公路交通技术 2009年10月 第5期 Technol ogy of H igh way and Trans port Oct . 2009 No . 5
联合加固的钢筋混凝土简支板桥研究
何旭辉, 邱 珂
(中南大学土木建筑学院, 长沙 410075)
摘 要:讨论钢筋混凝土简支板桥的病害及成因, 介绍联合应用改造多跨简支梁为桥面连续简支梁体系、增大构件截面、粘贴钢板加固等加固技术进行加固的过程, 借助ANSYS 建立有限元模型进行仿真分析, 并通过实桥检测来验证改造多跨简支梁为桥面连续简支梁体系和粘贴钢板加固法的可靠性、可行性及加固效果, 对中小跨径简支体系桥的加固和承载力提高有一定借鉴作用。
关键词:简支钢筋混凝土空心板梁桥; 联合加固技术; 空间有限元实体模型; 实桥检测文章编号:1009-6477(2009) 05-0098-05 中图分类号:U448. 34 文献标识码:A
Research on Simp ly Supported Slab B ridge of Concrete by Joint HE Abstract:This paper and si m p ly supported slab bridges of reinf orce ment concrete, intr p r ocess by means of cons olidating techniques of cons olidated app licati on si m p ly supported bea m s as the continuous si m p ly supported bea m syste m of bridge ment of structure secti on and pasting steel p lates, etc .
The paper perfor m s
e mulati on analysis by establishing the finite ele ment model with the hel p of ANSYS and verifies it via the detecti on for p ractical bridges the reliability, feasibility and cons olidating effect of cons olidating methods by modifying multis pan si m p ly supported bea m s as the continuous si m p ly supported bea m syste m and pasting steel p lates, which is intended t o be a reference for cons olidati on and bearing capacity of the medium 2s mall 2s pans si m p ly supported syste m bridges .
Key words:si m p ly supported reinf orce ment concrete holl ow slab girder bridge; j ointly cons olidating technique; s patial finite ele ment physical model; detecti on f or p ractical bridge
目前, 钢筋混凝土简支板桥是小跨径桥梁最常采用的结构形式, 在国内被广泛使用于中小城市的公路主干线上, 在城市交通中发挥着重要作用。从文献[1]可知, 钢筋混凝土简支板桥存在如下缺点:通过铰缝传递横向荷载, 整体性差, 特殊重载车辆通过时无超载挖潜能力。近年来, 随着交通量大幅增长, 早期修建的这类桥梁大都出现了各种不同程度的病害, 威胁着结构的安全。而短时期内重建新桥需要大量资金, 既不科学又不现实。因此, 采用适当的加固技术来提高旧桥的承载能力和通行能力, 不但可以延长桥梁的使用寿命, 消除交通安全隐患, 而且还可以为国
[2]
家节省大量资金, 实现桥梁建设的可持续发展。1 钢筋混凝土简支板桥病害特征及成因分析
收稿日期:2009-05-04
作者简介:何旭辉(1975-) , 男, 贵州省遵义市人, 博士, 副教授.
1. 1 钢筋混凝土整体现浇简支板桥常见病害及成
因分析
1) 跨中附近板底由下而上出现竖向裂缝, 静态裂缝宽度可能超过规范限值0. 02mm , 有时还出现跨中下挠现象, 表明抗弯能力不足。
