斜腿刚构

斜腿刚构（精选4篇）

斜腿刚构 篇1

桥梁结构动力特性分析有助于了解桥梁结构的刚度特性及动力响应, 所以桥梁动力响应分析之前都要进行动力特性分析。郭毅研究了钢—混凝土组合格构柱高墩连续刚构桥的动力特性分析方法, 探讨了该类桥梁的动力特性结构行为及规律[1];冯东明采用Midas分析了国内首座独塔斜拉连续刚构组合结构体系铁路桥梁动力特性, 结果表明斜拉刚构组合结构振动特性兼有斜拉桥和刚构桥的特点, 受恒载集度和弹性模量等结构参数变化影响较大[2];李子春探讨了连续刚构桥采用钢筋混凝土四柱式桥墩、双薄壁空心墩、单薄壁空心墩及独柱实心墩时的动力性能。计算结果表明4类桥梁自振频率依次增大, 在不同地震波作用下4类结构的动力反应也不尽相同[3];张坤对东营黄河公路大桥进行了桥梁动力特性参数识别, 采用模型修正的方法, 得到了该桥修正的有限元模型[4]。本文以某斜腿刚构人行桥为算例, 计算分析了斜腿刚构人行桥动力特性。

1 工程概况及结构有限元建模

某斜腿刚构人行桥全长60 m, 主梁标准截面为π形梁, 梁宽5.5 m。人行桥整体结构材料为C40混凝土。该斜腿刚构人行桥的立面布置如图1所示。

采用离散结构的有限元方法, 加劲梁结构离散为空间梁单元与弹性壳单元模拟, 斜腿结构离散为空间梁单元模拟, 桥面铺装等二期荷载采用节点质量单元模拟。有限元计算模型的总体坐标系以顺桥向为x轴, 以横桥向为z轴, 以竖向为y轴。

C40混凝土, 密度取值为2 549 kg/m3, 弹性模量取值为3.25E+10 N/m2, 泊松比取值为0.2。模型梁端采用简支约束, 斜腿底部固结约束。有限元计算模型如图2所示。

2 动力特性分析结果

动力特性计算是自由振动动力方程的特征值分析, 在进行结构动力特性分析之前, 首先对结构进行静力分析, 并将结构的应力刚度矩阵计入结构的动力平衡方程中。采用Block Lanczos方法求解桥梁结构动力特性, 该方法是经典Lanczos的改进, 用于求解系统的特征值问题, 具有求解速度快、可以指定特征值范围等特点。

有限元模型前10阶模态频率及振型描述见表1, 其中两阶振型如图3所示。

3 结语

本文以某斜腿刚构人行桥为例, 计算了该桥的动力特性, 计算结果表明该斜腿刚构人行桥基频模态为正对称竖弯, 基频频率为1.36 Hz, 扭转振型出现较早, 扭弯频率比为2.7。

摘要：根据某斜腿刚构人行桥的工程概况及结构形式, 建立了有限元计算模型, 分析探讨了该桥的动力特性, 指出该刚构人行桥基频模态为正对称竖弯, 基频频率为1.36 Hz, 扭弯频率比为2.7。

关键词：人行桥,结构动力特性,有限元,振型

参考文献

[1]郭毅, 文华斌, 占玉林.钢管混凝土组合格构柱高墩大跨连续刚构桥动力特性分析[J].四川建筑科学研究, 2012, 38 (2) :27-31.

[2]冯东明, 李爱群, 李建慧, 等.独塔斜拉与连续刚构组合桥梁动力特性及参数影响分析[J].重庆交通大学学报 (自然科学版) , 2010, 29 (3) :329-332.

[3]李子春.桥墩形式对连续刚构桥动力特性的影响[J].中国公路学报, 2011, 24 (2) :70-76.

[4]张坤, 段忠东, 刘洋.连续刚构桥动力特性参数识别与有限元模型修正[J].公路交通科技, 2008, 25 (9) :67-72.

