中小跨径桥梁抗震计算

中小跨径桥梁抗震计算（共4篇）

中小跨径桥梁抗震计算 篇1

国内外的地震灾害表明, 震区桥梁的损坏坍塌, 不仅阻碍当时的救灾行动, 而且影响灾后的恢复工作。所以应该对桥梁抗震给予高度的重视[1]。汶川地震的警示也对现今桥梁工程设计里的抗震设计范畴提出了更高的要求--要能够更准确更真实地反映出地震响应情况。

本文以 (3×25) + (3×25) m跨径圆柱式连续箱桥为研究对象, 结合土木工程专用有限元分析软件Midas Civil 2010[2], 通过比较桥墩系梁在有限元仿真分析中, 采用不同处理方式时所得到的结果, 从而为完善桥梁抗震计算方法提供参考。

1 工程概况

本桥上部采用25m跨径连续箱梁, 以3x25m为一联。计算时建立全桥模型作为研究对象。下部采用圆柱式桥墩, 柱径120cm, 桩径140cm, 桩顶设置120x100cm系梁。

本桥设计荷载等级为公路Ⅰ级, 场地类别Ⅳ类。根据该项目地震评估报告, 反应谱参数如表1所示。

2 基本模型

本桥依据《公路桥梁抗震设计细则》6.3条要求, 建立全桥空间杆系模型, 计算软件为MIDAS Civil 2010。桩土作用通过等效刚度弹簧边界模拟。系梁周围表层土的约束作用很弱, 建模时可以忽略不计 (见图1, 2) 。

3 分析计算

结构在E1地震作用下, 整个桥墩保持弹性状态。E2地震作用下, 桥墩作为延性构件, 出现塑性铰, 进入塑性变形阶段。在模拟系梁时常规有两种方式。其一是将系梁与桩柱相交的两个节点以梁单元连接, 即刚构处理。其二是系梁与桩柱相交的两个节点与系梁单元以主从连接方式处理 (见图3, 4) 。

由于系梁只影响桥墩横桥向刚度, 故本文仅比较两种不同模拟方式对横桥分析结果的影响。

利用纤维截面分析软件UCfyber计算截面的塑性特性值。通过对单墩进行横向pushover分析计算得到达到E2地震作用下的实际位移时墩底、系梁及桩顶的弯矩值 (见表2) 。

通过以上计算可知, 利用主从连接方式去模拟系梁与桩柱之间的联系, 系梁弯矩远小于利用刚构方式模拟的结果, 几乎可以忽略, 而计算得到的桩基弯矩由于系梁分配的很少, 较用主从连接方式模拟的要大, 这种结果是合理且偏安全的。

事实上, 根据将系梁设计成为能力保护构件的理念, 用主从连接方式去模拟系梁边界是默认为系梁先于墩柱屈服失效, 是一种偏安全的处理思路。这种思路在中小桥梁的设计中得出的结果是偏安全的。

同时, 利用刚构方式模拟是认为在墩柱屈服的时刻系梁依旧处于弹性阶段。事实上, 在没有做专门对系梁分析判别的工作前, 这种处理方式是不合理且不安全的。

另外, 地震作用下, 系梁塑性铰的屈服能起到耗散地震能量的作用, 也可作为桥梁减震设计中的一环。

综上所述, 笔者认为在中小跨径桥梁设计中, 系梁的设计定位应该是先于墩柱屈服的能力保护构件。在系梁与墩柱桩基连接方式的模拟时应采用主从连接的方式模拟, 结果是合理且偏安全的。

结束语

近年来, 结构的抗震设计在工程设计中越来越受到关注。作为一个在国内发展相对较晚的领域, 构件的设计思路和计算方法需要广大土工工作者在实际的工作中不断探索和完善。

(桩基用等效刚度弹簧边界模拟)

摘要：本文以高速公路桥梁中常见的25m跨径圆柱式连续箱梁梁桥为例, 通过空间有限元仿真分析, 探讨系梁与桩柱的不同模拟方式对抗震计算结果的影响, 对完善桥梁抗震计算方法有参考意义。

关键词：连续箱梁桥,系梁,抗震计算,有限元

参考文献

[1]范立础.高架桥梁抗震设计[M].上海:人民交通出版社, 2001

[2]刘美兰.midas Civil在桥梁结构分析中的应用 (一) [M].北京:人民交通出版社, 2012.