2) 跨中附近板底出现纵向裂缝, 部分静态裂缝宽度可能超过规范限值。原因在于设计图是采用预制装配的标准图配筋, 施工时却改用现浇, 将单向板变成整体式双向板, 这就改变了板的受力方式, 导致板底横向配筋严重不足, 在横向弯矩作用下, 致使板底产生纵向裂缝。1. 2 钢筋混凝土及预应力混凝土预制装配简支板
桥常见病害及成因分析
1) 装配式简支板可能在桥面铰接缝处出现纵
[4][3]
2009年 第5期 何旭辉, 等:联合加固的钢筋混凝土简支板桥研究向裂缝, 这是由于铰接缝施工质量差, 造成各板块整体性连接差, 从而使原结构截面整体性变差, 抗扭刚度不足, 对偏载敏感。
2) 出现支座脱空现象。如果施工时支座垫石标高有误差, 或预制安装时板有翘曲, 或墩台有不均匀沉降, 都会导致部分支座脱空。
3) 板梁跨中附近板底由下而上出现竖向裂缝, 缝宽可能超过规范限值0. 02mm; 或出现跨中下挠, 抗弯能力不足的现象。
4) 板底出现纵向裂缝。预应力混凝土装配式简支板桥大多采用先张法施工, 如果由于施工原因造成板底太薄, 使得预应力筋周围混凝土局部应力过大, 或者由于混凝土中的氯盐添加剂或混凝土碳化造成钢筋生锈, 均可能沿钢筋板底产生纵向裂缝。
5) 采用了单块宽度达1. 5m 板的桥梁, 当腹板厚度不大时, 附近出现剪切斜裂缝2 加固技术及原理
[4][3]
99
钢板内产生的相应值, 使得原构件的钢筋达到破坏时, 新增钢板或钢筋的强度还没有充分发挥。当原受拉钢筋屈服后, 新增钢板的应变、应力迅速增加。粘贴钢板加固前后受拉钢材及受压混凝土应变的变化情况
[7]
如图1所示。
2. 1. 2 粘贴面传力机理
采用粘贴钢板加固钢筋混凝土板梁时, 尽管混凝土表面的拉应力远远超过其抗拉强度, 但因受钢板的约束, 混凝土可能不再开裂或开裂较少、缝宽较小。虽然所粘贴的钢板对截面的应力状况改善不大, 机理大致如下:
, 在, 向两端逐渐减小, 。粘结胶顶面的剪, 同样在纵向平面上, 裂缝处剪应力较大, 向两端逐渐减小, 在接近下一条裂缝时又逐渐增大。粘贴钢板加固受拉边纵向水平面上剪应力传递及分布如图2所示。
2. 1. 3 板梁受拉区加固计算
(G B 50367—根据《混凝土结构加固设计规范》
2006) , 矩形截面正截面承载能力极限状态计算可按
[8]
。粘贴面的传力
通过对钢筋混凝土简支板桥的病害特征和成因分析, 笔者认为只有增强这类桥梁的纵、横向刚度, 改善其整体性, 才能使承载力得到提高。2. 1 粘贴钢板加固法2. 1. 1 结构受力特点
板梁出现严重横裂缝时, 可用粘结剂及锚栓将钢板锚固在混凝土结构的受拉缘或薄弱部位的面层, 使其与结构形成组合结构, 以钢板代替增设的补
[6]
强钢筋, 提高桥梁的整体承载能力。原结构的恒载内力由原构件承担, 新增钢板只承受粘贴加固后荷载产生的应力。由于加固前1期恒载的作用, 原构件混凝土及钢筋的应力、应变已有了相当的储备, 在加固后的2期恒载及活载作用下, 原构件混凝土及钢筋的应力、应变积累值往往大于新增混凝土及
[5]
下式进行, 并参考文献[9], 对式中的系数进行取值:
R a bx =R g A g -R ′. 9R gb A b g A ′g +0M j =
γs
R g A g (h 0-
2
) +
γs
R gb A b (h 01-
2
)
式中, R g 为原构件纵向钢筋抗拉强度设计值; R ′g 为原构件纵向钢筋抗压强度设计值; A g 为原构件纵向受拉钢筋截面面积; A ′g 为原构件纵向受压钢筋截面面积; R gb 为加固钢板抗拉强度设计值; A b 为加固钢板截面面积; 0. 9为考虑加固钢板应力滞后、
撕脱力
图1 粘贴钢板加固前后的应变变化
100
公 路 交 通 技 术 2009年
注:(a ) 梁底面约束应力纵向分布示意; (b ) 粘结胶顶、底面剪切应力纵向分布示意; (c ) 图2影响等的强度折减系数; R a 为原构件混凝土弯曲抗压强度设计值; x 为混凝土受压区高度; b 宽度; h 01距离; h 0距离; γ. 25。s , s 12. 2 桥面连续简支梁体系
, ) :在板底锚固多根平行预应力细钢丝, 张拉后覆盖特制混凝土。
3) 锚喷混凝土加固法:在板底锚固钢筋网后, 喷射混凝土覆盖, 其实质是增加板底配筋。
4) 对板桥支座脱空现象, 可采用更换、加钢垫板、楔紧等方法解决3 工程应用
[7]
多跨简支梁变桥面连续简支梁体系具有以下力学特性:
