1、1简支空心板桥加宽刚度渐变施工细部分析摘要：以某高速公路空心板桥为工程背景，采用有限元程序 Midas建立该桥的空间有限元计算模型，细部分析结果表明：横向刚度渐变构件的槽钢和螺栓在工作时容易出现应力集中。螺栓出现应力集中现象，其应力值远大于槽钢的应力值，横向刚度渐变构件在工作时螺栓是薄弱部分，选择螺栓时，为了保证其有足够的安全可靠度，应选择高强螺栓和适当增加螺栓直径；所选定的槽钢和螺栓的局部应力都在材料承受范围内，给出空心板桥刚度渐变施工方案和具体措施。 关键字：空心板，加宽，细部分析 中图分类号：TS653.92+3 文献标识码： A 文章编号： 1 引言 分析已有的研究成果可以看出，采用分
2、离式加宽或刚性连接方案均没有达到理想的加宽工程效果，主要原因是新空心板和旧空心板之间存在较大的刚度差异，这种差异会在新旧空心板结合部位产生位移突变及附加应力，造成桥面铺装开裂，从而产生工程病害，不能满足工程使用要求。如果能将集中在两块空心板上的刚度差异有效地分配到多块板上，这样产生的变形或附加应力就会减小，满足工程使用要求。 对采用刚度渐变的空心板桥进行静力动力力学性能分析。计算结果表明：施加横向刚度渐变构件前后的整桥在过渡区域位移有较大的不同，在施加横向刚度渐变构件前，新内板和旧板之间出现较大的刚度突变，2引起位移突变；施加横向刚度渐变构件后，各个桥面板的位移呈现逐步变化的趋势。施加横向刚度
3、渐变构件前承受荷载的空心板荷载横向分布系数突起明显，即单板受力明显；施加横向刚度渐变构件后，荷载横向分布系数突起值减小，突起宽度增大，说明施加的集中荷载由多块板共同承担。对比施加横向刚度渐变构件前后的静力力学性能，证明了施加横向刚度渐变构件的有效性，横向刚度渐变效果良好。另外，施加横向刚度渐变构件前各桥板跨中位移达到最大值的时间也有一定的不同，说明其振动存在不同步现象，振动不同步可能会导致桥梁在使用期间，企口缝混凝土因桥板的不同步振动出现破坏；施加横向刚度渐变构件后各桥板之间振动位移协调性大大增强，达到最大位移的时间几乎一致。从动力效果分析也说明了施加横向刚度渐变构件的必要性和有效性。 2 工
4、程概况 通过上章加固效果的评价，证明了施加横向刚度渐变构件的必要性和有效性。为了方便施加横向刚度渐变构件的应用，本节对横向刚度渐变构件的槽钢的受力和布置情况进行分析。由于前文进行分析时，空心板和横向刚度渐变构件均采用梁单元模拟，只能分析整体结构的内力和位移，不能进行精确细部内力分析。因此，还需要运用 Midas/Civil有限元程序，对桥梁进行三维空间块体实体有限元建模，所建立的全桥三维有限元计算模型如图 1和图 2所示。 3图 1斜、正桥有限元计算模型 在细部分析有限元建模中，空心板的弹性模量采用钢筋与混凝土的折算弹性模量考虑普通钢筋和预应力钢筋的影响。对于空心板和底部横向刚度渐变构件均用块
5、体单元离散；根据横向刚度渐变构件实际施工情况，空心板与槽钢之间采用螺栓连接，槽钢没有与空心板完全粘连在一起，为了与实际情况接近，在细部分析有限元建模时，不能让槽钢的空间块体与空心板的空间块体全部共节点，仅在螺栓布置的地方，让空心板与槽钢的空间块体之间共节点连接。斜桥共划分为 21336个空间块体单元，33756 个节点。正桥共划分为 39406个空间块体单元，59741 个节点。由于该桥为简支板桥，故边界条件设为两端简支，全桥共有 146个支座。空心板企口缝同样采用块体建模，其与空心板的空间块体之间共节点连接，其弹性模量新板采用 C60的素混凝土，旧板采用 C40的素混凝土。 为了获得横向刚度
6、渐变构件的槽钢及螺栓的最不利受力状况，对桥梁进行最不利车辆荷载布置。由于本项目现场试验采用一辆 SH361型重车，单车前轴为 60kN，中后轴为 120kN，全车重 300kN。为了方便说明车辆荷载的横向加载位置，对整个桥板进行统一编号，最左边旧板为 1号板，最右边新板为 18号，如图 5.3所示。 图 2 整桥统一编号图 图 3加载重车横向加载位置 4横向布置：重车轮距为 1.8m，考虑到不允许交通断行，共考虑 8种横向加载位置： 横向加载位置 A：重车作用在旧板上，右轮位于 9号旧板中心； 横向加载位置 B：重车作用在旧板及新板上，左轮位于 10号新板中心； 横向加载位置 C：重车作用在旧