南通某斜腿刚架拱桥加固 篇2

关键词：斜腿刚架拱桥,检测,桥梁加固,粘贴钢板

1 工程概况

南通某桥为上承式斜腿刚架拱桥,桥梁净跨35m,矢高3.5m,桥梁设计荷载标准:汽-20,挂-100(1995年3月设计)。概貌如图1,主跨全长37.194m,计算跨径35m,计算矢高3.5m,矢跨比1/10。由两幅桥组成,每幅桥横向由4片混凝土拱片组成,拱片间由横系梁和微弯板连接形成整体。下部结构采用埋置式桥台,钻孔灌注桩基础,桩径120m。桥全宽22m,横断面布置为0.5m栏杆+10m行车道+1.0m中分带+10m行车道+0.5m防撞栏杆。桥梁下缘斜腿段为直线,拱片段为二次抛物线;桥梁上缘以主跨跨中为对称设±2%纵坡,竖曲线半径R=1280mm。1996年建成并投入运营。

2004年该桥实腹段出现多处裂缝,拱脚处主拱腿、斜撑均有不同程度的断裂、个别部位混凝土破碎,拱顶下挠超过10cm。业主对该桥作了限载处理,禁止卡车通行。2004年11月委托对其加固设计。

2 老桥检测及结果分析

2.1 检测内容

检测主要内容为桥梁外观检查、专项无损检测、线形测量和静动载试验。

桥梁外观检查:分上部结构、下部结构、桥面系和附属设施等几部分进行。包括混凝土开裂、破损、露筋、钢筋锈蚀、顺筋开裂、保护层脱落、受水浸蚀等病害的检查;重点检查结构受力裂缝。支座变形、脱空、老化开裂等;活动支座是否活动自如。桥面纵横坡是否平顺;桥面铺装有无波浪、车辙、坑槽、破碎、网裂、纵横缝;桥头是否平顺,有无沉降和挤压隆起。伸缩缝有无变形、破损、漏水、跳车、异常声响;螺栓螺帽松动;缝内是否堵塞;接缝处铺装有无破损。泄水管是否堵塞、残缺;桥面是否积水;桥下是否漏水。

专项无损检测:包括混凝土强度检测、碳化深度检测、钢筋位置及保护层厚度检测。其中:混凝土强度检测采用回弹法以及超声回弹综合法来评定混凝土的强度等级;混凝土碳化深度检测使用浓度为1%的酚酞酒精溶液和碳化深度测量仪器进行检测;钢筋保护层厚度检测采用RV10钢筋位置探测仪进行检测。

桥面线形测量:采用电子水准仪对桥面线形进行测量。

静载试验:通过对桥梁主要控制截面挠度和应变的测试,来评价桥梁的承载能力,挠度使用机电百分表和TDS303静态数据采集仪进行测试;应变使用钢弦传感器和BGK408钢弦频率仪进行测试。

动载试验:通过动载试验了解该桥在当前状态下的动力特性如自振频率、阻尼比以及固有振型;为今后桥梁养护、状态评估和健康检测提供基准参数。

大多数混凝土湿接头完好,刚架拱片上弦杆均有4～5条长40～50cm陈旧性贯穿裂缝;小节点、斜撑处裂缝横向已贯通,裂缝宽度0.2～1mm;拱脚,混凝土碎裂,多处箍筋锈蚀;全桥42道横系梁中,50%均有1～2道陈旧性垂直裂缝,裂逢宽度均达0.2～0.3mm,且有发展趋势;悬臂板露筋锈蚀;支座破损、开裂;伸缩缝堵塞;桥面大面积积水。

混凝土强度:主梁混凝土强度实测最小平均值为25.3MPa,设计为40号混凝土,混凝土强度满足设计要求。

混凝土碳化深度和钢筋保护层厚度:混凝土碳化深度和钢筋保护层厚度是评价结构耐久性的主要指标。实测箍筋保护层厚度最小平均值为26.3mm,保护层厚度偏小。实测拱片混凝土平均碳化深度为6.5mm,钢筋保护层厚度远大于碳化深度,说明钢筋没有因碳化而发生锈蚀。