1) 受力体系未发生本质改变, 但可使过于集中的荷载分布趋于合理, 且能有效避免铰缝过早开裂而失去横向连接作用, 使板梁在横向共同受力, 减小每片板梁的荷载横向分布。
2) 可减少不必要的车辆冲击力。
3) 桥面铺装参与结构受力, 结构截面高度提
[10]
。
福建省三明市东霞桥于1997年建成, 至今运营近12年。该桥全长52. 04m , 上部结构为3×16m 简支钢筋混凝土空心板梁, 跨与跨之间采用伸缩缝联接, 横向共23块板梁, 板梁间以混凝土铰缝联接, 横断面为2. 5m +20. 0m +2. 5m , 采用C40混凝土; 下部结构为柱式墩台, 刚性扩大基础。桥梁两岸引道填方高度约9. 0m 。桥梁设计荷载为汽-20, 挂-100, 人群荷载为3. 5kPa 。近年来, 该桥附近开办起多家物流公司, 相当多超载运货车辆的轴重已经超过了设计荷载。桥面水泥混凝土铺装厚度只有7c m , 且未采用防水混凝土。桥构件混凝土碳化深
高, 则可提高抗弯刚度与抗弯能力。
将旧桥的多跨简支梁体系改造为桥面连续简支梁体系, 可提高行车舒适性和减少桥面不平整时车辆荷载对桥梁的冲击影响, 使荷载横向分布趋于合理, 既能增加全桥的横向整体性, 又可改善全桥的受力条件。
增设的桥面连续构造是桥面连续简支梁体系的
关键部位, 它位于板梁变形(梁端转动和梁体伸缩) 最大部位, 加之相邻桥孔出现橡胶支座弹性压缩不同步而引起错动变形, 致使桥面连续构造处于复杂的拉压、弯压(拉) 等受力状态。因此, 要想准确进行受力分析和客观把握其实际工作性能, 必须建立有限元模型来进行空间分析。2. 3 其他加固技术
1) 粘贴碳纤维加固法:用粘贴材料将碳纤维粘
度较大, 均大于10mm 。该桥产生了铰缝开裂失效、板梁跨中底部出现纵向裂缝、支座脱空等病害
[11]
。
针对上述的病害和简支板桥所共有的结构性缺陷, 经全面分析、比较, 采用了以下联合改造加固技
[11]术:1) 改变结构体系法, 即将旧桥的多跨简支梁体系改造为桥面连续简支梁体系。具体做法是, 先将旧桥桥墩位置的伸缩缝拆除, 再设置桥面连续构造。2) 桥面补强加固, 增加桥面整体刚度, 以保证铰缝有效传力。具体做法是, 先将原有的桥面铺装层凿除, 再在全桥铺装12c m 厚C40防水混凝土, 设
贴在板底或板体的薄弱部位, 使其与原结构形成整
2009年 第5期 何旭辉, 等:联合加固的钢筋混凝土简支板桥研究置构造钢筋网和结合钢筋作为补强层加强与原结构的联结, 并更换桥台位置2道伸缩缝。3) 重做全桥板梁铰缝, 采用C40细骨料混凝土灌注, 并设置铰缝钢筋以加强横向连接, 保证铰缝浇筋质量。4) 采用粘贴钢板加固法, 在梁底跨中附近沿顺桥向粘贴Q235钢板加固, 并用膨胀螺栓作为钢板的永久附加
101
锚固。5) 更换全桥老化的支座, 采用板式橡胶支座, 以改善全桥的动力性能。6) 凡裂缝宽度在0. 2mm 以上者, 都采用B I CS (壁可) 法修复, 恢复结构
的整体性, 凝固后, 裂缝面粘贴碳纤维布加以封闭和增强; 对0. 2mm 以下可见裂缝, 用高分子树脂封闭, 以防钢筋锈蚀。
:(c 4 空间有限元实体模型
借助ANSYS 大型有限元分析软件, 桥旧桥结构、贴钢板加固法的结构等3S OL I D 65模拟钢
5 空间分析与试验研究5. 1 空间分析
, 板式橡胶支座抗压和抗剪分别采用不同方向的弹簧单元进行模拟。旧桥模型中, 板与板之间按结构实际状态预留1c m 缝, 对缝两侧对应节点进行自由度耦合形成铰缝。加固前桥面铺装与板梁间为滑动体系, 但不能自由脱离, 在接触面上除垂直位移和垂直应力连续外, 其他都是不连续的, 只传递轴向力, 而不传递弯矩。东霞桥旧桥模型如图3(a ) 。仅采用粘贴钢板加固法的结构模型中, 粘贴在梁底的钢板采用壳单元SHELL63来模拟, 在其与S OL I D 65单元连接部位建立纵向刚性线, 而铰缝仍然用节点自由度耦合形成。仅采用粘贴钢板加固的东霞桥模型如图3(b ) 。多跨简支梁变桥面连续简支梁体系后桥面铺装与主梁间为连续体系, 此种模式模拟桥面铺装与主梁结构固结成整体, 作为主结构的一部分承受荷载, 两者之间既传递轴向力也传递弯矩; 桥面连续构造采用壳单元SHELL63来模拟, 在其与S OL I D 65单元连接处建立
根据文献[11-12]中实桥检测时的重车布置位置和实际轴重, 以集中荷载的方式加载。对3个模型进行同等条件下的挠度和应力对比分析, 计算旧桥、联合加固后桥梁和假设仅采用粘贴钢板加固法的结构控制截面的应力和挠度参数。
1) 几种结构在相同荷载工况下的挠度比较见表1。
