裝配式空心板橋鉸縫受力性能研究.pdf

1、裝配式空心板橋由于其預制、安裝、施工工藝簡單、工程造價較低,同時板橋具有建筑高度最小等優(yōu)點,所以在中小跨徑橋梁中得到廣泛地應用。但從已建成橋梁的運營狀況來看,也存在一些較為典型的病害。通過調研分析表明,影響空心板橋正常使用和結構安全最突出的問題是由于橫向聯(lián)系結構偏弱,單板剛度較低所造成的,而究其根源,空心板橋鉸縫破壞是主要原因。空心板間鉸縫處混凝土破碎、脫落、大面積滲漏,除引起梁本身破壞外,還可引起橋面鋪裝、伸縮裝置、橋梁支座等的破壞,

2、使橋面平整度降低,甚至出現(xiàn)橋面鋪裝擁起、破碎、脫落等現(xiàn)象。這不僅嚴重地影響了行車的舒適性,增加了行車的安全隱患,還大大降低了橋梁結構的整體承載力。本文通過調研分析和閱讀大量的相關文獻對空心板橋鉸縫破壞的原因、一般特征及其危害性進行了探討和研究。簡要介紹了基于ABAQUS有限元方法分析空心板橋所涉及到的非線性理論及其處理辦法,本文主要包括材料非線性和接觸條件非線性,非線性材質采用Newton-Raphson方法來解決,接觸條件非線性采用了

3、滿足Coulomb摩擦定律罰函數(shù)公式進行處理。鉸縫中的混凝土和鋼筋用ABAQUS有限元提供的混凝土塑性損傷模型和經典的金屬塑性模型分別實現(xiàn)。建立實橋模型并與靜載實驗實測數(shù)據(jù)進行對比,由此驗證了采用三維有限元程序ABAQUS6.8對考慮鋪裝層影響的空心板橋進行數(shù)值模擬和仿真研究是可行的、合理的和有效的,得到橋面板和鉸縫的接觸面采用滑動摩擦體系與實際相符。利用有限元程序ABAQUS6.8對有限元模型進行如下分析:(1)橫向和縱向荷位對鉸縫受

4、力性能的影響,通過變化橫向和縱向荷位,得到鉸縫受力的最不利位置,并對不利荷載位置作用下的鉸縫受力性能(包括沿縱向和跨中截面板高方向)進行深入細致的分析。(2)對不同跨徑空心板橋進行對比分析,在相同荷載,相同作用位置其荷載橫向分布系數(shù)也是不相同的,跨徑越小,橫向荷載分布系數(shù)越不均勻。同一編號的空心板橋縱向正應力隨跨徑增大而增大。從荷載傳遞率來看,隨著跨徑的增大,荷載傳遞率逐漸增大。(3)超載是對空心板橋鉸縫結構各項指標中影響最大的因素,超

5、載比例的增大會引起各項應力的增大,而且可能使鉸縫混凝土的拉應力超過其抗拉強度,造成破壞。(4)摩阻系數(shù)跟橋面的粗糙程度、車輛的速度、車輛的輪胎樣式等因素有關。通過改變摩阻系數(shù)實現(xiàn)水平荷載的變化,并對比分析其對鉸縫結構應力及變形的影響,發(fā)現(xiàn)水平荷載對鉸縫結構中沿橋跨縱向的應力影響很大。(5)瀝青混凝土鋪裝層厚度改變對鉸縫結構的各項應力影響較大,增加鋪裝層厚度將減小鉸縫結構的縱向拉應力最大值,其余應力隨著鋪裝層厚度增加,在10cm~12cm

6、之前衰減幅度很大,之后衰減幅度逐漸減緩。其中剪應力衰減較大,當厚度由4cm增加到20cm時,剪應力衰減最大近90.4％?？梢?增加鋪裝層厚度對于降低鉸縫結構剪應力效果明顯。(6)瀝青混凝土彈性模量隨外界氣溫變化和荷載作用時間的改變變化很大,分析證明瀝青鋪裝層的模量變大時,各應力均呈減小狀態(tài),而且增加鋪裝層彈性模量對鉸縫結構的剪應力影響較大。(7)當鋪裝層厚度一定時,橋面鋪裝材料采用剛性的鋼筋混凝土和鋼纖維混凝土對鉸縫結構受力性能更為有利

7、。(8)通過改變鉸縫結構彈性模量模擬不同等級的鉸縫混凝土,發(fā)現(xiàn)隨著鉸縫彈性模量增加,鉸縫結構的最大正應力及剪應力都呈現(xiàn)單調增加趨勢,鉸縫的豎向位移減小。(9)鉸縫結構泊松比的變化對鉸縫的各應力及撓度影響不明顯。(10)橋面板與鉸縫結構的接觸狀態(tài)比較復雜,研究發(fā)現(xiàn)接觸條件變化對鉸縫剪應力影響較大,鉸縫結構和橋面板之間的良好粘結,對鉸縫結構的受力性能有利。(11)通過改變梁體密度,發(fā)現(xiàn)在跨徑和截面相同的情況下,減輕自重,對鉸縫結構受力性能有

8、利。(12)對鉸縫常見加固方案進行對比分析,發(fā)現(xiàn)施加橫向預應力筋效果最好。其次是加粗鉸縫鋼筋,但是采用該方法加固時不容易施工,不過在設計中適當加粗鋼筋對新建橋梁還是有現(xiàn)實意義的。再次是鉸縫底部及頂部增加鋼板的方案,這兩種方案不僅加固效果明顯,而且施工也方便。中小跨徑裝配式空心板橋在內蒙古地區(qū)應用十分廣泛。不過從已建成橋梁的使用狀況來看,鉸縫破壞病害比較突出。故本論文研究成果將及時服務于正在蓬勃發(fā)展的西部地區(qū)中小跨徑橋梁工程建設,對提高工