高速公路小跨径桥梁抗震分析 篇2

1 工程概况

某高速公路空心板桥12-20m,分为三联,桥面单幅宽度13m,桥墩采用双圆柱,柱径1.2m,桩径1.4m,取中间联进行抗震计算。

2 空间计算模型

采用midas2006建立结构空间计算模型,上部空心板横向采用虚拟梁连接形成整体,板式橡胶支座依据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)6.3.7条计算支座剪切刚度,采用空间弹簧进行模拟。桩基础采用6根弹簧模拟桩土作用,弹簧刚度根据土层状况按静力等效的原则确定,其中土性资料根据m法确定。空间模型如图1所示。

3 动力特性分析

分析和认识桥梁的动力特性是进行桥梁抗震特性分析的基础。本文采用前述的动力计算模型,对墩高分别为14.5m、8.5m三种模型进行了动力特性分析,结果见表1,频率单位为(1/sec)。

从表1可以看出,桥墩墩高的改变并没有引起前5阶主要振型顺序的改变,并且对前2阶主频的影响要大于对后面几阶频率的影响。对顺桥向地震反应贡献最大的为第一阶,对横桥向地震反应贡献最大的为第二、四阶。

4 地震反应谱分析

4.1 地震反应谱分析理论

反应谱理论也称动力法,是目前世界各国应用最为广泛的抗震分析方法,其优点是考虑了地震时地面的运动特性与结构物自身的动力特性,计算量少,且加速度反应谱是加速度反应的最大值,用他来控制设计一般是安全的。

依据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008),B、C类桥梁的抗震设防目标是小震(E1作用,重现期约为50～100年)不坏,中震(重现期约为475年)可修,大震(E2作用,重现期约为2000年)不倒。即B、C类桥梁在E1地震作用下各构件均处于弹性工作状态,在E2作用下适当控制刚度分布,桥梁的塑性铰位置进入非弹性工作状态以消耗地震能量,其他部分则按能力保护构件设计,处于弹性工作状态,以保证结构不倒。

抗震分析采用多振型反应谱法,水平设计加速度反应谱S按《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)5.2.1条确定:

$\begin{array}{l}\text{S}=\{\begin{array}{cc}\text{S}{}_{\max }(5.5\text{Τ}+0.45)& \text{Τ}<0.1\text{s}\\ \text{S}{}_{\max }& 0.1\text{s}\le \text{Τ}\le \text{Τ}{}_{\text{g}}\\ \text{S}{}_{\max }(\text{Τ}{}_{\text{g}}/\text{Τ})& \text{Τ}>\text{Τ}{}_{\text{g}}\end{array}\\ \text{S}{}_{\max }=2.25\text{C}{}_{\text{i}}\text{C}{}_{\text{s}}\text{C}{}_{\text{d}}\text{A}\end{array}$

式中:Tg为特征周期;T为结构自振周期;Smax为水平设计加速度反应谱最大值;Ci为抗震重要性系数;Cs为场地系数;Cd为阻尼调整系数,因为阻尼比取0.05,所以Cd=1.0;A为水平向设计基本地震加速度峰值。

4.2 地震反应谱分析结果

本文采用反应谱方法,对上述空心板桥两个概率水平地震作用下的地震反应进行了分析,反应谱取前80阶振型,按CQC法进行组合。地震输入采用两种方式:纵向和横向,不考虑竖向地震作用。表2和表3分别列出了不同墩高、不同场地类型、不同地震烈度的桥墩反应谱计算结果。E2作用未考虑塑性铰截面刚度修正。

