空心板桥板桁组合加固设计及试验研究.pdf
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1、世界桥梁 年第 卷第期(总第 期)W o r l dB r i d g e s,V o l ,N o ,(T o t a l l yN o )收稿日期:基金项目:广西重点研发计划项目(桂科A B )P r o j e c to fG u a n g x iK e yR&DP r o g r a m(G u a n g x i S c i e n c eA B )作者简介:蒙立和(),男,高级工程师,年毕业于重庆交通学院桥梁工程专业,工学学士(E m a i l:q q c o m).通信作者:谢肖礼(),男,研究员(E m a i l:g u x i e x i a o l i c o m).
2、研究方向:桥梁结构工程.D O I:/j i s s n 空心板桥板桁组合加固设计及试验研究蒙立和,梁明哲,谢肖礼,谢远忠,勾文鑫(广西路桥工程集团有限公司,广西 南宁 ;广西大学土木建筑工程学院,广西 南宁 ;广西鸿鹄结构工程技术信息咨询有限公司,广西 南宁 )摘要:为对空心板桥进行抗弯加固,提出一种新型加固方法 板桁组合加固法,在边板上增设钢筋混凝土桁架,通过植筋及新设桥面铺装与原桥连接来对桥梁进行整体加固.以底板出现横向裂缝的某 m六跨钢筋混凝土简支空心板桥为背景,采用M I D A SC i v i l软件建立一跨 m空心板梁有限元模型,分析加固前、后桥梁的承载能力,并进行静载试验以验
3、证加固方法的有效性.结果表明:加固后主梁的安全系数由 提高至 ,在活载作用下主梁最大下挠值由 mm变为 mm,桥梁的第阶模态自振频率提高了 ,提高了结构的抗弯能力和刚度;主梁挠度实测值与计算值最大误差 ,桁架最大拉、压应力实测值与计算值误差分别为 和,主梁最大拉应力实测值与计算值误差 ,实测值与有限元模型计算值较吻合,表明加固桁架参与桥梁的协同受力.板桁组合加固法能有效提高空心板桥的承载能力和结构刚度,且施工简便,具有良好的经济性.关键词:空心板桥;板桁组合加固法;加固设计;有限元法;静载试验;承载力;刚度中图分类号:U 文献标志码:A文章编号:()引言梁式桥构造简单、施工方便且经济性好,是小
4、跨径桥梁常采用的结构形式.空心板桥作为梁式桥的主要桥型之一,在公路桥梁中占有较大比例.随着交通量的增长,车辆超载现象的加剧,同时由于修建时设计理念和规范的局限性,许多空心板桥,特别是经过长时间运营的空心板桥出现了不同程度的病害 ,产生了安全隐患.新建空心板桥也会因设计、施工及环境等因素导致病害的发生.空心板桥上部结构的常见病害主要有底板纵横向开裂、铰缝破坏、桥面铺装层开裂等.不同的病害产生机理不同,相应的加固措施也有区别 .因板梁受弯导致底板拉应力过大产生的底板横向裂缝需要进行纵向的加固补强,一般采取纵向粘贴钢板、粘贴碳纤维布、施加体外预应力等措施 ;对于铰缝破坏,需要加强空心板间的横向联系,
5、可采取桥面补强加固、横向粘贴钢板、施加横向预应力、设置型钢板、化学灌浆和去梁增肋等措施;底板纵向裂缝因横向应力产生,因此部分铰缝破坏加固措施也用于纵向裂缝的处治;桥面铺装病害的产生原因较多,需根据病害的具体情况进行相应的处治.现有的空心板桥加固方法大多是对结构部件进行补强或换新,不能较好地满足交通荷载日益增长的需求,并且在运营过程中需要不断地进行维护.为响应国家危旧桥改造政策,针对需抗弯加固的空心板桥,本文提出一种新型加固方法 板桁组合加固法,加固方式为在空心板桥的边板上增设钢筋混凝土桁架,通过植筋及新设桥面铺装与原桥连接,达到提高桥梁的抗弯能力及整体性、减小荷载响应的目的.本文以底板出现横向
6、裂缝的某新建空心板桥为背景,采用板桁组合加固法进行抗弯加固,建模分析加固前、后桥梁的承载能力,并进行静载试验,验证该加固方法的有效性.工程背景某新建钢筋混凝土简支空心板桥跨径布置为 m,桥面宽 m,全长 m,交角 ,桥面净宽 m.该桥为农村公路桥梁,公路等级为四空心板桥板桁组合加固设计及试验研究蒙立和,梁明哲,谢肖礼,谢远忠,勾文鑫级,汽车荷载等级为公路级.主梁为C 混凝土简支空心板,受力钢筋为HR B 普通带肋钢筋.采用混凝土现浇深铰缝,桥面铺装钢筋为间距 c m c m的 mm钢筋,下部结构采用桩接盖梁桥墩,桥台采用重力式U形桥台.原桥结构如图所示.图原桥结构F i g C o n f i
