橫向連接失效對(duì)空心板橋受力影響

相宏偉

(1.河北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院;2.河北省道路結(jié)構(gòu)與材料工程技術(shù)研究中心)

混凝土空心板因其自重輕、結(jié)構(gòu)性能優(yōu)、預(yù)制施工方便等諸多有利因素而被廣泛運(yùn)用于土建項(xiàng)目中。但隨著交通運(yùn)輸?shù)呐畈l(fā)展，特別是重載車輛的迅速增長(zhǎng)，同時(shí)因自然環(huán)境的影響、某些局部設(shè)計(jì)不合理、施工工藝條件限制等原因，對(duì)運(yùn)營(yíng)的公路承載能力提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。空心各板之間橫向通過現(xiàn)澆的鉸縫混凝土鉸接和焊接鋼板聯(lián)結(jié)，使橋梁成為一個(gè)整體受力結(jié)構(gòu)，這樣就能顯著地減小單根板梁受力，達(dá)到正常運(yùn)營(yíng)的目的。然而，在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)之后，橋梁多出現(xiàn)橫向連接失效的狀況。基于已加固的某空心板橋進(jìn)行計(jì)算分析，討論鉸縫注膠失效與橫向鋼板聯(lián)系失效對(duì)橋梁整體性的影響程度。

1 依托工程概述及有限元計(jì)算模型

以某空心板橋?yàn)槔芯繖M向連接失效機(jī)理及對(duì)空心板橋受力影響分析。該空心板橋跨徑為6 m，主梁為簡(jiǎn)支實(shí)心板結(jié)構(gòu)，采用油氈支座，下部結(jié)構(gòu)采用支撐式橋臺(tái)。該橋示意圖見圖1、圖2 所示。

圖1 某橋示意圖

圖2 某橋示意圖

設(shè)計(jì)荷載為:汽－超20 級(jí);掛－120;橋面寬度為:凈11.5 ×2 +2 ×0.5 防撞護(hù)欄+2 m 中間分隔帶，全寬26 m。

橋梁在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)之后出現(xiàn)了鉸縫失效的現(xiàn)象，影響橋梁整體性與行車舒適性，針對(duì)這一病害對(duì)橋梁進(jìn)行壓力注膠加固與主梁下方粘貼鋼板加固。

壓力注膠加固法是將鉸縫造成一個(gè)密閉空腔，預(yù)留進(jìn)出口，有效運(yùn)用高壓灌漿設(shè)備，將化學(xué)膠液灌入鉸縫縫隙內(nèi)，使其迅速擴(kuò)散、凝結(jié)并固化。通過新型環(huán)氧樹脂膠良好的粘結(jié)性能和力學(xué)性能、快速的固化時(shí)間，恢復(fù)兩側(cè)梁板之間的連接，提高鉸縫的抗剪能力，有效恢復(fù)橋梁結(jié)構(gòu)的整體性能。加固示意圖3 所示。

圖3 壓力注膠加固鉸縫示意圖

橫向粘貼鋼板加固法是在空心板橫向聯(lián)系較弱、鉸縫失效、單板受力的情況下，粘結(jié)劑及錨栓將鋼板橫橋向垂直粘貼錨固在空心板鉸縫處，使相鄰空心板共同受力，鋼板作為橫向聯(lián)系，提高橋梁整體受力性能，加固示意圖4 所示。

圖4 粘貼鋼板加固示意圖

采用橋梁專業(yè)有限元分析軟件建立有限元模型.其中主梁采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，支座采用一般支撐進(jìn)行模擬，一般的小跨徑鉸接板梁橋多為根據(jù)經(jīng)典鉸接板法計(jì)算，各板是依靠鉸縫連接在一起。在用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，用梁?jiǎn)卧M橫向連接，并通過設(shè)置節(jié)點(diǎn)傳力功能，且一端節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)全部放松，使有限元模型和橋梁的實(shí)際情況一致。在建模過程中，以由13 塊板組成的跨徑為6 m 的空心板橋?yàn)槔M(jìn)行分析。

2 空心板橋受力計(jì)算分析

本文進(jìn)行受力影響分析時(shí)，以設(shè)計(jì)為基準(zhǔn)狀態(tài)，利用傳統(tǒng)的橫向鉸接板(梁)理論對(duì)橋梁出現(xiàn)的病害進(jìn)行模擬。分析橋梁橫向聯(lián)系加固后、橫向連接鋼板失效、鉸縫混凝土與橫向連接鋼板失效三個(gè)工況進(jìn)行分析，得出結(jié)構(gòu)在荷載作用下的效應(yīng)對(duì)比，分析結(jié)構(gòu)的病害的分析方法與影響程度。