钢筋混凝土构件的截面抗弯内力采用midas自带的弯曲-曲率线工具进行计算。考虑正常设计情况下柱子截面的配筋率取1%左右,所以本文取用28Φ22钢筋,轴力取用2600 kN,算得柱截面弯曲-曲率曲线如图2所示。从图中可知柱子截面的屈服弯矩为2620 kN,极限弯矩为2758 kN。

5 结论

根据表2和表3,以及图2可以得出以下结论:

(1)E1作用下桥墩均处于弹性工作阶段。

(2)E2作用下只有7度区(0.1g)三类场地,桥墩进入了非弹性工作状态,需要按照延性抗震设计,需要验算变形的要求;其余情况均处于弹性工作阶段。

(3)对比不同墩高的计算结果可以得知,纵向地震作用下,墩高对弯矩的影响较小,墩高较矮时,墩底弯矩反而更大;横向地震作用下,墩高对桥墩弯矩的影响较大,墩越高,墩底和墩顶的弯矩越大。

参考文献

[1]JTG/T B02-01-2008,公路桥梁抗震设计细则[S].

中小跨径桥梁加固方案探析 篇3

1.1 裂缝

钢筋混凝土结构在使用状态下出现裂缝属于正常现象, 但理论和大量实验表明结构的破坏又往往从裂缝开始, 因此可以把桥上的裂缝分为“有害裂缝”和“无害裂缝”。“有害裂缝”主要指对桥梁结构的承载能力、变形、结点构造的牢固程度有直接影响, 或严重影响的裂缝, 如由于墩台不均匀沉降、倾斜造成的上部结构的裂缝;由于主筋腐蚀而膨胀所引起的顺向裂缝等。“无害裂缝”主要是指它对桥梁结构不产生上述影响, , 但也不能认为“无害裂缝”绝对无害。

1.2 混凝土碳化及钢筋锈蚀

混凝土碳化及钢筋锈蚀现象在钢筋混凝土桥梁中比较普遍, 也比较严重。造成钢筋锈蚀的主要因素是氯离子浓度过高, 使混凝土碱度降低, 促使钢筋钝化膜破坏, 因此氯离子渗入混凝土是引起钢筋锈蚀最快和最主要的因素。当混凝土碳化深度接近或超过钢筋保护层厚度时, 混凝土结构内的钢筋多己锈蚀, 而钢筋的锈蚀又加剧了混凝土裂缝的发展, 严重降低结构的承载力。

1.3 剥蚀

剥蚀破坏从外观能明显表现出来, 通常的剥蚀破坏有露石、酥松起皮、蜂窝麻面, 及剥落等。剥蚀破坏的主要原因是由外界环境侵蚀及施工方法不当。在施工中要注意添加济的合理使用, 混凝土要有足够的养护时间及足够的保护层厚度。剥蚀会影响到桥梁结构的耐久性, 使钢筋被锈蚀, 产生过大的挠度影响桥梁的正常使用。

1.4 地基不均匀沉降引起的破坏

地基不均匀沉表现为桥墩下沉不均匀使桥梁上部结构的受力模式与设计之初的预想模式不一致, 产生了新的应力, 从而使上部结构受到较严重的影响, 如开裂、挠度过大, 局部剥离破坏等等。主要原因是基础的不均匀沉降、倾斜及滑移等, 这些因素又与施工方法、地质条件及设计者的考虑是否充分密切相关。

1.5 跨中挠度过大

跨中挠度过大, 往往伴随着跨中梁底横向开裂, 墩顶处桥面开裂或腹板斜裂缝, 主要原因是抗弯刚度不够, 如梁高偏矮, 腹板偏薄, 纵向预应力不足或损失过大。另外使用标准的提高, 也是跨中挠度过大的重要原因。

