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        預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋梁加固及有限元分析

        2023-07-17 04:18:23孫鵬飛
        交通科技與管理 2023年12期
        關(guān)鍵詞:加固技術(shù)有限元分析

        孫鵬飛

        摘要 文章分析了橋梁加固方法,對(duì)比了橋梁不同加固方法的優(yōu)缺點(diǎn),并以A預(yù)應(yīng)力小箱梁橋?yàn)楣こ虒?shí)例,通過ANSYS有限元分析軟件對(duì)其進(jìn)行受力分析:主要計(jì)算縱向受力與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承載力,然后進(jìn)行對(duì)比分析;通過荷載實(shí)驗(yàn),計(jì)算梁底縱向應(yīng)力和撓度值;最后結(jié)合有限元分析和荷載實(shí)驗(yàn),分析預(yù)應(yīng)力小箱梁病害原因,選擇適應(yīng)加固方案。

        關(guān)鍵詞 預(yù)應(yīng)力小箱梁橋;加固技術(shù);有限元分析

        中圖分類號(hào) U445.72文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949(2023)12-0069-03

        0 引言

        該文以A預(yù)應(yīng)力小箱梁橋作為工程案例,根據(jù)有限元分析軟件ANSYS架構(gòu)小箱梁空間板殼單元模型,由此計(jì)算箱梁橋在極限承載力狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變情形,分別進(jìn)行靜載和動(dòng)載實(shí)驗(yàn),分析A橋?qū)嶋H承載力與原設(shè)計(jì)沖擊系數(shù)是否合適,以此總結(jié)以預(yù)應(yīng)力小箱梁結(jié)構(gòu)特征的A橋病害產(chǎn)生的原因,提出相應(yīng)的加固方案。

        1 橋梁加固常規(guī)方法及優(yōu)缺點(diǎn)分析

        由于起初設(shè)計(jì)載荷等級(jí)較低,不適應(yīng)目前標(biāo)準(zhǔn)和車輛載荷增加等方面的需求,需要采取措施以滿足橋梁結(jié)構(gòu)承載力要求。總結(jié)橋梁加固的方法,發(fā)現(xiàn)工程上主要采用內(nèi)在措施和外在措施對(duì)橋梁加固改造[1-4]。國內(nèi)常規(guī)加固方法及優(yōu)缺點(diǎn)分析見表1。

        2 有限元分析模型

        2.1 工程概況

        某工程A小箱梁橋梁設(shè)計(jì)荷載汽-20,橋梁長度2.0 km,預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁作為主梁結(jié)構(gòu),下部的橋墩結(jié)構(gòu)是空心薄壁箱型,墩寬1.56 m?,F(xiàn)狀橋梁設(shè)計(jì)施工較早,建成通車年數(shù)久,病害多。主要病害列舉如下:

        (1)該橋梁表面損害嚴(yán)重,存在大范圍的混凝土剝落現(xiàn)象和橋梁滲水、漏水現(xiàn)象。

        (2)由于橋梁滲水導(dǎo)致橋梁端頭和橋墩一直處于泡水狀態(tài),造成水損害,引起混凝土的大面積脫落,致使鋼筋裸露產(chǎn)生銹蝕,結(jié)構(gòu)承載力降低。

        (3)該橋箱體高度為1.2 m,橋下凈空受限,由于車輛撞擊造成破損嚴(yán)重。

        2.2 計(jì)算模型

        采用橫向分布系數(shù),將橋梁三維空間模型問題轉(zhuǎn)化為平面模型問題。該文應(yīng)用受力分析軟件ANSYS程序建立三維立體模型,應(yīng)用橫向分布系數(shù)對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁進(jìn)行模擬分析計(jì)算。有限元分析模型如圖1所示。

        3 試驗(yàn)分析

        3.1 靜載試驗(yàn)

        對(duì)試驗(yàn)段梁進(jìn)行選取時(shí),選擇較好的梁進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn),明確各測(cè)點(diǎn),詳細(xì)分布點(diǎn)位如圖2所示。

        采取有限元分析模型計(jì)算得到內(nèi)力值、變形值與荷載試驗(yàn)結(jié)果比對(duì),主梁應(yīng)力和撓度比較見表2。

        由表2可得出該橋梁結(jié)構(gòu)的剛度較小,梁底的應(yīng)力實(shí)測(cè)值和撓度實(shí)測(cè)值均大于理論計(jì)算值,這表明跨中梁底在靜止荷載下產(chǎn)生的實(shí)際作用效果會(huì)導(dǎo)致裂縫,同時(shí)經(jīng)現(xiàn)場狀況核查,橋面板亦有開裂現(xiàn)象,裂縫延展會(huì)不利于橋梁結(jié)構(gòu)的使用耐久性,需對(duì)橋梁進(jìn)行必要的加固。

        3.2 動(dòng)載試驗(yàn)

        采取標(biāo)準(zhǔn)載重為30 t的車輛,分別以行駛速度5 km/h、

        10 km/h、20 km/h、30 km/h和40 km/h行駛于橋梁,測(cè)試箱梁底部動(dòng)撓度和動(dòng)應(yīng)變得到的沖擊系數(shù)見表3。