7、板上，右轮位于 11号新板中心； 横向加载位置 D：重车作用在旧板及新板上，左轮位于 12号旧板中心； 横向加载位置 E：重车作用在旧板及新板上，右轮位于 13号板中心；横向加载位置 F：重车作用在新板上，左轮位于 14号板中心； 横向加载位置 G：重车作用在新板上，右轮位于 15号旧板中心； 横向加载位置 H：重车作用在新板上，左轮位于 16号旧板中心。 3 刚度渐变施工方法 与以上荷载加载位置相对应，计算时共考虑 8种荷载工况，通过有限元分析确定的槽钢加固型号为 12.6，采用高强螺栓将钢板施加到空心板上。为了保证槽钢的实际安装状态与数值模拟相似，在进行数值仿真计算时，高强螺栓连接处槽钢与
8、空心板的空间块体单元通过共单元节点进行刚性连接。通过对横向刚度渐变构件的槽钢进行内力分析，来选择合适的螺栓型号。 提出刚度渐变施工的具体方法，对于正桥、各种斜交角的斜桥给出各自的槽钢加工参数。 54 细部分析 表 1正桥槽钢在重车作用下的应力状态 Tab 1 The stress status of channel steel under the heavy vehicle of the quadrature bridge 表 2正桥桥螺栓在重车作用下的应力状态 表 3正桥螺栓在重车作用下的内力状态 通过表 1-3可以看出，在各种不利荷载工况情况下，整桥布置横向加固构件槽钢的最大主力值为 50
9、.7 Mpa，最大剪应力为 24.5 Mpa，远小于材料的设计应力值；而连接横向加固构件的螺栓，由于其受力面相对较小，其最大主力值为 176.9 Mpa，最大剪应力为 89.1Mpa，其应力值远大于槽钢的应力值，但应力值仍小于材料的设计强度。另外，可根据螺栓承受内力值选定螺栓型号。 表 4斜桥槽钢在重车作用下的应力状态 6表 5斜桥螺栓在重车作用下的应力状态 表 6斜桥螺栓在重车作用下的内力状态 通过表 4-6可以看出，在各种不利荷载工况情况下，整桥布置横向加固构件槽钢的最大主力值为 61.24Mpa，最大剪应力为 30.91 Mpa，远小于材料的设计应力值；而连接横向加固构件的螺栓，由于其受
10、力面相对较小，其最大主力值为 183.06 Mpa，最大剪应力为 97.31Mpa，其应力值远大于槽钢的应力值，但应力值仍小于材料的设计强度。另外，斜桥应力值与正桥相比较大,其主要原因是正桥的槽钢与桥板为正交结构，在承受竖向荷载时，只产生纵向拉力，不会产生横向拉力。而有一定斜交角的斜桥，承受竖向荷载时，各个方向都会产生拉力，产生的组合应力较大，其倾斜度越大，其应力值越大。 据横向刚度渐变构件的槽钢受力情况，可选择 HY高强螺栓，其具体参数如表 5.4所示。 表 7螺栓的设计参数 7根据螺栓受力和螺栓设计参数，并考虑一定安全系数，横向布置 R24型号螺栓 2个 表 8螺栓的内力及安全系数 通过力
11、学分析和施工可行性分析，采用 R24型号螺栓，横向布置 2个，能满足力学要求。 5 结论及建议 以某高速公路空心板桥为工程背景，采用有限元程序 Midas建立该桥的空间有限元计算模型，细部分析结果表明： (1) 选定的12.6 型槽钢的局部应力满足要求，说明拟定的横向刚度渐变方案是可行的，槽钢在工作期间不会出现局部受力破坏。 (2) 横向刚度渐变构件的槽钢和螺栓在工作时容易出现应力集中。螺栓出现应力集中现象，其应力值远大于槽钢的应力值，横向刚度渐变构件在工作时螺栓是薄弱部分，选择螺栓时，为了保证其有足够的安全可靠度，应选择高强螺栓和适当增加螺栓直径；所选定的槽钢和螺栓的局部应力都在材料承受范围
12、内，给出空心板桥刚度渐变施工方案和具体措施。 通过力学分析和施工可行性分析，采用 R24型号螺栓，横向布置 2个，能满足力学要求。其具体分布情况如下图所示： 8图 4新旧板螺栓布置剖面图 (单位 mm) 图 5 正、斜桥 1/4跨、1/2 跨螺栓布置平面图 图 6 正、斜桥跨螺栓布置总体平面图 The general plane map for bolt of the skew bridge and thequadrature bridge 为了保证螺栓有效发挥作用，可按以下施工方法进行施工：首先使用电锤或钻孔机钻孔，钻头大小及钻孔深度参考安装数据表。然后对钻孔进行清孔，先使用毛刷清刷孔壁，然后用吹气泵或空压机吹出灰尘，如此反复三次。其次将玻璃药剂管放入孔内，使用带锤击功能的电锤卡住连接头，另一端套上螺杆头，开启电锤，直接将螺杆旋入孔内，直至螺杆接触孔底，少许药剂溢出为止。螺杆植入后，静置时间内不可动摇螺杆，固化时间内不可对锚栓施加载重，等完全固化后方可使用。