2 桥梁加固技术特点

2.1 增大截面法的特点

增大截面法是一种增大构件截面面积和配筋的传统加固方法。广泛应用于凝土梁、板、柱的加固。这种方法可以提高构件的创造力和刚度、降低柱子长细比等目的。主要优点有:施工技术难度小, 对施工的条件和人员要求都不高, 几乎不需要特殊的技术和加固设备;可广泛用于一般梁、柱、板、墙等混凝土结构;在结构允许的情况下, 增大截面法可以大幅度地提高构件的承载力以满足设计要求。但其缺点也是相当明显的, 主要有:增加构件的自重, 尤其是加固梁的时候, 自重的增加对梁影响非常大;工作量相对较大, 加固周期太长, 而且作业, 养护起来比较麻烦;需要较大的作业空间, 甚至需要完全清空建筑物, 加固后对外观影响较大。

2.2 粘贴钢板加固法的特点

外部粘贴钢板加固法是一种把钢板粘贴在构件表面的常用的加固方法, 通过外粘的钢板提高构件的承载力、刚度及稳定性。该方法的主要优点有:施工速度较快, 一般二天左右的时间即可把粘贴的钢板加压固化;和增大截面法相比, 它占用的空间很小, 厚度一般在4~10mm之间;钢板的粘贴位置比较灵活, 除了在梁底粘贴可以提高受弯和承载力外, 在两侧粘贴也能提高受剪承载力, 这些位置的粘贴不但可以提高承载力还可以封闭及限制结构的裂缝。粘贴钢板的缺点主要有:对施工人员的素质要求比较高, 如果表面处理不好, 环氧树脂材料失效、不能与梁变形协调、操作方法不当等, 都可能造成粘钢的实效。

2.3 体外预应力加固法的特点

体外预应力法是指对布置于承载结构主体之外的体外钢束张拉而产生预应力的后加固方法。体外预应力体系由体外预应力孔管、浆体 (防腐油脂或水泥浆体) 、锚固体系和转向块等部件组成。根据被加固结构受力要求不同, 预应力拉杆又分为三种, 即水平拉杆、下撑拉杆和组合式拉杆。水平拉杆使用在正截面受弯承载力不足的加固, 同时, 可减小梁的挠度, 缩小原构件的裂缝宽度。下撑式拉杆适用于斜截面受剪承载力、正截面受弯承载力均不足的受弯构件加固, 同时又可减小梁的挠度, 缩小原构件的裂缝的宽度。

3 形截面桥梁加固力学分析

3.1 粘贴碳纤维加固分析

碳纤维加固T形梁桥的提高幅度在2%~23%之间, 20m跨径的提高幅度最大, 在15%~23%之间。该方法粘贴2到3层碳纤维较为适合。20m跨径以后的提高幅度逐步降底。由T形梁桥梁高较大, T形截面较小及碳纤维加固的层数限制, 碳纤维加固不容易引起超筋破坏。粘贴碳纤维加固计算设计控制点应该在原钢筋的应力上, 计算设计应注意控制原钢筋的应力, 保证结构安全。桥梁由于强度降低的原因需要加固的, 应该在加固前作详细检测, 降低幅度不大的T形梁桥无需加固。

3.2 粘贴钢板加固分析

粘贴钢板加固T形梁桥的提高幅度在20%~32.2%之间, 随着桥梁跨径增大提高幅度逐渐减小, 跨径增大到40m时提高幅度在12%~18%之间。粘贴钢板加固T形梁桥分析表明, 一般应考虑用钢板加固过厚引起超筋破坏。在加固设计20m~30m跨径桥梁时, 注意钢板与钢筋的应力控制, 由于二次受力的原因, 不能预先确定哪一个先达到设计应力。但40m跨径的加固分析表明, 原钢筋应力滞后较大, 一般原钢筋先达到设计应力。

3.3 增大截面加固分析

增大截面加固对中小跨径桥梁的提高幅度在26%~54.8%之间。提高幅度随着跨径的增大而减小。为保证钢筋与混凝土有足够咬合力, 钢筋之间至少有一个钢筋直径的距离。由于箱形梁的横向尺寸较大, 大量配置钢筋的情况下, 加固后的承载力有显著提高。

