shí)心板橋在極限狀態(tài)下的受力性能,本文將以湖北省五峰土家族自治縣境內(nèi)的某座斜交實(shí)心板橋?yàn)楣こ瘫尘?,考慮混凝土的材料非線性,對(duì)其極限狀態(tài)下的受力性能進(jìn)行研究。

        1 工程概況與分析思路

        1.1 工程概況

        湖北省五峰土家族自治縣境內(nèi)的某座斜交實(shí)心板簡(jiǎn)支梁橋,跨徑10m,實(shí)心板長(zhǎng)9.96m,高0.5cm,斜交角度30°,橋面板采用C40混凝土,0#、1#橋臺(tái)采用重力式U形臺(tái)擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋面板的頂面寬7.5m(0.5m防撞墻+6.5m行車道+0.5m防撞墻),底面寬6.5m,兩側(cè)懸臂各0.5m。通過橋面鋪裝形成雙向橫坡,橋面鋪裝為10~16.5cm厚的C40防水混凝土。每個(gè)板式橡膠支座在橫橋向的間距為1.0m,每個(gè)橋臺(tái)共設(shè)置7個(gè)板式橡膠支座。該橋的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

        (a)平面圖

        1.2 分析思路

        計(jì)算分析采用Midas FEA 3.7.0,首先建立斜交實(shí)心板橋0.5m厚的結(jié)構(gòu)層,橋面鋪裝部分簡(jiǎn)化為均勻的13.25cm厚而忽略橋面的雙向橫坡,同時(shí)忽略鋼筋混凝土防撞墩對(duì)結(jié)構(gòu)抗彎剛度的影響,僅僅以防撞墩的自重荷載替代,然后根據(jù)建立的幾何模型確定板式橡膠支座的范圍,采用程序中的印刻功能實(shí)現(xiàn)。同時(shí)建立斜交實(shí)心板橋普通鋼筋的幾何模型,忽略部分構(gòu)造鋼筋,僅僅考慮主力鋼筋。幾何模型處理完成后,采用四面體單元?jiǎng)澐中苯粚?shí)心板橋的有限元網(wǎng)格,采用程序內(nèi)置的鋼筋單元(忽略鋼筋與混凝土結(jié)構(gòu)的滑移)劃分普通鋼筋的有限元網(wǎng)格。有限元模型如圖2所示,共計(jì)178456個(gè)單元。

        (a)受拉模型 (b)受壓模型

        混凝土的本構(gòu)模型采用總應(yīng)變裂縫模型,裂縫方式設(shè)置為轉(zhuǎn)動(dòng),即裂縫方向隨著主應(yīng)變方向的變化而變化,并考慮橫向裂縫對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響和橫向約束對(duì)強(qiáng)度提高的影響??倯?yīng)變裂縫模型中的受拉函數(shù)采用常數(shù)函數(shù),受壓函數(shù)采用Thorenfeldt函數(shù),受拉函數(shù)和受壓函數(shù)的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系如圖3所示,ft為抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,fp為抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。普通鋼筋的本構(gòu)模型設(shè)置為弾性模型。

        斜交實(shí)心板橋的結(jié)構(gòu)層和橋面鋪裝均為C40混凝土,容重為25kN/m3,泊松比為0.2,彈性模量為32500MPa,抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為2.40MPa,抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為26.8MPa。普通鋼筋的容重為76.98kN/m3,泊松比為0.3,彈性模量為206GPa。

        在邊界上采用只受壓彈簧模擬板式橡膠支座對(duì)斜交實(shí)心板橋的約束作用。荷載上考慮結(jié)構(gòu)自重、混凝土防撞護(hù)欄的自重和汽車荷載。自重荷載因子設(shè)置為Z=-1.04;混凝土防撞護(hù)欄的自重考慮為均布?jí)毫κ┘釉跇蛎鎯蓚?cè)0.5m的范圍內(nèi);汽車荷載考慮為公路-Ⅱ級(jí),采用對(duì)稱荷載施加,布置為雙車道,車道荷載的均布荷載和集中荷載均考慮為面壓力,均布荷載的壓力范圍是9.96m×1.8m,集中荷載的壓力范圍是1.0m×1.8m。

        為了能夠分析汽車荷載作用下斜交實(shí)心板橋的極限承載能力,采用施工階段模擬仿真。在第一施工階段只施加結(jié)構(gòu)自重和混凝土防撞護(hù)欄的自重,用以模擬斜交實(shí)心板橋在恒載作用下的結(jié)構(gòu)受力;在第二施工階段施加三倍的汽車荷載。

        2 極限狀態(tài)受力分析

        通過計(jì)算,當(dāng)荷載因子為0.788時(shí),計(jì)算終止,即結(jié)構(gòu)達(dá)到極限承載能力。由此可見,當(dāng)達(dá)到汽車荷載的2.364倍時(shí)斜交實(shí)心板橋達(dá)到極限承載能力,汽車荷載超載136.4%以內(nèi)不會(huì)造成橋梁垮塌。

