|
既有空心板梁受力性能分析 刘伟，王辉，石雪飞** 作者简介：刘伟（1987-），男，硕士研究生，桥梁施工与信息技术 通信联系人：石雪飞（1964-），男，教授，桥梁施工与信息技术. E-mail: shixf@tongji.edu.cn （同济大学桥梁工程系,上海 200092） 5 摘要：预应力混凝土空心板桥是公路桥梁中的常用桥型之一，其具有很好的经济性和施工便捷等优点。但空心板梁较典型的病害有铰缝处纵向裂缝导致的“单板受力”，严重影响结构的耐久性和安全性，在国内甚至发生坍塌事故。本文结合某桥工程实际，设想预应力空心板梁桥坍塌后，对各种可能性进行分析。分析包括对原设计的计算复核；根据规范要求对铰缝进行受力计算（包括汽超-20、重车）；重车过桥（单板受力、铰接受力）对桥梁安全性的影响以及荷载试验情况。计算表明，原有小铰缝受力满足要求，重车过桥10 时，若按照铰接板计算也能满足要求，但是若铰缝失效，按照单板受力计算不能满足要求。 关键词：空心板梁；铰缝；重车；工程量 中图分类号：TU312 Existed hollow plate beam force performance analysis 15 LIU Wei, WANG Hui, SHI Xuefei (Department of Bridge Engineering, Tongji University, ShangHai 200092) Abstract: Prestressed Concrete Hollow bridge type used in highway bridges has an advantage of economy and convenient construction. More typical disease of the hollow plate girder is "the veneer force" from hinge joints longitudinal cracks,caused serious impact on the durability and safety of the 20 structure,and even collapse occurred. In this paper, from a bridge engineering practice, it is envisaged that the prestressed hollow plate girder bridge collapse, analysis the various possibilities. Analysis includes a review calculation of the original design;The calculation was according to the specification requirements of the hinge seam force (including steam super -20, heavy vehicles); heavy vehicles across the bridge (the veneer force, Hinged force) influence on security and load test. The calculations 25 show that the original small hinge seam force meet the requirements of heavy vehicles cross the bridge when calculated in accordance with the hinged plate , but if the hinge seam failure, can not meet the requirements under the veneer force. Key words: Hollow plate beam; hinge seam; heavy vehicles; project amount 30 0 引言 预应力混凝土空心板桥是我国上世纪从苏联引进的一种桥梁结构形式，是中小跨桥梁中的常用桥型之一。其常见跨径在16~30m，板厚0.7~1.2m，板宽1~1.5m。 近年来，由于空心板梁在小跨径桥梁中，表现出建筑高度小、自重轻、施工方便、施工速度快、桥梁纤细美观、结构断面受理合理、钢束分散布置从而避免了锚下混凝土应力集中、35 节省钢筋、经济效益好等优势，在桥梁建设中应用广泛[1-3]。但是空心板梁桥在实际的应用中，发生很多病害，特别是铰缝失效等问题较为普遍。铰缝处纵向裂缝导致的“单板受力”，进一步导致梁体底板纵缝、横缝等，严重影响结构的耐久性和安全性。在国内甚至发生坍塌事故，如2011年发生的钱塘江三桥萧山岸引桥垮塌等，空心板梁桥这种结构形式在国内外引起了巨大争议。 40 有多种因素可能导致桥梁倒塌，如施工原因（偷工减料等）、设计原因、重车过桥（大型改装车）、铰缝年久失效（管养责任）等。本文结合某空心板梁工程实例，对可能引起桥梁垮塌的原因进行分析。主要研究内容有：对原桥结构进行复核、重车过桥分析、铰缝抗剪计算以及新旧桥工程量对比等。 1 工程概况及原桥计算分析 45 1.1 工程概况 本文论述为某城市高架桥空心板简支梁桥，为上世纪90年代建造典型桥型，截面形式及构造具有一定代表性。分为左右两幅，每跨8片空心板梁，板与板之间依靠小铰缝提供横向联系。桥梁计算跨径为21.14m。空心板梁高度为1m，预制板宽0.99m。桥梁断面如图1所示。板梁与铰缝均采用40#混凝土，钢绞线采用270k级（ 15.24 ）。 50 道路中心线铺装10009909909909909909909909909220 图1 桥梁断面图 Fig. 1 Bridge sectional view 1.2 原桥设计复核 根据横向分布原理，采用桥梁博士对原桥进行计算。最不利边板设计各项技术指标见表55 1。由此可见，按照铰接板法计算，原桥结构设计能够满足规范要求，并且是极其经济、合理的。 表1 计算各项指标 Tab. 1 Calculate indicators 最不利截面 抗力或者规范值 利用率 抗弯 1910.9 2226.6 0.858 抗剪 617.1 653.3 0.945 预应力筋应力 1214.2 1302.0 0.933 混凝土压 11.0 16.8 0.657 混凝土拉 1.7 0.0 / 挠度 1.4 34.3 满足 注： 混凝土拉应力出现一定的拉应力是由于设计方法原因所致。 60 1.3 超重车计算 重车过桥对桥梁结构安全有重大影响，近年来随着我国经济快速发展，车辆超载现象也十分普遍。