从表中可看出, 东霞桥旧桥的跨中挠度很大, 采用钢板加固法加固后, 桥梁结构跨中的挠度最大值明显减小, 说明采用钢板加固法能显著提高结构的抗弯刚度和抗弯能力, 能较大地提高结构的整体承载能力。联合加固后, 多跨简支梁变桥面连续简支梁体系, 使得桥梁抗弯刚度仍有一些提高。
2) 几种桥梁结构ANSYS 模型中, 相同横向截面的桥面选择相同位置提取应力值, 绘出曲线, 如图4所示。
由图中可以看出, 东霞桥如果仅采用钢板加固法加固, 桥面的应力值仍然较大, 且在车轮加载位置附近出现较大变化, 呈现明显的应力集中现象, 说明
横向刚性线(c ) 所示
。
[12]
。联合加固后的东霞桥模型如图3
表1 几种结构的跨中挠度最大值
桥梁结构东霞桥旧桥
采用钢板加固法加固的东霞桥
联合加固后的东霞桥
中跨跨中2辆重车对称加载最大挠度
理论值
16. 9928. 22687. 0520
mm
中跨跨中1辆重车偏心加载最大挠度
理论值
10. 3134. 91923. 2729
实测值
15. 34-6. 25
实测值
8. 46-3. 17
102
公 路 交 通 技 术 2009年
采用钢板加固法的加固方案更为合理, 可更有效地保证荷载的横向传递, 有效地改善铰缝的受力, 避免因铰缝破坏而引起桥梁结构的破坏。
4) 联合应用多种技术进行加固的东霞桥, 其抗弯承载力(应变、挠度、裂缝) 、竖向和横向刚度(静载试验下跨中挠度、各振动测点竖横向振幅、自振频率) 、冲击系数等性能指标均满足设计及相关规范
图4 桥面横向相同位置应力值比较
要求。全桥的整体承载能力、横向抗扭能力、跨中的变形协调能力以及全桥的动力性能和稳定性均得到提高, 能满足现行运营荷载的要求。
5) 构造这2, 对中小跨径简支。
参考文献
[1] 范立础. 桥梁工程 上(第二版) [M].北京:人民交通
荷载的横向分布不是很合理, 板梁间的横向传力效
果不好。而进行联合加固后, 多跨简支梁变桥面连续简支梁体系, 同一横向截面的桥面相同位置的应力值大大减小, 说明桥面横向刚度得到提高; 而应力变化幅值大大减小, 则说明荷载的横向分布更加合理, 较少出现应力集中现象。全桥板梁共同受力, 5. 2 实桥检测, 研在《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规
(JTG D62—2004) 规定的设计汽车荷载作用下范》
应力和挠度的分布状况, 共4种加载工况。对中跨控制截面4辆重车对称加载和2辆重车偏心加载的工况进行检测, 实测数据见表1。偏载跨中截面桥面应力沿横向分布对比见图4。将实测数据与理论分析结果进行比较, 可以发现:实测结果与联合加固后的桥梁模型的计算结果趋势相同, 但实测数据比理论计算值略低, 这主要是由于在进行空间模拟计算时, 未考虑板梁中钢筋对桥梁刚度的贡献所致。6 结语
出版社, 2006.
[2] 陈明宪. 桥梁结构的病害分析与加固技术[C ]//中国
公路学会桥梁和结构工程分会2005年全国桥梁学术会议论文集. 北京:人民交通出版社, 2005.
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民交通出版社, 2007.
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国桥梁学术会议论文集. 北京:人民交通出版社, 2005.
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创新导报, 2008(9) :74.
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及工程实例[M].北京:人民交通出版社, 2007.
[8] 刘忠泽, 柏 峰, 陈家新, 等. 粘贴钢板桥梁加固设计
通过详细的理论分析和结果相互对比验证, 并对加固后的全桥进行动静载检测, 得出如下结论:
1) 从粘贴钢板加固法应用于实体工程的情况看, 其在构造上是可靠的, 可约束板梁底部混凝土的变形, 使混凝土可能不再开裂或开裂较少、缝宽较小, 起到了类似于补强钢筋的作用, 可增强桥梁的抗弯刚度和抗弯能力, 提高桥梁的整体承载能力。
2) 从桥面连续简支梁体系应用于实体工程情况看, 其在构造上是可靠的, 使集中荷载的分布和荷载横向分布趋于合理, 增大了板梁的有效高度, 提高了桥梁的整体承载能力。
3) 将各种加固技术联合应用的加固方案比仅
和抗弯承载力极限状态分析[J ].交通科技, 2008, 7
(增1) :25-26.