        2.1 變形分析

        通過計(jì)算,得到極限狀態(tài)下斜交實(shí)心板橋的撓度如圖4所示。由圖4可以看出,斜交實(shí)心板橋的撓度最大值為4.23mm,出現(xiàn)在跨中截面的翼板邊緣。

        圖4 極限狀態(tài)下斜交實(shí)心板橋的撓度

        2.2 應(yīng)力分析

        通過計(jì)算,得到極限狀態(tài)下斜交實(shí)心板橋的第一主應(yīng)力如圖5所示。

        圖5 極限狀態(tài)下的應(yīng)力

        由圖5可以看出,斜交實(shí)心板橋的頂面主拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在鈍角角隅位置,約1.58MPa;底面的主拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在跨中截面的邊緣附近,約2.40MPa,達(dá)到C40混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;在底面的鈍角支座位置附近有最大的主壓應(yīng)力值,約1.52MPa。通過查詢鋼筋的應(yīng)力可知:鋼筋的拉應(yīng)力最大值為56.65MPa,壓應(yīng)力最大值為36.63MPa,遠(yuǎn)低于鋼筋的屈服極限。

        2.3 裂縫分析

        通過計(jì)算可知:斜交實(shí)心板橋在極限狀態(tài)下的裂縫寬度最大值為0.034mm,出現(xiàn)在跨中附近,裂縫走向大致為橫向。總的來看,裂縫主要分布在跨中截面及其附近截面的下緣,在鈍角支座位置也存在少許裂縫。

        3 結(jié)構(gòu)受力過程分析

        提取荷載因子為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.725、0.75、0.769、0.788時(shí)斜交實(shí)心板橋的撓度、混凝土第一主應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力和裂縫寬度的最大值,如圖6所示。

        圖6 結(jié)構(gòu)受力變化規(guī)律

        由圖6(a)可以看出,隨著荷載因子的增大,斜交實(shí)心板橋的撓度最大值逐漸增大,撓度最大值由荷載因子為0.1時(shí)的1.63mm增大到荷載因子為0.788時(shí)的4.23mm,同時(shí)可以看出其增長(zhǎng)速率也逐漸增大。由圖6(b)可以看出,荷載因子為0.2時(shí),斜交實(shí)心板橋的混凝土主拉應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到2.4MPa,即C40混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。由此可見,汽車荷載達(dá)到公路-Ⅱ級(jí)的60%時(shí),斜交實(shí)心板橋的受力已經(jīng)進(jìn)入非線性狀態(tài),結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫,斜交實(shí)心板橋是帶裂縫工作的。隨著荷載因子的增大,主壓應(yīng)力逐漸增大,由荷載因子為0.1時(shí)的0.75MPa增大到荷載因子為0.788時(shí)的1.52MPa。由圖6(c)可以看出,隨著荷載因子的增大,鋼筋的拉應(yīng)力最大值和壓應(yīng)力最大值均逐漸增大,且增長(zhǎng)速率逐漸增加,拉應(yīng)力最大值由荷載因子為0.1時(shí)的14.77MPa增大到荷載因子為0.788時(shí)的56.65MPa,壓應(yīng)力最大值由荷載因子為0.1時(shí)的15.06MPa增大到荷載因子為0.788時(shí)的36.63MPa。由圖6(d)可以看出,斜交實(shí)心板橋的裂縫寬度最大值也隨著荷載因子的增大逐漸而增大,裂縫寬度由荷載因子為0.1時(shí)的0增大到荷載因子為0.788時(shí)的0.034mm。

        從裂縫的分布范圍來看,隨著荷載因子的增大,裂縫分布的縱橋向?qū)挾戎饾u增大,裂縫的橫橋向分布走向并不完全平行于橋梁端部,其橫橋向分布走向稍向斜交板鈍角方向偏轉(zhuǎn)。

        4 結(jié)論

        通過斜交實(shí)心板橋的極限承載能力分析,可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

        (1)當(dāng)汽車荷載達(dá)到公路-Ⅱ級(jí)的60%時(shí),斜交實(shí)心板橋的結(jié)構(gòu)受力進(jìn)入非線性狀態(tài),斜交實(shí)心板橋在公路-Ⅱ級(jí)荷載作用下是帶裂縫工作的。

        (2)當(dāng)汽車荷載超載136.4%時(shí),斜交實(shí)心板橋的受力達(dá)到極限狀態(tài),由此可見斜交實(shí)心板橋具有較大的安全儲(chǔ)備。

        (3)隨著荷載因子的增大,斜交實(shí)心板橋的撓度、鋼筋應(yīng)力、裂縫寬度最大值均逐漸增大,其增長(zhǎng)速率逐漸加快。

        (4)隨著荷載因子的增大,裂縫分布的縱橋向?qū)挾戎饾u增大,裂縫的橫橋向分布走向并不完全平行于橋梁端部,稍向斜交板鈍角方向偏轉(zhuǎn)。

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