裝配式斜交空心板橋體外橫向預(yù)應(yīng)力加固研究

張?jiān)颇龋?淮

(1.深圳市綜合交通設(shè)計(jì)研究院，深圳 518003;2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，鄭州 450001)

在橋梁建設(shè)中，由于公路對線形的要求，或者橋位處的地形限制，常常建造斜交空心板橋。早期所建造的裝配式空心板橋，各板之間多用小企口縫連接。近些年隨著交通量急劇增大，裝配式空心板橋在橋面經(jīng)常出現(xiàn)沿板間企口縫的縱向裂縫、坑槽和塌陷等病害，發(fā)展下去將使裝配式空心板之間的橫向聯(lián)系失效，出現(xiàn)單板受力現(xiàn)象，影響橋梁安全［1-2］。

針對裝配式空心板橋橫向聯(lián)系失效的病害，工程界提出了一種通過施加體外橫向預(yù)應(yīng)力來增強(qiáng)橋梁橫向整體性的方法［3-5］。施加體外橫向預(yù)應(yīng)力的方法雖已在一些工程中得到使用，但是關(guān)于施加體外橫向預(yù)應(yīng)力的加固效果，尤其是對裝配式斜交空心板橋的加固效果，還未見文獻(xiàn)報(bào)道。本文采用有限元方法，對裝配式斜交空心板橋施加橫向預(yù)應(yīng)力加固后的效果進(jìn)行數(shù)值模擬和分析。

1 橋梁概況與建模

某標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土斜交空心板橋，橫向由11塊空心板組成，橋梁寬度為11 m，跨徑為30 m，交角為15°。采用施加體外橫向預(yù)應(yīng)力加固所用的應(yīng)力筋設(shè)置為:沿順橋方向，從通過第6號板的中點(diǎn)并垂直于橋軸線方向橫截面開始，向兩端依次在間距為1 m，2 m，3 m，3 m處設(shè)置體外橫向預(yù)應(yīng)力筋，共計(jì)9根。體外橫向預(yù)應(yīng)力筋在空心板底3.5 cm處，兩端錨固在兩側(cè)邊空心板下面增加的牛腿上。

體外橫向預(yù)應(yīng)力筋采用1×7-φj15鋼絞線。橋面板和企口縫混凝土的彈性模量為3.25×104MPa，泊松比為0.2;混凝土護(hù)欄的彈性模量為2.80×104MPa，泊松比為0.167;防水混凝土鋪裝層的彈性模量為3.00×104MPa，泊松比為0.2。橋梁橫截面、單板橫截面見圖1、圖2。

采用MIDAS/Civil有限元程序建立上述裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土斜交空心板橋的空間有限元計(jì)算模型。用三維空間塊體單元對空心板橋進(jìn)行離散，截面頂板普通鋼筋區(qū)采用鋼筋與混凝土的折算彈性模量考慮頂板處普通鋼筋的影響，截面底部預(yù)應(yīng)力鋼筋采用等效的預(yù)應(yīng)力板帶模擬;橫向預(yù)應(yīng)力筋采用只受拉不受壓的桁架單元。全橋共計(jì)劃分110 952個(gè)實(shí)體單元，9個(gè)桁架單元，132 307個(gè)節(jié)點(diǎn)。空心板橋邊界條件為兩端簡支，共計(jì)44個(gè)支座。

圖1 全橋橫截面(單位:cm)

圖2 單板橫截面(單位:cm)

裝配式空心板橋加固前后的荷載橫向分布影響線的平緩變化程度可以反映空心板橋的加固效果，本文借用荷載橫向分布影響線的變化來評價(jià)施加體外橫向預(yù)應(yīng)力后裝配式斜交空心板橋的加固效果。為了得到橋梁荷載橫向分布影響線，分別在第6號板中點(diǎn)并垂直于橋軸線方向的橫截面上，對第1～6號板的板中心處施加單位豎向荷載，對每個(gè)單位荷載，再細(xì)分2種工況:工況1，僅單位荷載;工況2，單位荷載 +100 kN/根的體外橫向預(yù)應(yīng)力筋荷載，全橋共計(jì)12種工況。

由于鉸接空心板橋按板撓度和彎矩求得的跨中荷載橫向分布影響線是一致的，本文按各板在計(jì)算面上的撓度比例計(jì)算跨中荷載橫向分布影響線。具體計(jì)算過程為:將單位荷載依次施加到空心板計(jì)算截面上的寬度中心處，計(jì)算得到對應(yīng)于此荷載的各個(gè)空心板的撓度值，根據(jù)位移互等定理，可得到該塊空心板撓度的橫向影響線，最后根據(jù)撓度和荷載橫向影響線的關(guān)系，得到空心板橋荷載橫向分布影響線。