對(duì)橋梁6#、7#、8#、9#空心板進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)，得到6#、7#、8#、9#空心板豎向撓度最大值。并對(duì)不同工況進(jìn)行模擬，對(duì)空心板鉸接縫采用不同單元形式，分別進(jìn)行了鉸縫鏈桿單元模擬經(jīng)典鉸接板法計(jì)算針對(duì)工況:橋梁橫向聯(lián)系加固后、鉸縫處橫向連接鋼板失效、鉸縫混凝土與橫向連接鋼板失效進(jìn)行受力分析計(jì)算。通過對(duì)鉸接板橋建立整體計(jì)算模型。對(duì)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行橫向與縱向?qū)Ρ龋玫娇招陌遑Q向位移在不同計(jì)算工況下的分布情況，分析橫向連接失效對(duì)空心板橋的豎向受力情況的影響。

圖5 動(dòng)載工況下有限元計(jì)算豎向最大撓度

圖6 動(dòng)載工況下實(shí)測(cè)豎向最大撓度

由圖5 有限元計(jì)算結(jié)果可知:空心板最大撓度出現(xiàn)在7#到8#空心板處，空心板加固后豎向撓度最小，且撓度曲線較平滑;空心板橫向加固鋼板失效后豎向撓度出現(xiàn)一定的變大，且峰值與最小值之間差值變大;空心板鉸縫與鋼板失效后空心板豎向撓度均變大，7#、8#空心板出現(xiàn)明顯的“單板受力”情況，其豎向撓度最大值為6#、9#豎向撓度的兩倍左右。由圖6 實(shí)測(cè)結(jié)果可知:實(shí)測(cè)結(jié)果曲線趨勢(shì)與有限元計(jì)算結(jié)果類似，但鉸縫與鋼板失效后，8#板出現(xiàn)了空心板明顯的“單板受力”情況。分析現(xiàn)場(chǎng)情況，8#板出現(xiàn)了空心板明顯的“單板受力”情況是由于跑車位置有一定的橫向偏離，導(dǎo)致8#板撓度遠(yuǎn)大于其他空心板。

由圖7 ～圖9 豎向撓度曲線趨勢(shì)對(duì)比圖可知。對(duì)比有限元計(jì)算與實(shí)測(cè)撓度曲線趨勢(shì)，有限元計(jì)算峰值與最少值之間相差0.099 cm、0.156 cm、0.207 cm。實(shí)測(cè)峰值與最少值之間相差0.339 cm、0.379 cm、0.995 cm。實(shí)測(cè)峰值與最小值之間差值為計(jì)算差值的2.43 倍到4.61 倍，實(shí)測(cè)撓度曲線峰值明顯，且峰值與最小值差距較大，有限元計(jì)算結(jié)果偏于保守，現(xiàn)場(chǎng)多種影響因素導(dǎo)致”單板受力“情況越加明顯。

圖7 加固后撓度曲線趨勢(shì)對(duì)比圖

圖8 鋼板失效撓度曲線趨勢(shì)對(duì)比圖

圖9 鉸縫與鋼板失效撓度曲線趨勢(shì)對(duì)比圖

3 結(jié) 論

(1)空心板橫向連接處板間受力復(fù)雜，傳統(tǒng)的橫向鉸接板(梁)理論不能很好的模擬現(xiàn)場(chǎng)空心板橫向連接間受力情況，計(jì)算結(jié)果較為保守，未能突出模擬空心板的”單板受力“情況。

(2)空心板加固后，橫向鋼板失效與壓力注膠失效對(duì)橋梁的承載力有一定幅度的降低，同時(shí)空心板橋的”單板受力“情況有逐漸增加，使橋梁的整體受力性能得到大幅度降低。

(3)鉸縫是空心板橋的關(guān)鍵受力部件，受力情況復(fù)雜，在施工過程中，鉸縫內(nèi)混凝土需嚴(yán)格按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)澆筑養(yǎng)護(hù);橋梁運(yùn)營(yíng)過程中，應(yīng)采取措施限制橋梁超負(fù)荷工作;對(duì)橋梁的細(xì)致的養(yǎng)護(hù)與檢查工作也可保證鉸縫的正常使用。

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