4 结论

对于T形截面构件, 粘贴碳纤维加固法、粘贴钢板加固法、高强钢绞线网聚, 合物砂浆加固法及增大截面加固法的承载力提高幅度分别为2%~23%、12%~15%、20%~40%、20%~40%, 构件跨径越大提高幅度越小。粘贴碳纤维加固法的跨中挠度, 为粘贴钢板加固法的1.07~1.12倍, 为高强钢绞线网聚合物砂浆加固法的1.09~1.4倍, 为增大截面加固法的1.15~1.5倍。

参考文献

[1]金玉泉.桥梁的病害及灾害[D].上海:同济大学, 2006

[2]黄颖.混凝土板桥病害分析及加固方法研究[D].西安:长安大学, 2005.

中小跨径危旧桥梁的加固法 篇4

桥面补强加固方法指的是在原有桥面板上再铺设适量钢筋混凝土, 将加铺的钢筋混凝土与原桥梁构成一个整体, 进而扩大桥面及桥主梁的受力面积, 提高桥梁的刚性。桥面补强加固方法由于其加固效果良好, 因此在桥梁加固实践中应用广泛。在桥梁的承载力弱或刚度下降、铰缝不能起到传力作用时都可以应用桥面补强加固方法实现桥梁的加固。但是该方法也存在一定的局限性, 其普遍应用于中小跨径的桥梁加固中。

2 材料选择

2.1 钢筋的选择

在加固过程中会铺设两种类型的钢筋:一是根据补强层需要而设置的钢筋, 主要是增大混凝土联结作用, 由于加铺的混凝土层属于截面受压区域, 因此大多不会铺设受力钢筋, 此类钢筋的直径不能太大, 普遍会选择使用螺纹钢筋;二是将补强层与原桥梁构造联结起来的钢筋, 钢筋两头分别植入原桥梁结构和补强层中, 由于锚杆固定长度无须太长, 为了能够提升钢筋的握裹强度一般会使用热轧带肋钢筋, 确保原桥梁混凝土与补强层混凝土高效连结, 该类钢筋的直径应在8mm~20mm之间, 每个钢筋的纵向宽度应小于50cm。钢筋深入桥面板的距离有一定限制, 深度应该适应胶粘材料的允许值, 一般直线距离在6cm~5d (d表示钢筋的直径大小) 之间, 其间距应不大于20cm, 直径宜在6~16mm之间。

2.2 混凝土的选择

补强层宜选用较高标号混凝土, 其标号不应低于C30及主梁混凝土标号, 其厚度不能低于10cm;补强层的混凝土不但需要有较好的粘接力、较小的收缩性、较高的抗裂能力, 同时还需要满足韧性标准、具备较好的抗冲击性能及抗渗透性能。混凝土的性能受到原料的影响, 同时还受到施工工艺的影响, 因此, 在选择合适的材料后应用恰当的工艺方法优化混凝土性能。

(1) 加入适当的添加剂能够改善混凝土性能。例如混凝土中加入外加剂、防水剂后, 可以提升其密实性, 增强其抗渗性能;在混凝土中加入适量膨胀剂可以使其膨胀, 从而提高密实性, 除此之外, 膨胀剂还能够起到收缩裂缝的作用, 在一定程度上增强了抗渗性能。外加剂可以有效提升混凝土性能, 但是也需要注意使用方法, 在选择合适的外加剂后还应该做混合试验, 应用合理的掺入方法及合适的添加量, 同时注意搅拌时间及养护方法。

(2) 纤维混凝土以其优良的性能得到广泛应用。它的优点是具备优良的抗裂性能、防渗透性能、抗冲击力, 同时还有足够的韧性和延伸率, 普遍应用于桥梁补强加固。用于混凝土中的纤维主要有两类:合成纤维、钢纤维。前者具有稳定性、抗变形性能、导热率低的特点, 在使用过程中不会凝聚在一起, 分布较为平均, 使用简便快捷;后者大多选用波形钢纤维, 其长径比不小于30mm, 不大于50mm, 添加量至少0.5%, 最多3%。钢纤维的稳定性不足, 因此纤维腐蚀对桥梁带来的危害, 及其对行驶车辆轮胎的危害不容忽视。