桥梁跨中均有较明显下挠(约6cm),两幅桥中间下挠值大于两边下挠值。

实测荷载横向分布系数(最大值1.0)与理论计算的荷载横向分布系数(最大值0.73)差别较大,说明各拱片间共同受力的效果很差。

无论是跑车还是环境激励试验的频率值都略大于理论计算值,说明桥梁刚度满足要求。由随机子空间识别方法可以得出两桥的阻尼比分别为0.065和0.076,说明结构耗散外界能量输入的能力较差。

2.2 检测结果分析

随着交通量的增加及超载车的运行,使原本断面小、配筋较少的横系梁和刚架拱片发生贯穿裂缝,从而使刚架拱桥的整体稳定性能大大减弱成为危桥。因此,只要针对以上检测结果,对拱顶部位和上弦杆进行加强、加固,提高拱肋、拱顶的强度与刚度,再对断裂的一些关键部位的横系梁进行加固、加强,对断裂的微弯板重新设计施工,便可以使旧桥很快恢复使用功能,满足骤增的交通流量的需要。

3 加固前计算

针对拱顶下挠,桥台发生水平位移的情况,对原设计图进行重新建模计算,并根据《工程地质勘查报告》来验算桥台的抗滑稳定性。

3.1 计算假定

结构计算采用“桥梁博士”建模,取3.2m宽一片拱肋及桥面模拟成平面杆系,微弯板和混凝土桥面为二期恒载形成;拱肋、弦杆、斜撑、拱腿在刚接处设刚臂;桥台在台处与主梁梁底模拟成竖直方向的主从约束,在拱座处模拟成固结支撑;各横梁换算成节点荷载,栏杆带换算成桥面均布荷载。横向分布系数按杠杆法计算。

通过多次试算,在两桥台均位移2.3cm时,原结构拱顶下挠11.7cm,这与实际观测结果是较为接近的。

3.2 计算结果

(1)承载能力极限强度与裂缝宽度超限

由计算结果得知:实腹段拱顶14m范围内在桥台位移后承载能力极限强度不能满足要求,各计算截面均存在不同程度的裂缝,缝宽0.05～0.2mm。斜撑混凝土接头处承载能力极限强度不满足,裂缝宽度超过0.2mm。

(2)桥台水平抗力不足,抗滑稳定安全系数过小

因为实际情况下桥台位移已经超过6mm,桩基已经变成只能承受竖向力的人工地基。通过计算得:不计入基桩水平抗力的桥台Kc=0.686<1.3,则桥台抗滑不通过,必须对其进行加固处理。

4 加固思路与方法

4.1 加固思路

4.1.1 桥台基础加固

常用的加固方法为水泥灌浆加固法与扩大基础加固法。在该工程中由于采用扩大基础加固时,需要挖除已经压实的桥梁地基土不能充分利用原有的老桥基,且工程量大。而水泥灌浆法施工较为方便,根据以往工程经验,效果较好,故采用水泥灌浆加固法对桥台基础进行加固。

4.1.2 上部结构加固

(1)裂缝处理

在外部粘贴钢板加固前,先对已产生的宽度大于或等于0.2mm的裂缝用环氧树脂灌缝,对宽度小于0.2mm的裂缝进行封闭处理。具体要求见《混凝土结构加固技术规范》附录二。

(2)粘贴钢板加固

常用的加固方法为外部粘贴钢板加固法与粘贴碳纤维布加固法。

由于粘贴碳纤维布造价高,结构破坏时强度不能充分发挥,结合本桥的实际情况,本设计采用外部粘贴钢板加固法。

4.1.3 其它

(1)上弦杆:对裂缝宽度大于0.2mm的上弦杆,检查支座是否脱空,对脱空支座进行处理后,在上下缘各贴二条钢板。

(2)拱脚:拱脚脱空处,先用水泥浆压浆,如有空隙再用环氧灌浆。

(3)更换损坏的伸缩缝,采用C40型刮钢伸缩缝。

(4)为方便排水,应增加泄水孔。

(5)交通组织:先施工西半幅,东半幅通行机动车和非机动车;西半幅加固处理完毕后,开放西半幅通行机动车和非机动车,关闭东半幅并进行加固处理。

4.2 加固方法

4.2.1 桥台基础加固

(1)放线布孔:

按设计要求进行垂直布孔,孔位交叉成梅花型布孔。第一批次压浆孔距0.924m,排距0.8m,计179孔;第二批次压浆孔距1.2m,排距1.04m,计20孔;第三批次压浆孔距1.2m,排距1.04m,计16孔。台后灌浆按照由外而内压注顺序。

(2)注浆材料配比:

注浆材料为P.0 32.5普通硅酸盐水泥,严格按要求配置浆液,并及时通过注浆泵向注浆孔内压浆,水灰比小于0.6,浆液搅拌时间大于60s,施工时要求随拌随用,确保浆液的粘度,密度及结石度。

(3)注浆压力、速率:

注浆压力为0.4～2.5MPa,具体由现场施工操作人员根据实际确定,并注意泵压力的变化,确定其注浆速度及孔的注浆量,力求压足、压实,并对可能出现的冒浆进行必要的处理,减少不必要的浆液流失。

4.2.2 上部结构加固

(1)主要材料

①钢板:建议采用厚度为5mm的热轧高耐候性结构钢(牌号09CuPCrNi -A),屈服强度343MPa,如钢板采购有困难时可用Q345钢板代替。粘贴钢板可采用JGN改性型粘贴剂,温度若低于15℃时,应采用人工加热,一般用红外线灯加热。

②普通硅酸盐水泥:桥头台后引道灌浆采用P.0 32.5普通硅酸盐水泥固化材料。

(2)构造要点

①拱肋:在拱顶的拱肋底面粘贴2层2条宽165mm、厚5mm的钢板,为确保外粘贴的钢板在受力时不撕裂,每25cm贴宽度为50mm、厚5mm的“U”钢板箍。

②斜撑:在混凝土接头处,四角贴4条宽为100mm、厚5mm的钢板。

③上弦杆:对裂缝宽度大于0.2mm的上弦杆,在侧面贴4条宽100mm、厚5mm的钢板。

④细部保护:为保护粘贴的钢板不发生锈蚀,在粘贴钢板及螺丝外刷一层镀锌油漆。

5 加固后计算

5.1 桥台基础

加固后,计算中考虑了原摩擦板、台后压密注浆加固土的静止摩擦力和台后静止土压力,桥台抗滑稳定安全系数为Kc= 1.54>1.3,桥台抗滑稳定性满足要求。

5.2 上部结构

5.2.1 计算说明

针对拱顶出现裂缝,拱脚已位移的实际情况,对上部结构重新进行极限强度和裂缝宽度验算。考虑到拱顶已经下挠,实腹段钢筋继续参加受力,则现状计算矢高取3.383m,比设计矢高(3.5m)少11.7cm,跨径也为35.046m。由于此时桥台已经发生位移,拱顶混凝土已经开裂,由强迫位移产生的混凝土拉应力已经释放,所以在计算时不再施加强迫位移,用变形后的拱轴线进行计算。

5.2.2 计算结果

实腹段拱顶在加固后承载能力极限强度能够满足要求。现取有代表性的两控制截面计算结果列于表1、表2:

注:上拉偏压、下拉偏压的R值为轴力。

注:上拉偏压、下拉偏压的R值为轴力。

6 结语

桥梁病害的生成虽然与原设计及使用年限有关,但目前超载超限车辆的增多,大量改装车辆的轴载增加,在一定的程度上存在对大量普通桥梁的破坏。

桥梁加固方案的选取及其经济合理性直接与桥型、桥梁受力特点、选用材料等密切相关,因此加固设计前要根据现场病害情况仔细分析其原因,找出最科学经济的加固办法。

该桥于2005年7月底加固结束通车,解决了交通“瓶颈”。至今已使用近3年多,通过详细检测,未发现不良变化,通过加固恢复其使用功能,实践证明本加固方案是合理可行的,发挥了较好的经济和社会效益。

参考文献

[1]JTG H11-2004,公路桥涵养护规范[S].