7、 g u r a t i o no f c a s eb r i d g e该桥在拟进行桥面铺装时发现空心板板底出现不同程度的横向裂缝(见图),检测报告显示全桥主梁存在 处横向裂缝,累计长度 m,裂缝宽度虽未超限(类:一般环境限值为 mm),但裂缝数量较多,且裂缝深度已达到并超过钢筋保护层厚度,对桥梁结构安全构成隐患.图梁底横向裂缝F i g T r a n s v e r s ec r a c k s i nb o t t o ms l a b s分析认为,横向裂缝是空心板在预制完成后,在运输和吊装过程中因过大的施工应力所引起.若弃用出现横向裂缝的空心板,不仅滞后施工进度,还会造成巨大的经济
8、损失.为使该桥空心板满足设计要求的承载能力,需进行抗弯加固.加固方案设计 方案构思针对该桥病害情况,提出采用一种新型加固方法 板桁组合加固法进行加固,即在空心板桥边板上增设钢筋混凝土桁架,通过植筋及新设桥面铺装层与原桥连接.顺桥向,该加固方案中增设的桁架增大了边梁梁高,提高了截面的抗弯刚度.对于一般截面形式,梁高增加对抗弯截面系数的影响很大,由于钢筋混凝土桥梁自重较大,因此梁高受到限制,而采用桁架的形式可以在满足稳定性的前提下通过较少的代价获得更大的梁高,从而减小截面应力.横桥向,该加固方案中增设的桁架提高了边板的荷载横向分布系数,减小了中板的荷载横向分布系数.桥梁预制空心板间通过铰缝连接,且
9、在板上铺设钢筋混凝土桥面,因此板间的连接形式可以视为介于铰接和刚接之间.加固后的桥梁边板加固桁架的钢筋与桥面铺装钢筋相连,按铰接板进行计算,假设铰缝和桥面板只传递竖向剪力,可以近似地看成中板的刚度不变,边板的刚度明显提高.无论荷载作用于何处,加固后的边板因刚度增大,挠度减小,其分配荷载也更多;而中板则正好相反,其荷载更多地通过剪力传递到边板上,使自身承担的荷载更少.实际上铰缝和桥面板不只传递剪力,因此加固桁架将提高边板荷载横向分布系数,减小中板荷载横向分布系数,桥梁上的荷载作用于中板时横向分配更均匀、合理.总体方案该桥加固总体方案为:对底板横向裂缝进行修补,并在原桥面边板上增设钢筋混凝土桁架,
10、再进行桥面铺装.加固方案结构如图所示.增设的桁架总高度 c m,上、下弦杆中心线间距 c m.上、下弦杆和腹杆采用长方形截面,截面尺寸为 mm mm,桁架杆件截面如图所示.为保证桁架参与桥梁的共同受力,通过植筋将下弦杆与空心板刚接.在下弦杆位置对桥面进行凿毛处理,在节点处植入多根钢筋与边板上部钢筋连接,保证节点受力,并根据现场施工条件充分利用原墙式护栏植筋,将其与下弦杆受力主筋进行绑扎,保证下 弦 杆 与 原 桥 的 连 接.桥 面 铺 装 中 线 处 厚 c m,边缘处厚 c m.为使铺装层与空心板及桁架协同受力,对湿接后的空心板顶面进行凿毛处理,并将桥面铺装钢筋与下弦杆受力主筋搭接.下弦杆
11、与原桥连接如图所示.世界桥梁 ,()图加固方案结构F i g R e h a b i l i t a t i o nS c h e m e图桁架杆件截面F i g C r o s s s e c t i o n so f t r u s sm e m b e r s图下弦杆与原桥连接F i g C o n n e c t i o nb e t w e e nl o w e r t r u s s c h o r da n do r i g i n a l b r i d g e加固方案的主要材料用量如表所示.加固桁架钢筋用量为 k g/m,总用量为 t;混凝土用量为 m/m,总用量为 m.加固
12、桁架材料用量少,且不需要额外的支架或施工器械,工序少,工艺简单.表加固方案的主要材料用量T a b l e C o n s u m p t i o no fm a i nm a t e r i a l s f o rp r o p o s e dr e h a b i l i t a t i o ns c h e m e构件HR B 用量/tC 用量/m上弦杆 下弦杆 腹杆 桥面铺装 计算分析 有限元模型采用M I D A SC i v i l软件建立一跨 m空心板梁有限元模型(见图),比较加固前、后桥梁的力学性能.空心板及桁架采用梁单元模拟,桥面铺装采用板单元模拟.梁端边界条件为简支,桁架与