分别按照铰接板法计算和单板受力计算，研究重车过桥对桥梁结构承载能力的影响。 经调查超重车，假设该重车为6轴车，车轴重量分别为135+178+178+266+266+266（kN）；65 车轴轴距2.39+1.4+8.9+2.2+2.2（m）。首先确定该重车加载位置。根据文献[4]，要想得到最不利的状态，必须有重车轮子加载在跨中，本重车有三个重轴，最不利状态可能有如下两种情况。经计算，可以得出加载位置2更不利。 http://www.paper.edu.cn - 3 - 中国科技论文在线 2.391.48.92.22.221.141.060.840.620.170.03 2.39148.92.22.221.140.841.060.84 图2 加载位置（一）(m) 图3 加载位置（二）(m) 70 Fig. 2 Loading position (A) (m) Fig. 3 Loading position (B) (m) 按照单板受力状态，最大抗力以及最大抗力对应内力图如下： 图4 按单板受力计算重车内力与抗力 图5 按铰接板计算重车内力与抗力 Fig. 4 Veneer force heavy car force and resistance Fig. 5 hinged panel Heavy car force and resistance 75 从图4中可以看出若单板受力作用下，空心板受力不能满足要求。若按照铰接板法计算，即考虑板余版之间的相互作用，该桥次边板在一辆重车作用下，最大抗力以及最大抗力对应内力图5 所示，从图中可以看出若考虑铰接受力，满足要求。 2 铰缝受力分析 2.1 铰缝计算简化理论 80 铰缝可能引起的内力为竖向剪力 ()gx ；横向弯矩 ()mx ；纵向剪力 ()tx 和法向剪力 ()nx 。如图6所示。当桥上主要作用竖向车轮荷载时，纵向剪力和法向力同竖向剪力相比，影响极小，加之在构造上，铰缝的高度不大，刚性甚弱，则横向弯矩对传布荷载的影响影响极微，也可忽略。故在分析铰缝时，可只考虑竖向剪力的影响[1]。 n(x)g(x)t(x)m(x) 85 图6 铰缝受力计算示意图 Fig. 6 Hinge joint force calculation diagram 车辆加载，在最不利状态下，位移大致对称，按照傅里叶级数展开： ()sinxgxgl 。本文按照幂级数对位移进行拟合。在运营过程中，铰缝位移示意图见7。 90 图7 铰缝位移示意图 Fig. 7 Hinge joint displacement diagram 荷载、铰接力和挠度三者之间具有协调性。对于弹性板梁，荷载与挠度呈正比例关系： ()pxy 铰缝属于钢筋混凝土构件，对于该类构件应按照规范规定的钢筋混凝土构件进行计算。95 根据文献[5]第5.1.10条规定，斜截面抗剪强度按照下式计算： jhkwQQQ 式中第一项为混凝土和箍筋引起的，第二项为弯起钢筋引起的。本桥主梁不设弯起钢筋，故上式右端第二项为零。 1000120100 100 图8 铰缝示意图（mm） Fig. 8 Hinge joint displacement diagram (mm) 若不考虑钢筋的作用，其每延米铰缝抗剪承载力为： 1000.008(2)0.1271.42hshkkgkcsQQpRQbhRbhKNm 2.2 铰缝运营阶段内力计算 105 2.2.1 铰接板法计算铰缝内力 铰缝最不利状态下其横向分布按照铰接办法计算，计算图示见图9。 经计算，若使其铰缝受力最不利，其横向分布系数为： 1=0.1720.1340.1150.0980.25952m 。 0.1720.1340.1150.098 110 图9 影响线 Fig. 9 Influence line 汽超-20其车总重为600KN。则铰缝合力： =0.2595600155.7F 图10 曲线拟合 115 Fig. 10 Curve fitting 按照幂函数进行拟合。假设铰缝合力 42yaxbxc ： 拟合初始条件：跨中位移为0.02853m，四分点位移为0.01982m。 即 0,0.0285310.29/2,0.01982xyxy 拟合后： 120 420.00000075040.00034890350.02853yxx 再令其剪力延纵向分布为 qy ，对其在桥的纵向进行积分，即 10.2910.294210.2910.29(0.00000075040.00034890350.02853)155.7qdxxxdx 当 0x 时，铰缝内力最大为： 12.1/qKNm 。 125 其单位抗剪承载力为 max71.2/12.11+0.31.4=21.94/qKNmKNm（） ，其中0.3为冲击系数，1.4为组合系数。以上计算表明：在规范荷载作用下，该桥铰缝抗剪承载力是满足要求的。 2.2.2 重车过桥计算铰缝内力 前已叙述，事故车总车重为1280KN。若使铰缝受力最不利，其横向分布系数为： 130 1=0.1720.1340.1522m 。则铰缝力： =0.1521280437.8F 。 类似前述计算铰缝内力，重车作用下铰缝每延米在重车作用下其最大内力（跨中）为： max33.911+0.31.4=61.7/qKNm（） 。说明在重车作用下，铰缝其抗剪承载力能满足要求。 3 新旧桥工程量对比 由于旧桥发生倒塌，需要新建新梁。新旧桥中梁跨中截面如图11所示。 135 10009901201201001801201201000990 旧桥截面 新桥截面 图11 新桥与旧桥截面 Fig. 11 The new and old bridge cross-section 原桥截面和新桥截面高度一样，腹板新桥比旧桥要大1.5倍。顶板也比旧桥厚。 140 表2 新旧桥预应力束用量对比 Tab. 2 The prestressing tendons dosage contrast 直径 每根长（m） 根数 总长（m） 分项（kg） 旧桥 270k级（ 15.24 ） 21.054 4 87.02 286.9 新桥N1 5 15.24 22.126 2 44.25 243.6 新桥N2 5 15.24 22.086 2 44.17 243.2 新桥N3 5 15.24 22.066 2 44.13 242.9 注： 新建桥梁预应力钢筋在梁端有弯起。 旧桥混凝土采用40#混凝土，新桥采用C50混凝土。混凝土重量是原来的至少1.28倍。钢绞线重量是原来的2.54倍。新旧桥经过计算，都能满足规范的要求。但是设计都按照新145 空心板梁计算（其计算原则为按照单板受力计算），会给国家带来巨大的浪费。所以进一步 学术论文网Tag：代写硕士论文 代写论文 代写代发论文 代发论文 |