[9] 贺拴海. 桥梁结构理论与计算方法[M].北京:人民交
通出版社. 2003.
[10]厦门市建筑工程检测中心有限公司. 桥梁承载能力评
定报告[R ].厦门:厦门市建筑工程检测中心有限公司, 2008.
[11]福建省建协桥梁检测评估有限责任公司. 三明市东霞
桥现场调查与汽车静动载实验检测报告[R ].福建:福建省建协桥梁检测评估有限责任公司, 2007.
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联合加固的钢筋混凝土简支板桥研究
何旭辉, 邱 珂
(中南大学土木建筑学院, 长沙 410075)
摘 要:讨论钢筋混凝土简支板桥的病害及成因, 介绍联合应用改造多跨简支梁为桥面连续简支梁体系、增大构件截面、粘贴钢板加固等加固技术进行加固的过程, 借助ANSYS 建立有限元模型进行仿真分析, 并通过实桥检测来验证改造多跨简支梁为桥面连续简支梁体系和粘贴钢板加固法的可靠性、可行性及加固效果, 对中小跨径简支体系桥的加固和承载力提高有一定借鉴作用。
关键词:简支钢筋混凝土空心板梁桥; 联合加固技术; 空间有限元实体模型; 实桥检测文章编号:1009-6477(2009) 05-0098-05 中图分类号:U448. 34 文献标识码:A
Research on Simp ly Supported Slab B ridge of Concrete by Joint HE Abstract:This paper and si m p ly supported slab bridges of reinf orce ment concrete, intr p r ocess by means of cons olidating techniques of cons olidated app licati on si m p ly supported bea m s as the continuous si m p ly supported bea m syste m of bridge ment of structure secti on and pasting steel p lates, etc .
The paper perfor m s
e mulati on analysis by establishing the finite ele ment model with the hel p of ANSYS and verifies it via the detecti on for p ractical bridges the reliability, feasibility and cons olidating effect of cons olidating methods by modifying multis pan si m p ly supported bea m s as the continuous si m p ly supported bea m syste m and pasting steel p lates, which is intended t o be a reference for cons olidati on and bearing capacity of the medium 2s mall 2s pans si m p ly supported syste m bridges .
Key words:si m p ly supported reinf orce ment concrete holl ow slab girder bridge; j ointly cons olidating technique; s patial finite ele ment physical model; detecti on f or p ractical bridge
目前, 钢筋混凝土简支板桥是小跨径桥梁最常采用的结构形式, 在国内被广泛使用于中小城市的公路主干线上, 在城市交通中发挥着重要作用。从文献[1]可知, 钢筋混凝土简支板桥存在如下缺点:通过铰缝传递横向荷载, 整体性差, 特殊重载车辆通过时无超载挖潜能力。近年来, 随着交通量大幅增长, 早期修建的这类桥梁大都出现了各种不同程度的病害, 威胁着结构的安全。而短时期内重建新桥需要大量资金, 既不科学又不现实。因此, 采用适当的加固技术来提高旧桥的承载能力和通行能力, 不但可以延长桥梁的使用寿命, 消除交通安全隐患, 而且还可以为国
[2]
家节省大量资金, 实现桥梁建设的可持续发展。1 钢筋混凝土简支板桥病害特征及成因分析
收稿日期:2009-05-04
作者简介:何旭辉(1975-) , 男, 贵州省遵义市人, 博士, 副教授.