[2]叶见曙.结构设计原理[M].人民交通出版社,1996.4.

[3]郭永琛,叶见曙.桥梁技术改造[M].人民交通出版社,1991.4.

[4]杨文渊.桥梁维修与加固[M].人民交通出版社,1991.12.

[5]何柏春.用刚架拱加固改建双曲拱桥[J].公路,2001.5.

斜腿刚构 篇3

目前采用单孔跨径较大的梁式桥方案, 一般有连续梁和连续刚架两种基本体系。无桥台斜腿刚架桥从外观上看是桥墩斜置的三跨连续刚构, 桥墩的斜置和两侧的边斜杆, 使其结构特性发生了变化, 受力状态介于梁桥和拱桥之间。设计过程中发现, 这种结构的分跨比、边斜杆布置、斜腿角度、基础等有值得研究的地方, 文章拟提出一些个人的看法和体会。

2 结构对比

为了说明无桥台斜腿刚架桥在受力上的优点, 我们把它与连续梁、连续刚架在等截面并且总跨长相同的情况下做了定性的对比, 假定如下:边中跨比为0.6, EI=1, EA无穷大, 桥面施加均布载q=1, 如图1所示, 计算后取出弯矩和轴力进行比较, 如图2和图3所示。

3 受力分析及体会

3.1 分跨比

在观察此类桥型计算的弯矩包络图时, 发现:主梁中的弯矩与三跨弹性支承连续梁 (或连续刚构) 相似。当中跨偏大 (边跨偏小) 时, 中跨主梁的最大弯矩差值较大, 斜腿上部的弯矩也较大。反之, 中跨偏小 (边跨偏大) 时, 中跨主梁的最大弯矩减小, 而边跨主梁中的最大弯矩增大。由于边跨主梁是拉弯构件, 不宜承受过大的弯矩。因而, 确定分跨比就存在一个优化问题。

边斜杆和斜腿的弯矩随分跨比增大, 呈现出受双向异号弯矩, 计算表明, 当分跨比在0.5~0.6之间时, 其弯矩绝对值达到最小值, 且边斜杆和斜腿处在受压状态, 利于混凝土截面的受力模式。

3.2 主梁

该桥结构弯矩图虽与连续梁、连续刚构的主梁弯矩图相似, 但主梁的弯矩峰值比连续梁、连续刚构的弯矩峰值要小, 这是因为边斜杆将主梁固结, 限制其变形, 使其边跨的负弯矩和正弯矩的绝对值均小于相应连续梁、连续刚构的主梁弯矩;中跨由于斜腿提供的强大压力, 使得其弯矩也偏小。

主梁在桥面宽较小时常用“T”型或“π”型, 桥面宽较大时常用多肋型或箱型, 立面一般采用变截面形式, 跨中梁高同斜腿支承处梁高比值一般在0.4~0.5之间, 比连续梁和连续刚构要略小些。

3.3 斜腿

斜腿不同于其他竖直的桥墩:斜腿的轴向力可分解一个水平分力, 使中跨主梁承受水平压力。当斜腿的竖向倾角很小 (斜腿陡) 时, 水平分力就较小, 此时与门式刚架比较接近, 显然未充分发挥该结构的特长;但斜腿的竖向倾角过大 (斜腿坦) 时, 水平分力就较大, 对桥墩受力极为不力。

从主梁受力结果分析, 斜腿竖向倾角增大是有利的:中跨主梁的弯矩和边跨主梁的拉力变化不明显, 而中跨主梁却能获得较大的轴向压力, 为此应当适当增大斜腿倾角 (斜腿坦) 。但随着倾角的增大, 下部结构水平推力也逐渐增大, 对基础不利, 故不宜取较大值。

