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        基于有限元模擬分析連續(xù)剛構(gòu)橋體外預應(yīng)力維修加固方案有效性

        2023-03-10 08:17:10趙家勝
        黑龍江交通科技 2023年1期
        關(guān)鍵詞:剛構(gòu)橋撓度主梁

        趙家勝

        (烏海市公路養(yǎng)護中心,內(nèi)蒙古 烏海 016000)

        0 引 言

        隨著通車時間延長,在混凝土收縮、徐變、預應(yīng)力損失、溫度等因素影響下,PC連續(xù)剛構(gòu)橋出現(xiàn)橋梁箱體開裂現(xiàn)象,對行車安全產(chǎn)生了不利影響[1]。該文對PC連續(xù)剛構(gòu)橋橋梁病害情況、病害誘因、加固措施等進行了分析,針對橋梁預應(yīng)力損失,通過有限元模型模擬進行了加固方案效果的討論。

        1 工程概況

        橋梁為PC變截面連續(xù)剛構(gòu)橋,箱梁截面為單箱單室,采用橫向預應(yīng)力、縱向預應(yīng)力、豎向預應(yīng)力三體系構(gòu)成,全長178.2 m,梁頂板寬12 m,底板寬6 m,根部梁高4.6 m,跨中梁高2.3 m,箱梁下結(jié)構(gòu)為雙薄壁柔性橋墩和柱臺式樁基。對此橋梁病害情況現(xiàn)場調(diào)研,結(jié)果發(fā)現(xiàn)橋梁頂板、底板縱向裂縫較多,腹板斜向裂縫明顯,存在行車風險。

        2 典型病害

        橋梁上部構(gòu)件常見病害類型包括鋼構(gòu)底板橫向裂縫、底板縱向裂縫、頂板縱向裂縫、腹板斜向裂縫,頂板縱向裂縫和腹板斜向裂縫最為常見[2]。PC連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)喜『φT因如下。(1)頂板預應(yīng)力損失,PC連續(xù)剛構(gòu)橋跨中下?lián)鲜芰Σ环€(wěn)定。(2)車輛荷載作用,影響混凝土徐變性能。(3)底板橫向裂縫或縱向裂縫出現(xiàn)后,箱梁主梁被拉伸,箱梁穩(wěn)定性不足,結(jié)構(gòu)受挫,剛度降低,存在一定的質(zhì)量風險。

        3 橋梁加固及維修方案

        3.1 加固設(shè)計目標及思路

        通過“箱內(nèi)體外束+箱內(nèi)腹板加厚+箱內(nèi)頂板粘貼鋼板+箱外底板粘貼鋼板”聯(lián)合加固方案,改善PC連續(xù)剛構(gòu)橋主梁應(yīng)力狀態(tài),使橋面變形性得以改善,增強剛構(gòu)橋跨中下?lián)系装逑戮夘A應(yīng)力,改善其承載力和穩(wěn)定性[3]。

        3.2 維修完善

        (1)增大箱梁腹板截面補強薄弱位置,避免裂縫發(fā)展,采用粘貼鋼板的方式處置頂板或底板薄弱位置,進一步改善裂縫處應(yīng)力狀態(tài),抑制裂縫進一步發(fā)展[4]。

        (2)PC連續(xù)剛構(gòu)橋主梁邊跨或中跨腹板斜向裂縫,增設(shè)體外預應(yīng)力,改善橋面變形狀態(tài),調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)受力,以增強其承載力。

        3.3 完善方案及內(nèi)容

        (1)采用通長布置的方式于箱梁內(nèi)部布置體外預應(yīng)力,加設(shè)體外預應(yīng)力后連續(xù)剛構(gòu)橋主跨跨中處出現(xiàn)一定程度位移,橋梁承載力得以改善。

        (2)順著橋梁方向,于主墩墩頂和轉(zhuǎn)向處設(shè)置預應(yīng)力束,采用框架梁加固,確保無體外束下彎情況,保持頂板與預應(yīng)力束位置間隔合理,下彎與底板位置靠近。為提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,盡量減少體外束彎曲,以防止預應(yīng)力損失。根據(jù)項目需求和施工情況結(jié)合體外預應(yīng)力布置情況,在箱梁邊跨處設(shè)置直徑為15 mm的預應(yīng)力束,。

        4 橋梁預應(yīng)力損失和加固效果

        4.1 有限元模擬及分析方法

        采用midas Civil有限元軟件建立模型,根據(jù)PC連續(xù)鋼構(gòu)模型,全橋共236個單元和254個節(jié)點。結(jié)合項目施工圖和工藝參數(shù),對有限元模型的相關(guān)參數(shù)進行修正,使其應(yīng)力符合實際情況,對橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力和預應(yīng)力指標進行計算[5]。