13、空心板采用刚性连接.未加固桥梁模型一次成桥,加固后桥梁模型施工阶段为先架设空心板、再施工桁架及桥面铺装.运营阶段荷载为:一期恒载为结构自重,二期恒载为桥面铺装,活载为公路级荷载.图空心板梁有限元模型F i g F i n i t e e l e m e n tm o d e l so fh o l l o wc o r eb e a m 承载力加固前、后钢筋混凝土构件最大应力如表所示.由表可知:加固前主梁在活载作用下最大应力为 MP a,在基本组合(倍恒载 倍活载)作用下最大应力为 MP a;加固后主梁在活载作用下最大应力为 MP a,在基本组合作用下最大应力为 MP a;桁架在活载作用下最大
14、应力为 MP a,在基本组合作用下最大应力为 MP a.加固后主梁在活载作用下最大应力减小了 ,在基本组合作用下最大应力减小了 ,板桁组合加固方案能明显减小主梁的活载应力.加固前、后钢筋混凝土构件验算结果如表、表所示.表加固前、后钢筋混凝土构件最大应力T a b l e M a x i m u ms t r e s s e s i nr e i n f o r c e dc o n c r e t ec o m p o n e n t sb e f o r ea n da f t e r r e h a b i l i t a t i o n构件最大应力/MP a恒载活载 倍恒载 倍活载加固前
15、主梁 加固后主梁 桁架 注:正值为拉应力;负值为压应力.下同.空心板桥板桁组合加固设计及试验研究蒙立和,梁明哲,谢肖礼,谢远忠,勾文鑫表加固前、后钢筋混凝土构件验算结果T a b l e V e r i f i c a t i o no f r e i n f o r c e dc o n c r e t ec o m p o n e n t sb e f o r ea n da f t e r r e h a b i l i t a t i o n构件验算项目计算值加固前加固后容许值主梁施工阶段法向最大压应力/MP a 施工阶段钢筋最大拉应力/MP a 使用阶段钢筋最大拉应力/MP a 中性
16、轴处最大主拉应力/MP a 使用阶段最大裂缝宽度/mm 最大正弯矩/(k Nm)最大负弯矩/(k Nm)桁架使用阶段最大裂缝宽度/mm 偏心抗压承载力/k N 偏心抗拉承载力/k N 表安全系数T a b l e S a f e t y f a c t o r s构件验算项目安全系数加固前加固后主梁施工阶段法向最大压应力 施工阶段钢筋最大拉应力 使用阶段钢筋最大拉应力 中性轴处最大主拉应力 使用阶段最大裂缝宽度 最大正弯矩 最大负弯矩 桁架使用阶段最大裂缝宽度 偏心抗压承载力 偏心抗拉承载力 由表、表可知:采用板桁组合加固方案可以大幅减小主梁所受正弯矩,钢筋应力及裂缝宽度等都有改善.加固前、后
17、主梁最大正弯矩安全系数最小,分别为 和 ,加固后的桥梁抗力安全系数增大了 ;桁架偏心抗压承载力安全系数最小,为 .综上所述,增设的桁架主要参与承担后续的二期恒载及活载作用,空心板自重仍由其自身抵抗.这种受荷模式提高了主梁抗弯能力,横向荷载分布均匀,又确保加固桁架受力较小.刚度活载作用下,加固前、后主梁、桁架及空心板挠度如图所示.由图可知:加固前主梁的最大下挠值为 mm,加固后为 mm,加固后主梁挠度减小了 ,结构刚度明显提高;桁架的最大下挠值为 mm,比主梁最大下挠值小,对结构无影响.号板加固前最大下挠值为 mm,加固后为 mm,减小 ;号板减小 ,边板的刚度提升比中板大.板桁加固方案提升了主
18、梁刚度,且边板刚度明显提高,这也验证了横向荷载分布系数变化理论,边板将分配更多荷载.图加固前、后主梁、桁架及空心板挠度F i g E n v e l o p eo fd e f l e c t i o n so fm a i ng i r d e r,t r u s s,a n dh o l l o wc o r eb e a m 自振频率加固前、后桥梁结构前阶模态如图所示.由图可知:加固前桥梁的第阶模态自振频率为 H z,加固后为 H z,提高了 .加固后桥梁第阶模态才出现加固桁架振动模态,由于桥梁动力性能的主要影响因素是第阶模态,加固后桥梁的第阶模态自振频率得到提高,且未改变桥梁的振型,仍
19、为面内竖弯.稳定性因板桁组合加固方案增设了桁架,需进行结构图加固前、后桥梁结构前阶模态F i g F i r s t m o d e so fn a t u r a l f r e q u e n c i e so fb r i d g eb e f o r ea n da f t e r r e h a b i l i t a t i o n世界桥梁 ,()稳定性计算.计算桥梁在恒载及产生桁架轴向压力最大的活载作用下的临界荷载系数.经计算,加固后桥梁首次屈服发生在桁架上弦杆(见图),临界荷载系数较大(),桁架的增加对桥梁行车安全没有影响.图结构首次屈曲F i g F i r s tb u c