由于斜腿刚架桥中跨的受力与拱桥有些相似, 拱桥的矢跨比不宜过小, 常用1/5~1/6。理论上当m=2.24、f/L=1/6时, 拱脚的水平倾角大致是45°。无桥台斜腿刚架桥由于边斜杆的存在, 其单向水平力比相应拱桥小, 因此斜腿竖向倾角可适当增大些 (斜腿坦) , 但倾角增大会造成下部基础的水平推力以及斜腿上端截面的弯矩也会随之增大, 因而应根据地质情况、外观布置等因素, 综合考虑将斜腿的竖向倾角采用在35°~45°之间为宜。

斜腿在立面尺寸上宜取上宽下窄, 不仅是受力的需要, 而且在景观上也有不错的效果。

3.4 边斜杆

无桥台斜腿刚架桥的基础推力比连续梁、连续刚构要大许多, 但由于边斜杆固结作用, 相当部分斜腿和基础的水平推力和基础被平衡掉了, 而且两侧边斜杆均埋置于路堤中, 其土压力也有利于减小基础的不平衡推力 (建议设计时不考虑) 。

一般做法是将其沿路堤斜坡设置, 一般为1∶1.5或1∶1, 定边斜杆的尺寸和位置也一般等主梁和斜腿的尺寸定好后, 根据实际情况进行布置。

3.5 基础

一般选择单排桩或多排桩, 多排桩稳定性好, 抗弯刚度较大, 能承受较大的水平荷载, 水平位移小, 但多排桩的设置将会增大承台的尺寸, 增加施工困难;单排桩与此相反, 能较好地与结构形式配用, 可节省圬工, 减小作用在桩基的竖向荷载。

应该指出, 此种桥型的基桩是受斜向荷载作用的, 不仅其水平分力使得桩身产生较大的弯矩和挠曲变形, 竖向分力也会由于桩身挠曲变形的出现而产生附加弯矩, 而附加弯矩又将影响到桩身挠曲变形的增加。此外, 桩侧土体的弹性抗力分布也非常复杂, 在工程中往往采用简化的计算方法, 即将桩顶竖向分力和水平向分力分开计算, 显然这种计算方法只适用于线弹性小的变形情况, 具有一定的局限性。

4 结语

随着这种结构形式的不断推广, 无桥台斜腿刚架桥必将朝着大跨径方向发展, 主要的影响因素有三个。因素一, 推力对下部基础的不利。考虑方法:采用竖直桩与斜桩配合的形式将明显增加桩基抗水平力的能力和稳定性;还可将两承台用系梁连接起来, 对于地质条件较差的情况可与桩基方案进行比对。因素二, 边跨是不利的弯拉构件。考虑方法:采用张拉预应力束可以解决;采用组合结构减轻自重。因素三, 超静定结构产生的自内力。考虑方法:改进施工方法, 可以释放掉相当的约束内力。

摘要：目前采用单孔跨径较大的梁式桥方案, 一般有连续梁、连续刚架两种基本体系。无桥台斜腿刚架桥从外形上可认为是桥墩斜置的三跨连续刚构, 由于桥墩的斜置和增设了边斜杆, 使其结构受力特性发生了变化, 受力状态介于梁桥和拱桥之间。论文把无桥台斜腿刚架桥与连续梁、连续刚架受力特点进行比较, 并对无桥台斜腿刚架桥的受力特点进行分析。

关键词：刚架桥,结构对比,受力分析

参考文献

[1]凌治平.基础工程[M].北京:人民交通出版社, 1997.

[2]赵明华.桥梁桩基计算与检测[M].北京:人民交通出版社, 2000.

斜腿刚构 篇4

外包混凝土加固法是常用的加固技术之一(亦称增大截面加固法)。它主要是通过增加受拉钢筋、加大受拉合力点对受压区的力臂来提高构件的强度和刚度。该法通常被应用在加固受弯构件,或类似于受弯构件破坏特征的大偏心受压构件上。外包混凝土法属于被动加固范畴,新增截面被动受力,在施工时应尽量对桥梁进行卸载。但由于桥梁结构重力较大,一般均采用带载加固,这使得新增部分只承担活载作用,恒载(包括新增部分的恒载)由原结构承担,具有应力滞后现象。