        4.2 橋梁預應(yīng)力損失和加固效果對比分析

        通過midas Civil有限元軟件進行建模,對“箱內(nèi)體外束+箱內(nèi)腹板加厚+箱內(nèi)頂板粘貼鋼板+箱外底板粘貼鋼板”方案的加固方案效果進行分析,探究縱向預應(yīng)力損失與主梁應(yīng)力間的關(guān)系[6],對不同工序條件下的加固效果進行分析。

        (1)加固措施實施前,縱向預應(yīng)力損失與主梁應(yīng)力間關(guān)系如圖1所示。

        圖1 加固前縱向預應(yīng)力損失對主梁上、下緣應(yīng)力影響

        對圖1分析可知,加固前,縱向預應(yīng)力損失后,連續(xù)鋼構(gòu)橋梁主梁上緣應(yīng)力損失為10%時,測量結(jié)果顯示主梁上緣最大應(yīng)力為-6.62 MPa和-6.43 MPa,主梁下緣應(yīng)力損失10%時,最大應(yīng)力為-7.13 MPa和-6.8 MPa。主梁上緣預應(yīng)力損失20%時,最大應(yīng)力為-7.21 MPa和-7.74 MPa,主梁下緣最大應(yīng)力為-7.28 MPa和-6.4 MPa。

        (2)連續(xù)剛構(gòu)橋處于正常使用的極限狀態(tài)下,主梁上下緣應(yīng)力加固前后情況如圖2所示。

        圖2 正常使用極限狀態(tài)下主梁上、下緣應(yīng)力變化

        對圖2分析可知,連續(xù)剛構(gòu)橋主梁上緣加固前最大預應(yīng)力值為-8.48 MPa和-9.04 MPa,主梁下

        圖3 加固前后考慮預應(yīng)力損失的主梁上、下緣應(yīng)力變化

        緣加固前最大預應(yīng)力值為-7.45 MPa,加固后主梁上緣最大應(yīng)力值為-10.3 MPa和-10.9 MPa,連續(xù)鋼構(gòu)橋跨中應(yīng)力值為-11.3 MPa。

        (3)橋梁中跨底板縱向預應(yīng)力損失25%、其他區(qū)域預應(yīng)力損失20%情況下,主梁加固前后橋梁中跨上下緣應(yīng)力值變化情況如圖3所示。

        對圖3分析可知,將預應(yīng)力損失考慮在內(nèi),加固前主梁上緣最大應(yīng)力值為-6.24 MPa和-6.45 MPa,主梁跨中下緣應(yīng)力值為-4.12 MPa,加固后主梁上緣最大應(yīng)力值為-7.74 MPa和-8.17 MPa,加固后主梁跨中下緣應(yīng)力值為-8.15 MPa。

        (4)正常使用情況下橋梁極限狀態(tài)下?lián)隙戎狄姳?。分析表1可知。

        ①原設(shè)計方案條件下,剛構(gòu)橋邊跨相對撓度和中跨相對撓度值分別為7.22 mm和30.14 m,加固后邊跨相對撓度和中跨相對撓度值分別為6.61 mm和29.71 mm;

        ②中跨底板縱向預應(yīng)力損失25%和其他底板縱向預應(yīng)力損失為20%情況下,加固前邊跨和中跨相對撓度值分別為7.34 mm和29.78 mm,加固后邊跨和中跨相對撓度值分別為6.75 mm和27.49 mm。綜合分析可知,相關(guān)加固措施實施后,剛構(gòu)橋邊跨和中跨相對撓度值有所減少。

        表1 正常使用極限狀態(tài)下的撓度分析

        5 結(jié) 論

        對某PC變截面連續(xù)剛構(gòu)橋承載能力極限狀態(tài)進行了分析,并借助有限元模型模擬對原加固方案實施前后橋梁參數(shù)進行了對比。

        (1)借助有限元模型進行參數(shù)模擬和修正后發(fā)現(xiàn),縱向預應(yīng)力損失會導致預應(yīng)力減小,跨中撓度值增加,加固前主梁跨中相對撓度值為30.14 mm,借助張拉體外預應(yīng)力措施調(diào)整后,產(chǎn)生了3 mm的理論拱值,實際測量值與預期指標之間有一定的偏差。

        (2)中跨底板縱向預應(yīng)力損失25%和其他底板縱向預應(yīng)力損失為20%情況下,加固前主跨跨中截面下緣存在拉應(yīng)力,邊跨跨中位置拉應(yīng)力最大為7.84 MPa,上緣拉應(yīng)力值與橋梁開裂,下?lián)锨闆r下的數(shù)據(jù)接近。

        (3)正常極限使用狀態(tài)下,橋梁加固前主跨跨中截面下緣拉應(yīng)力為0.02~0.032 MPa。加固措施實施后,橋面處于全截面受壓狀態(tài),在荷載情況下測量主梁跨中預應(yīng)力,結(jié)果顯示張拉體外預應(yīng)力后,主跨跨中截面預應(yīng)力值明顯改善,主梁受力狀態(tài)有所好轉(zhuǎn),橋梁承載力與穩(wěn)定性明顯提升。

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