1. 1 钢筋混凝土整体现浇简支板桥常见病害及成
因分析
1) 跨中附近板底由下而上出现竖向裂缝, 静态裂缝宽度可能超过规范限值0. 02mm , 有时还出现跨中下挠现象, 表明抗弯能力不足。
2) 跨中附近板底出现纵向裂缝, 部分静态裂缝宽度可能超过规范限值。原因在于设计图是采用预制装配的标准图配筋, 施工时却改用现浇, 将单向板变成整体式双向板, 这就改变了板的受力方式, 导致板底横向配筋严重不足, 在横向弯矩作用下, 致使板底产生纵向裂缝。1. 2 钢筋混凝土及预应力混凝土预制装配简支板
桥常见病害及成因分析
1) 装配式简支板可能在桥面铰接缝处出现纵
[4][3]
2009年 第5期 何旭辉, 等:联合加固的钢筋混凝土简支板桥研究向裂缝, 这是由于铰接缝施工质量差, 造成各板块整体性连接差, 从而使原结构截面整体性变差, 抗扭刚度不足, 对偏载敏感。
2) 出现支座脱空现象。如果施工时支座垫石标高有误差, 或预制安装时板有翘曲, 或墩台有不均匀沉降, 都会导致部分支座脱空。
3) 板梁跨中附近板底由下而上出现竖向裂缝, 缝宽可能超过规范限值0. 02mm; 或出现跨中下挠, 抗弯能力不足的现象。
4) 板底出现纵向裂缝。预应力混凝土装配式简支板桥大多采用先张法施工, 如果由于施工原因造成板底太薄, 使得预应力筋周围混凝土局部应力过大, 或者由于混凝土中的氯盐添加剂或混凝土碳化造成钢筋生锈, 均可能沿钢筋板底产生纵向裂缝。
5) 采用了单块宽度达1. 5m 板的桥梁, 当腹板厚度不大时, 附近出现剪切斜裂缝2 加固技术及原理
[4][3]
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钢板内产生的相应值, 使得原构件的钢筋达到破坏时, 新增钢板或钢筋的强度还没有充分发挥。当原受拉钢筋屈服后, 新增钢板的应变、应力迅速增加。粘贴钢板加固前后受拉钢材及受压混凝土应变的变化情况
[7]
如图1所示。
2. 1. 2 粘贴面传力机理
采用粘贴钢板加固钢筋混凝土板梁时, 尽管混凝土表面的拉应力远远超过其抗拉强度, 但因受钢板的约束, 混凝土可能不再开裂或开裂较少、缝宽较小。虽然所粘贴的钢板对截面的应力状况改善不大, 机理大致如下:
, 在, 向两端逐渐减小, 。粘结胶顶面的剪, 同样在纵向平面上, 裂缝处剪应力较大, 向两端逐渐减小, 在接近下一条裂缝时又逐渐增大。粘贴钢板加固受拉边纵向水平面上剪应力传递及分布如图2所示。
2. 1. 3 板梁受拉区加固计算
(G B 50367—根据《混凝土结构加固设计规范》
2006) , 矩形截面正截面承载能力极限状态计算可按
[8]
。粘贴面的传力
通过对钢筋混凝土简支板桥的病害特征和成因分析, 笔者认为只有增强这类桥梁的纵、横向刚度, 改善其整体性, 才能使承载力得到提高。2. 1 粘贴钢板加固法2. 1. 1 结构受力特点
板梁出现严重横裂缝时, 可用粘结剂及锚栓将钢板锚固在混凝土结构的受拉缘或薄弱部位的面层, 使其与结构形成组合结构, 以钢板代替增设的补
[6]
强钢筋, 提高桥梁的整体承载能力。原结构的恒载内力由原构件承担, 新增钢板只承受粘贴加固后荷载产生的应力。由于加固前1期恒载的作用, 原构件混凝土及钢筋的应力、应变已有了相当的储备, 在加固后的2期恒载及活载作用下, 原构件混凝土及钢筋的应力、应变积累值往往大于新增混凝土及
[5]
下式进行, 并参考文献[9], 对式中的系数进行取值:
R a bx =R g A g -R ′. 9R gb A b g A ′g +0M j =
γs
R g A g (h 0-
2
) +
γs
R gb A b (h 01-
2
)
式中, R g 为原构件纵向钢筋抗拉强度设计值; R ′g 为原构件纵向钢筋抗压强度设计值; A g 为原构件纵向受拉钢筋截面面积; A ′g 为原构件纵向受压钢筋截面面积; R gb 为加固钢板抗拉强度设计值; A b 为加固钢板截面面积; 0. 9为考虑加固钢板应力滞后、
撕脱力
图1 粘贴钢板加固前后的应变变化
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公 路 交 通 技 术 2009年
注:(a ) 梁底面约束应力纵向分布示意; (b ) 粘结胶顶、底面剪切应力纵向分布示意; (c ) 图2影响等的强度折减系数; R a 为原构件混凝土弯曲抗压强度设计值; x 为混凝土受压区高度; b 宽度; h 01距离; h 0距离; γ. 25。s , s 12. 2 桥面连续简支梁体系