        由表3數(shù)據(jù)可知,在載重30 t車輛低于40 km/h行駛速度下的橋梁沖擊系數(shù)均能滿足工程相關(guān)要求,同時(shí)表明隨著車輛行駛速度的增加,橋梁沖擊系數(shù)也隨之增加,因而應(yīng)重視車輛速度對(duì)沖擊系數(shù)這一指標(biāo)的影響。

        4 具體加固方案

        根據(jù)以上試驗(yàn)研究分析,該預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁產(chǎn)生裂縫病害的原因是由于橋梁橫向剛度和橋面板承載力不足。結(jié)合病害原因,根據(jù)前文橋梁加固方法,得到以下加固方案:

        方案一:在主梁間加設(shè)橫隔板,增強(qiáng)橫向結(jié)構(gòu)聯(lián)系,以此來提高小箱梁結(jié)構(gòu)的橫向剛度,提升整體的穩(wěn)定性能。

        方案二:同時(shí)在主梁和縱梁中加設(shè)橫隔板。方案一只考慮主梁設(shè)置,該方案將導(dǎo)致腹板產(chǎn)生較大受力,對(duì)腹板的不利影響不言而喻,因此,考慮該影響應(yīng)對(duì)縱梁也設(shè)置橫隔板。

        方案三:在主梁間設(shè)置斜支撐。一是由于采取方案一會(huì)破壞主梁腹板,二是采取方案二,多處設(shè)置橫隔板會(huì)加大橋梁自重,因而考慮采用該方案三加設(shè)斜向支撐加強(qiáng)橫向剛度。

        方案四:對(duì)橋梁面板進(jìn)行加厚。經(jīng)現(xiàn)場觀測(cè)和前述受力分析,老橋的橋面板結(jié)構(gòu)承載力不足,可對(duì)其進(jìn)行加厚處理達(dá)到加固目的。

        對(duì)方案一和方案二的加固方案進(jìn)行比較,以是否位于橋梁腹板施加橫梁結(jié)構(gòu)對(duì)比分析其正向應(yīng)力和主拉應(yīng)力,從而分析兩種橫隔板設(shè)置方案對(duì)小箱梁的加固有無效果,是否方案二同時(shí)位于縱梁處加設(shè)橫隔板要優(yōu)于方案一。

        根據(jù)圖3~4分析可知,加橫梁的橋梁受力效果明顯改善。梁中加橫梁后,腹板正應(yīng)力減少,最大減少比例為15%,另外腹板主拉應(yīng)力也相應(yīng)減少,降低比例為21%。這表明小箱梁位于主梁和縱梁之間均設(shè)置橫梁其加固效果更佳。

        根據(jù)圖5分析可知,將方案三和方案一進(jìn)行分析對(duì)比,即確定加設(shè)斜撐和加設(shè)橫隔板何種方案更優(yōu)。從圖5得知在直接荷載下加設(shè)橫梁和加設(shè)斜撐,最大的撓度值相差百分比為1.3%。在荷載作用情況下加設(shè)橫梁和加設(shè)斜撐,最大的撓度值百分比相差為2%。兩種工況情況下的梁底撓度值基本重疊,相差無幾,由此分析可知,設(shè)置斜向支撐和設(shè)置橫隔板基本等效,而僅設(shè)置斜撐相比而言可大幅降低橋梁自重,該方案可取代橫梁提高小箱梁橫向高度,加固效果更好。

        5 結(jié)論

        該文通過對(duì)比研究各類橋梁加固方案的優(yōu)缺點(diǎn),再結(jié)合有限元分析對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁進(jìn)行荷載檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。通過以上手段得到橋梁裂縫病害原因,并針對(duì)該類病害,提出針對(duì)性的加固措施。主要研究結(jié)論如下:

        (1)經(jīng)過基于橫向分布系數(shù)下的ANSYS分析計(jì)算結(jié)果,箱梁結(jié)構(gòu)極限承載力大于縱向應(yīng)力,因而縱向受力滿足需求。

        (2)梁底的應(yīng)力實(shí)測(cè)值和撓度實(shí)測(cè)值均大于理論計(jì)算值,由此表明跨中梁底在靜止荷載下產(chǎn)生的實(shí)際作用效果會(huì)導(dǎo)致裂縫。

        (3)隨著車輛行駛速度的增加,橋梁沖擊系數(shù)也隨之增加,因而應(yīng)重視車輛速度對(duì)沖擊系數(shù)這一指標(biāo)的影響。

        (4)基于前文橋梁加固方案比選,并對(duì)小箱梁橫隔梁和斜撐方案進(jìn)行力學(xué)變形分析,得到采取斜撐的方法可以有效增加結(jié)構(gòu)橫向剛度、減少橋梁自重,因而采取該方案對(duì)小箱梁加固是適宜的。

        參考文獻(xiàn)

        [1]王亞軍. 橋梁加固方法的對(duì)比分析[J]. 交通標(biāo)準(zhǔn)化, 2004(8): 70-73.

        [2]彭華榮. 粘貼鋼板技術(shù)在橋梁加固中的應(yīng)用[J]. 山西建筑, 2008(4): 320-321.

        [3]余天慶, 蔣永紅. 拱式橋梁加固技術(shù)的研究與應(yīng)用[J]. 世界橋梁, 2006(1): 74-76.

        [4]胡爾華. 橋梁加固的方法探討[J]. 山西科技, 2011(1): 100-101.

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