20、 k l i n go f s t r u c t u r e静载试验研究 荷载设置该桥采用板桁组合加固法加固完成后(见图),进行了静载试验以验证加固效果.试验采用载重车布置于桥梁中线上,分级加载:级荷载为辆 k N的载重车(车 辆),级 荷 载 为辆 k N的载重车(车辆),级荷载为辆 k N的载重车(车辆和车辆).静载试验车辆布置如图 所示.图 桥梁加固后实景F i g P h o t oo fb r i d g ea f t e rc o m p l e t i o no f r e h a b i l i t a t i o n 结果分析 挠度挠度采集点设于/跨及/跨边板上,主梁图 静
21、载试验车辆布置F i g D i s t r i b u t i o no fv e h i c l e s i ns t a t i c l o a dt e s t挠度实测值与有限元计算值如表所示.由表可知:大部分挠度实测值比计算值小,实测值与计算值最大误差 ,加固后的桥梁具有较大的刚度,有效减小了主梁在荷载作用下的竖向变形.应力桁架及主梁应力测点布置如图 所示,采用J M 多功能静态应变测试系统进行数据采集.桁架及主梁应力实测值与有限元计算值如表所示.由 表可 知:实 测 桁 架 最 大 拉 应 力 为 MP a,最大压应力为 MP a,分别与计算值误差 和,桁架应力实测值与计算值基本吻
22、合;主梁最大拉应力实测值为 MP a,与计算值误差 ,主梁应力实测值均比计算值小.静载试验结果表明,桁架有效参与结构受力,结构应力小,且主梁中板的受力得到改善.结论与建议为对空心板桥进行抗弯加固,提出一种新型加固方法 板桁组合加固法,将该方法应用于一座空心板桥加固中,并进行有限元分析及静载试验,得到主要结论如下:()板桁组合加固法将原桥主梁最大正弯矩的安全系数由 提高至 ,在基本组合下空心板的应力减小了 ,提高了结构的抗弯能力;在活载作用下主梁最大下挠值由 mm变为 mm,减小了 ,结构刚度大幅提高,有利于行车平顺性;桥梁的第阶模态自振频率提高了 ,且对结构行车安全无影响.表主梁挠度实测值与有
23、限元计算值T a b l e M e a s u r e da n dc a l c u l a t e dd e f l e c t i o n so fm a i ng i r d e r测点挠度级荷载级荷载级荷载实测值/mm计算值/mm误差/实测值/mm计算值/mm误差/实测值/mm计算值/mm误差/跨 /跨 空心板桥板桁组合加固设计及试验研究蒙立和,梁明哲,谢肖礼,谢远忠,勾文鑫图 桁架及主梁应力测点布置F i g L a y o u t o f s t r e s sm e a s u r e m e n tp o i n t s i nt r u s sa n dm a i ng
24、i r d e r表桁架及主梁应力实测值与有限元计算值T a b l e M e a s u r e da n dc a l c u l a t e ds t r e s s e s i nt r u s sa n dm a i ng i r d e r测点应力/MP a级荷载级荷载级荷载实测值计算值实测值计算值实测值计算值 ()静载试验主梁挠度实测值与有限元计算值最大误差 ,桁架最大拉、压应力实测值与计算值误差分别为 和,主梁最大拉应力实测值与计算值误差 ,实测值与计算值较吻合,验证了增设的桁架参与桥梁的协同受力.板桁组合加固法充分考虑原桥植筋条件和施工情况,对空心板的影响小,提高了整体受力
25、性能,材料用量少,经济性高,且耐久性好,运营维护简单.板桁组合加固方法较适用于深铰缝窄桥面空心板桥,对于宽桥面及其它不同铰缝形式的桥梁,可通过增设桁架榀数和结合横向联系加固措施进行加固.板桁组合加固法为空心板桥的加固提供了一种整体加固的新思路,但其局限性较大,适用性仍有待探索,需要在连接措施、横向传力等方面做进一步的研究.参考文献(R e f e r e n c e s):姚玲森桥梁工程(第版)M北京:人民交通出版社股份有限公司,(YA O L i n g s e n B r i d g e E n g i n e e r i n g(T h i r d E d i t i o n)M B e
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