, ) :在板底锚固多根平行预应力细钢丝, 张拉后覆盖特制混凝土。
3) 锚喷混凝土加固法:在板底锚固钢筋网后, 喷射混凝土覆盖, 其实质是增加板底配筋。
4) 对板桥支座脱空现象, 可采用更换、加钢垫板、楔紧等方法解决3 工程应用
[7]
多跨简支梁变桥面连续简支梁体系具有以下力学特性:
1) 受力体系未发生本质改变, 但可使过于集中的荷载分布趋于合理, 且能有效避免铰缝过早开裂而失去横向连接作用, 使板梁在横向共同受力, 减小每片板梁的荷载横向分布。
2) 可减少不必要的车辆冲击力。
3) 桥面铺装参与结构受力, 结构截面高度提
[10]
。
福建省三明市东霞桥于1997年建成, 至今运营近12年。该桥全长52. 04m , 上部结构为3×16m 简支钢筋混凝土空心板梁, 跨与跨之间采用伸缩缝联接, 横向共23块板梁, 板梁间以混凝土铰缝联接, 横断面为2. 5m +20. 0m +2. 5m , 采用C40混凝土; 下部结构为柱式墩台, 刚性扩大基础。桥梁两岸引道填方高度约9. 0m 。桥梁设计荷载为汽-20, 挂-100, 人群荷载为3. 5kPa 。近年来, 该桥附近开办起多家物流公司, 相当多超载运货车辆的轴重已经超过了设计荷载。桥面水泥混凝土铺装厚度只有7c m , 且未采用防水混凝土。桥构件混凝土碳化深
高, 则可提高抗弯刚度与抗弯能力。
将旧桥的多跨简支梁体系改造为桥面连续简支梁体系, 可提高行车舒适性和减少桥面不平整时车辆荷载对桥梁的冲击影响, 使荷载横向分布趋于合理, 既能增加全桥的横向整体性, 又可改善全桥的受力条件。
增设的桥面连续构造是桥面连续简支梁体系的
关键部位, 它位于板梁变形(梁端转动和梁体伸缩) 最大部位, 加之相邻桥孔出现橡胶支座弹性压缩不同步而引起错动变形, 致使桥面连续构造处于复杂的拉压、弯压(拉) 等受力状态。因此, 要想准确进行受力分析和客观把握其实际工作性能, 必须建立有限元模型来进行空间分析。2. 3 其他加固技术
1) 粘贴碳纤维加固法:用粘贴材料将碳纤维粘
度较大, 均大于10mm 。该桥产生了铰缝开裂失效、板梁跨中底部出现纵向裂缝、支座脱空等病害
[11]
。
针对上述的病害和简支板桥所共有的结构性缺陷, 经全面分析、比较, 采用了以下联合改造加固技
[11]术:1) 改变结构体系法, 即将旧桥的多跨简支梁体系改造为桥面连续简支梁体系。具体做法是, 先将旧桥桥墩位置的伸缩缝拆除, 再设置桥面连续构造。2) 桥面补强加固, 增加桥面整体刚度, 以保证铰缝有效传力。具体做法是, 先将原有的桥面铺装层凿除, 再在全桥铺装12c m 厚C40防水混凝土, 设
贴在板底或板体的薄弱部位, 使其与原结构形成整
2009年 第5期 何旭辉, 等:联合加固的钢筋混凝土简支板桥研究置构造钢筋网和结合钢筋作为补强层加强与原结构的联结, 并更换桥台位置2道伸缩缝。3) 重做全桥板梁铰缝, 采用C40细骨料混凝土灌注, 并设置铰缝钢筋以加强横向连接, 保证铰缝浇筋质量。4) 采用粘贴钢板加固法, 在梁底跨中附近沿顺桥向粘贴Q235钢板加固, 并用膨胀螺栓作为钢板的永久附加
101
锚固。5) 更换全桥老化的支座, 采用板式橡胶支座, 以改善全桥的动力性能。6) 凡裂缝宽度在0. 2mm 以上者, 都采用B I CS (壁可) 法修复, 恢复结构
的整体性, 凝固后, 裂缝面粘贴碳纤维布加以封闭和增强; 对0. 2mm 以下可见裂缝, 用高分子树脂封闭, 以防钢筋锈蚀。
:(c 4 空间有限元实体模型
借助ANSYS 大型有限元分析软件, 桥旧桥结构、贴钢板加固法的结构等3S OL I D 65模拟钢
5 空间分析与试验研究5. 1 空间分析
, 板式橡胶支座抗压和抗剪分别采用不同方向的弹簧单元进行模拟。旧桥模型中, 板与板之间按结构实际状态预留1c m 缝, 对缝两侧对应节点进行自由度耦合形成铰缝。加固前桥面铺装与板梁间为滑动体系, 但不能自由脱离, 在接触面上除垂直位移和垂直应力连续外, 其他都是不连续的, 只传递轴向力, 而不传递弯矩。东霞桥旧桥模型如图3(a ) 。仅采用粘贴钢板加固法的结构模型中, 粘贴在梁底的钢板采用壳单元SHELL63来模拟, 在其与S OL I D 65单元连接部位建立纵向刚性线, 而铰缝仍然用节点自由度耦合形成。仅采用粘贴钢板加固的东霞桥模型如图3(b ) 。多跨简支梁变桥面连续简支梁体系后桥面铺装与主梁间为连续体系, 此种模式模拟桥面铺装与主梁结构固结成整体, 作为主结构的一部分承受荷载, 两者之间既传递轴向力也传递弯矩; 桥面连续构造采用壳单元SHELL63来模拟, 在其与S OL I D 65单元连接处建立