由于受到拱脚水平反力的作用,斜腿刚架拱桥的大部分构件,如拱肋、斜撑、内弦杆均处于偏心受压状态,具有一般拱桥的受力优点;而外弦杆由于不会产生轴向压力,属于受弯为主的构件。所以,外包混凝土法可以用于加固斜腿刚架拱桥的各个构件,以提高桥梁的强度和刚度。若同时对横系梁进行外包混凝土加固,并凿除重浇桥面铺装层,还可以达到提高桥梁的横向整体受力性能的目的。

本文应用有限元软件ANSYS,对一座采用外包混凝土法加固的斜腿刚架拱桥进行了二次受力性能的非线性有限元分析,并对这种加固方法的应力滞后效应、二次受力性能及对桥梁荷载横向分布系数的影响进行了研究。

1 工程概况

某桥为一座3孔净跨径40 m的斜腿刚架拱桥,每跨上部结构由3片主拱片通过横向联系连成整体。原设计刚架拱主拱片下缘为二次抛物线,净矢跨比为f0/L0=1/8。大桥建成于1994年,其原设计荷载为:汽车—20级,挂车—100;桥面净空为:净—7 m+2×0.75 m人行道。大桥在使用十余年后,各构件主要出现了实腹段及内、外弦杆因正弯矩过大而竖向开裂;主拱腿上缘因承受负弯矩而受拉开裂;大、小节点处均因应力集中存在斜向裂缝;部分构件连接处出现松动,大桥整体性较差。

针对上述病害,为使大桥达到现行规范要求的荷载等级公路—Ⅰ级的使用要求,对大桥上部构造主要承重构件采用了外包混凝土法进行加固。

2 有限元模型的建立

采用大型有限元程序ANSYS建立有限元模型。模型采用软件自带的8节点混凝土单元Solid65,使用直接建模法建立考虑钢筋分布于整个单元的整体式钢筋混凝土模型。本文斜腿刚架拱桥模型见图1。

2.1 建模方法的选择

ANSYS软件生成有限元模型的方法有两种:直接法和间接法。本文为得到完全符合实际的几何形状,并控制节点和单元的编号以便于进行后处理中“单元生死”的操作,采用了较为复杂的直接法建立有限元模型。在建模过程中结合参数化设计语言(APDL)的使用,先定义节点,再采用连接节点的方式建立单元。

2.2 单元的选择和定义[1]

ANSYS软件自带的Solid65单元是专为混凝土、岩石等抗压能力大于抗拉能力的非均匀材料的单元。它可以包括1种实体材料和3种加固材料。加固材料通过材料号、体积率和方向角来定义。Solid65单元默认采用William-Warnke五参数屈服准则、相关联流动准则,并且可以通过输入相应的应力应变关系定义Von Mises,Hill等屈服准则,从而满足增量理论。

2.3 非线性问题的考虑

采用外包混凝土法加固的斜腿刚架拱桥与新建桥梁的区别在于新增结构具有二次受力和应力滞后的特性。为解决这一问题,本文对加固后的桥梁采用建好了整个模型后,将新增部分“杀死”,以模拟未加固结构在恒载作用下的受力情况,再激活外包混凝土部分,并计算因此而增加的恒载,最后对其施加活荷载。在求解方法上,为得到较为精确的载荷—变形过程,选择可以对每一级增量过程进行多次校正,使用计算结果满足精度要求的Newton-Raphson方法,并选择自适应下降来增强计算的收敛性,最终实现非线性分析[2]。

与其他钢筋混凝土结构一样,斜腿刚架拱桥的计算还存在材料非线性的问题。由于本文旨在进行外包混凝土法加固斜腿刚架拱桥的应力滞后效应、二次受力性能,及其对桥梁横向整体刚度的影响,不考虑其开裂、压碎行为。所以,为了“开展具有个性的建模研究”[3],没有考虑材料非线性,以及温度、徐变对结构受力的影响。