2.3 植筋胶的选择

植筋胶的选择应该注重其粘结力、耐久性能, 同时保证无毒无害, 环氧树脂类在桥梁桥面加固工程中使用较为普遍。

2.4 界面剂的选择

因为原桥面混凝土具有吸水性能, 这不利于桥面与补强层联结, 因此, 应该加入界面剂提高两层的粘结力。选择的界面剂应该化学性状稳定, 且对混凝土能够起到良好的粘结作用, 在潮湿的环境中能够保持其性能稳定。

3 力学特点

在对桥梁进行补强加固过程中, 桥面和加固层具有一定的力学特点。一是加固层的受力结构属于二次受力, 即:在开始加固前原桥面就已经受力, 在加固后, 其并没有马上受力, 但是如果增加负荷, 加固层受力。二是在对桥面进行加固后, 补强层和原桥梁存在整体工作、协同受力的情况, 两层结合处的强度相对较小, 应该采用一定的措施解决这一问题。

如果新旧混凝土结合面的受力强度能够满足桥梁整体受力标准, 那么构成的加固结构就可以称为组合梁或组合板, 该结构具有一定的力学特点:应力超前现象、分阶段受力、受压滞后等。

新旧混凝土结合面处在复合应力的情况下。结合面对于两层的压力起到传递作用, 出现问题的可能性较低, 但是结合面的抗剪性和抗拉力性能较弱, 会导致桥面出现缝隙。当结合面受到的剪力过大, 就会增大混凝土的主拉应力, 主拉应力达到承受极限就会造成结合面出现裂缝, 此时再与斜裂缝相交将会导致交接面相对滑移增加, 最终造成新旧混凝土交接面裂缝变宽变大的结果。为了避免这种情况发生可以通过铺设结合钢筋的方式解决, 促使其产生拉应力, 拉应力带来的对交接面的反作用力能够有效抑制裂缝的延伸和加宽。产生的剪力也能够在骨料咬合及销栓作用下传递出去。在这样的受力作用下, 新旧交接面并不会受力破坏。

4 施工工序

桥面补强层加固法的施工全部是在桥面上完成, 因此施工工序并不复杂, 主要内容有:对结合面进行处理、加固层混凝土浇筑等。

5 结束语

(1) 补强加固法操作全部在桥面上完成, 便于施工, 能够很好管理施工质量。

(2) 补强加固法应充分考虑原桥梁的受力情况, 原桥梁中钢筋数量和强度限制了补强层如何进行, 因此应将补强层与其他加固方式相结合, 以其获得最佳加固效果。

(3) 补强加固方法中需要结合面和收缩差动变形达到一定标准, 确保加固结构能够满足叠合结构受力特征。

(4) 桥梁加固是否能够实现期待效果更多的取决于工程质量管理, 工程进行过程中应该认真细致, 严格遵守各规章规定及技术要求, 以保证加固层和原桥梁形成一个整体。

摘要：近些年, 我国道路桥梁交通事故频发, 究其主要原因为危旧桥梁设计技术标准过低, 无法满足现在快速发展的交通需求, 大部分危旧桥梁在巨大的交通负荷作用下, 各部件出现了不同程度的损伤和残缺。桥面补强层加固法主要针对于中小跨径的桥梁进行加固, 它属于非结构性加固方法的一种, 这种方法一般情况下, 不会增加桥梁自重, 同时桥梁的铰接缝可以得到改善, 并且和补强层成为一体, 其加固效果更为明显。

关键词：桥梁加固,桥面补强层,中小跨径

参考文献

[1]王永斌.探讨危旧桥加固的有关技术问题[J].福建建材, 2012.