根据文献[11-12]中实桥检测时的重车布置位置和实际轴重, 以集中荷载的方式加载。对3个模型进行同等条件下的挠度和应力对比分析, 计算旧桥、联合加固后桥梁和假设仅采用粘贴钢板加固法的结构控制截面的应力和挠度参数。
1) 几种结构在相同荷载工况下的挠度比较见表1。
从表中可看出, 东霞桥旧桥的跨中挠度很大, 采用钢板加固法加固后, 桥梁结构跨中的挠度最大值明显减小, 说明采用钢板加固法能显著提高结构的抗弯刚度和抗弯能力, 能较大地提高结构的整体承载能力。联合加固后, 多跨简支梁变桥面连续简支梁体系, 使得桥梁抗弯刚度仍有一些提高。
2) 几种桥梁结构ANSYS 模型中, 相同横向截面的桥面选择相同位置提取应力值, 绘出曲线, 如图4所示。
由图中可以看出, 东霞桥如果仅采用钢板加固法加固, 桥面的应力值仍然较大, 且在车轮加载位置附近出现较大变化, 呈现明显的应力集中现象, 说明
横向刚性线(c ) 所示
。
[12]
。联合加固后的东霞桥模型如图3
表1 几种结构的跨中挠度最大值
桥梁结构东霞桥旧桥
采用钢板加固法加固的东霞桥
联合加固后的东霞桥
中跨跨中2辆重车对称加载最大挠度
理论值
16. 9928. 22687. 0520
mm
中跨跨中1辆重车偏心加载最大挠度
理论值
10. 3134. 91923. 2729
实测值
15. 34-6. 25
实测值
8. 46-3. 17
102
公 路 交 通 技 术 2009年
采用钢板加固法的加固方案更为合理, 可更有效地保证荷载的横向传递, 有效地改善铰缝的受力, 避免因铰缝破坏而引起桥梁结构的破坏。
4) 联合应用多种技术进行加固的东霞桥, 其抗弯承载力(应变、挠度、裂缝) 、竖向和横向刚度(静载试验下跨中挠度、各振动测点竖横向振幅、自振频率) 、冲击系数等性能指标均满足设计及相关规范
图4 桥面横向相同位置应力值比较
要求。全桥的整体承载能力、横向抗扭能力、跨中的变形协调能力以及全桥的动力性能和稳定性均得到提高, 能满足现行运营荷载的要求。
5) 构造这2, 对中小跨径简支。
参考文献
[1] 范立础. 桥梁工程 上(第二版) [M].北京:人民交通
荷载的横向分布不是很合理, 板梁间的横向传力效
果不好。而进行联合加固后, 多跨简支梁变桥面连续简支梁体系, 同一横向截面的桥面相同位置的应力值大大减小, 说明桥面横向刚度得到提高; 而应力变化幅值大大减小, 则说明荷载的横向分布更加合理, 较少出现应力集中现象。全桥板梁共同受力, 5. 2 实桥检测, 研在《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规
(JTG D62—2004) 规定的设计汽车荷载作用下范》
应力和挠度的分布状况, 共4种加载工况。对中跨控制截面4辆重车对称加载和2辆重车偏心加载的工况进行检测, 实测数据见表1。偏载跨中截面桥面应力沿横向分布对比见图4。将实测数据与理论分析结果进行比较, 可以发现:实测结果与联合加固后的桥梁模型的计算结果趋势相同, 但实测数据比理论计算值略低, 这主要是由于在进行空间模拟计算时, 未考虑板梁中钢筋对桥梁刚度的贡献所致。6 结语
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通过详细的理论分析和结果相互对比验证, 并对加固后的全桥进行动静载检测, 得出如下结论:
1) 从粘贴钢板加固法应用于实体工程的情况看, 其在构造上是可靠的, 可约束板梁底部混凝土的变形, 使混凝土可能不再开裂或开裂较少、缝宽较小, 起到了类似于补强钢筋的作用, 可增强桥梁的抗弯刚度和抗弯能力, 提高桥梁的整体承载能力。
2) 从桥面连续简支梁体系应用于实体工程情况看, 其在构造上是可靠的, 使集中荷载的分布和荷载横向分布趋于合理, 增大了板梁的有效高度, 提高了桥梁的整体承载能力。
3) 将各种加固技术联合应用的加固方案比仅
和抗弯承载力极限状态分析[J ].交通科技, 2008, 7
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