对钢筋混凝土的模拟采用整体式模型,将钢筋分布于整个单元中,并把单元视为均匀材料,一次求得综合的单元刚度矩阵[4]。为更好的模拟纵筋的受力情况,将纵筋密集的区域设置为不同的体,使用带筋的Solid65单元,没有纵筋的区域则设置为无筋的单元[1]。

2.4 边界约束的定义

刚架拱桥的弦杆支座一般允许弦杆作水平方向的移动;主拱腿支座采用施工阶段铰接、营运阶段固接的方式;斜撑(次拱腿)支座采用铰接或固接对拱片内力的影响不大[5]。本文的有限元模型以此为原则,将边界约束定义为成桥状态时的约束,即主拱腿及次拱腿(斜撑)拱脚处为固接,弦杆处竖向简支。

3 结构计算与分析

3.1 计算工况

为真实的反映恒、活载对桥梁的效应,本文没有计及承载能力极限状态设计的作用效应组合系数。采用的计算工况如下:工况一(加固前):加固前恒载;工况二(加固前):加固前恒载+公路—Ⅰ级偏载;工况三(加固后):加固前恒载+加固后恒载;工况四(加固后):加固前恒载+加固后恒载+公路—Ⅰ级偏载。

3.2 计算结果

由于篇幅有限,本文仅列出跨中截面的位移及上、下缘应力。计算结果见表1。

3.3 计算结果分析

由表1的计算结果可以看出:

1)斜腿刚架拱桥加固后,在恒载作用下的挠度比加固前的大,在恒、活载的共同作用下挠度相差不大,但由活载引起的挠度明显减小,跨中截面的荷载横向分布系数的变化也显示出跨中截面的横向刚度明显增大(见图2)。

2)加固后,在斜腿刚架拱桥跨中截面下缘,新、旧结构的拉应力均明显小于加固前原结构下缘拉应力,上缘压应力则增大了。这是因为设计时采用了二次抛物线为合理拱轴线,在恒载的作用下跨中截面主要以受压为主,在活载作用下因承受正弯矩而在下缘产生拉应力。也就是说跨中截面的初始荷载以受压为主,二次荷载以受弯为主,应力滞后现象对跨中截面的影响相对较小,外包混凝土法具有明显的加固效果。同理,L/4截面和主拱腿拱脚截面在仅有恒载作用时亦主要产生压应力,当活载作用于桥梁上时才出现正、负弯矩,所以对于斜腿刚架桥的其他截面也具有一定的加固效果。由于一般情况下拱形结构拱脚截面的弯矩值要大于L/4截面,所以主拱腿拱脚截面的加固效果要优于L/4截面。

3)加固后的斜腿刚架拱桥,在仅受到恒载作用时,新增结构的应力很小,在有活载作用时则显著增大,具有明显的应力滞后效应。

4 结语

采用外包混凝土法加固斜腿刚架拱桥具有明显的应力滞后效应。对于设计时采用合理拱轴线的斜腿刚架拱桥,跨中截面的二次受力性能较小,拱脚截面次之,L/4截面最严重。相应地,其加固效果是:跨中截面>主拱腿拱脚截面>L/4截面。另外,通过对横系梁外包混凝土、重做桥面铺装层的加固方法能够明显加强斜腿刚架拱桥的横向整体刚度。

本文的实际工程在采用外包混凝土法加固后,进行了实桥静载试验,试验结果与理论计算结果吻合。现在,该桥加固后恢复通车已有一年多,未产生新的病害,桥面铺装状况亦良好。实际证明,对斜腿刚架拱桥采用外包混凝土法进行加固,能够达到预期的加固目的和效果。

摘要：应用有限元软件ANSYS,采用Solid65单元建立了斜腿刚架拱桥的三维仿真模型,并研究了外包混凝土加固法对斜腿刚架拱桥的应力滞后效应、二次受力性能及其对桥梁横向刚度的影响,研究结果表明,外包混凝土加固法有明显的应力滞后现象,但对斜腿刚架拱桥具有明显的加固效果,并且能增强桥梁的横向整体刚度。

关键词：斜腿刚架拱桥,外包混凝土,非线性,应力滞后,二次受力,横向分布系数

参考文献

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