2 計(jì)算結(jié)果及其分析

2.1 未施加體外橫向預(yù)應(yīng)力的荷載橫向分布影響線

施加體外橫向預(yù)應(yīng)力前，各片空心板間的橫向聯(lián)系較弱，可視為鉸接;根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62—2004)的規(guī)定:“整體式或裝配式斜交板橋，當(dāng)斜度等于或小于15°時(shí)，可按正交板計(jì)算”，可知:對于本橋，加固前的荷載橫向分布可近似看作正橋計(jì)算，故可根據(jù)傳統(tǒng)鉸接板理論，通過對相應(yīng)的正橋計(jì)算來得到荷載橫向分布影響線。為了對比計(jì)算結(jié)果，將裝配式空心板橋加固前采用有限元法與按傳統(tǒng)鉸接板法對應(yīng)正橋計(jì)算得到的橫向分布影響線繪于圖3。

圖3 加固前各板荷載橫向分布影響線

對比圖3可知，采用有限元法與按傳統(tǒng)鉸接板法計(jì)算得到的荷載橫向分布影響線吻合較好，說明本文所建立的裝配式斜交空心板橋計(jì)算模型的正確性和有限元法的有效性，可以采用此有限元模型計(jì)算裝配式斜交空心板的荷載橫向分布影響線。

2.2 施加體外橫向預(yù)應(yīng)力前后荷載橫向分布影響線

為了評價(jià)施加體外橫向預(yù)應(yīng)力加固裝配式斜交空心板橋的效果，對第1～6號空心板加固前后的荷載橫向分布影響線進(jìn)行比較，如圖4所示(限于篇幅，文中僅列出其中4塊板)。

分析圖4可以看出，裝配式斜交空心板橋施加體外橫向預(yù)應(yīng)力后，荷載橫向分布影響線變得平緩，說明空心板之間的傳力作用有所增強(qiáng)。亦即由單板受力向多板協(xié)同作用發(fā)展，表明了施加體外橫向預(yù)應(yīng)力加固法對提高裝配式斜交空心板橋橫向整體性是有效的。

圖4 加固前后各板荷載橫向分布影響線

2.3 斜交角對加固效率的影響

分別建立跨徑、寬度和材料均與上述裝配式斜交空心板橋相同，但斜交角分別為 0°(即正橋)、30°和45°的3座橋梁的有限元計(jì)算模型，通過計(jì)算確定斜交角對裝配式斜交空心板橋加固效率的影響。根據(jù)這3個(gè)計(jì)算模型和15°斜交角模型所得結(jié)果，以荷載橫向分布影響線最大值與最小值的差值Δη=ηmax-ηmin的變化λ(Δη)作為評價(jià)加固效果的指標(biāo)，得出斜交角對加固效率λ(Δη)的影響，如表1所示。

表1 斜交角對各片空心板 λ(Δη)的影響 %

由表1可知，施加體外橫向預(yù)應(yīng)力加固裝配式斜交空心板橋，效果沒有正交板橋明顯;在跨徑、寬度、截面特征系數(shù)γ和體外橫向預(yù)應(yīng)力荷載大小均相同的情況下，隨著斜交角的增大，加固效率將逐漸減小。

3 結(jié)論

1)對比施加體外橫向預(yù)應(yīng)力加固裝配式斜交空心板橋前后荷載橫向分布影響線圖可知，采用施加體外橫向預(yù)應(yīng)力方法，對裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土斜交空心板橋進(jìn)行加固，能有效地改善荷載橫向分布，增加空心板之間的橫向聯(lián)系和板間協(xié)同作用能力，增強(qiáng)裝配式空心板橋的整體性，加固效果明顯。

2)對于斜交角不同的裝配式斜交空心板橋，施加體外橫向預(yù)應(yīng)力加固后，對比加固效率可知:斜交角的大小對裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土斜交空心板橋的加固效果影響較大，斜交角越大，加固效率越低。

［1］陳曉強(qiáng)，趙佳軍，吳建平.板梁結(jié)構(gòu)由鉸縫引起的病害分析及加固改造［J］.現(xiàn)代交通科技，2004(1):46-48.

［2］王硯酮.高等級公路中“單板受力”現(xiàn)象及原因分析［J］.公路交通技術(shù)，2004(4):29-32.

［3］胡巧玲.裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁加固方式的探討［J］.鐵道建筑，2009(3):27-28.

［4］李友好，趙豫生.某病害橋橫向體外預(yù)應(yīng)力加固實(shí)踐［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，24(2):18-21.

［5］陳淮，張?jiān)颇龋鹚鼐?橫向體外預(yù)應(yīng)力加固裝配式空心板橋的探討［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，5(6):22-25.