聚合物改性混凝土加固空心板桥荷载横向分布理论及试验研究

'学兔兔www.xuetutu.com桥梁建设2014年第44卷第6期(总第229期)BridgeConstruction，Vo1．44，No．6，2014(TotallyNo．229)63文章编号：1003—4722(2014)06—0063—06聚合物改性混凝土加固空心板桥荷载横向分布理论及试验研究杨永清，严猛，李晓斌，夏招广，龙宇(西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)摘要：为了解采用粘贴聚合物改性混凝土(MPC)加固空心板桥的效果，及加固后空心板桥荷载横向分布情况，以横向由4片空心板梁组成的空心板桥为研究背景，对加固后空心板桥的横向分布计算方法进行研究，并结合实桥加固后荷载试验结果进行对比分析。研究结果表明：采用MPC加固后的空心板桥荷载横向分布影响线较加固前平缓，桥梁横向整体受力性能显著提高；采用MPC加固后的主梁结构可以传递弯矩，传统的铰接板梁法已不能满足此种加固方法的横向分布计算，提出的修正刚接板梁法及修正G—M法可用于加固后该类型桥梁横向分布计算。关键词：预应力空心板桥；聚合物改性混凝土；加固；荷载横向分布；荷载试验中图分类号：U448．218；TU311．41文献标志码：ATheoreticalandExperimentalStudyofLoadTransverseDistributionofHollowSlabBridgeStrengthenedbyModifiedPolymerConcreteYANGlong—qing，YANMeng，LIXiao—bin，XIAZhao—guang。LoNGl(SchoolofCivilEngineering，SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu610031，China)Abstract：Tounderstandtheeffectofstrengtheningthehollowslabbridgebybondingthemodifiedpolymerconcrete(MPC)andtheloadtransversedistributionofthestrengthenedbridge，ahollowslabbridgecomposedof4hollowslabbeamsinthetransversedirectionwastakenasanobjectforstudy．Thecalculationmethodsfortheloadtransversedistributionofthestrengthenedbridgewerestudiedandwithreferencetotheloadtestresultsoftheactualbridge。thecalculationmethodswerecomparedandanalyzed．TheresultsofthestudydemonstratethattheinfluencelinesoftheloadtransversedistributionofthehollowslabbridgestrengthenedbvtheMPCaregentlerthanthoseofthebridgenotstrengthenedbytheMPC，theglobalforceper—formanceofthebridgeinthetransversedirectionhasbeensignificantlyimprovedandthemainbeamstructurestrengthenedbytheMPCcantransferbendingmoment．Theconventionalhingedly-jointedslabbeammethodcannotsatisfythecalculationoftheloadtransversedistributionofthebridgestrengthenedbytheMPCwhilethemodifiedrigidly—jointedslabbeammethodandthemodifiedG—Mmethodasproposedinthispaperareapplicabletothecalculationoftheloadtrans—versedistributionofsuchtypeofthestrengthenedbridge．Keywords：prestressedconcretehollowslabbridge；modifiedpolymerconcrete；strengthe—ning；loadtransversedistribution；1oadtest收稿日期：2014—04—25基金项目：中央高校基本科研业务费百人计划项目(SWJTU09BR004)ProjectofHundredYoungTeachersProgramofFundamentalResearchFundsforCentral—LevelUniversitiesandInstitutes(SWJTU09BR004)作者简介：杨永清，教授，E-mail：yangyongqingx@home．swjtu．edu．cn。研究方向：大跨度预应力混凝土桥结构行为。 学兔兔www.xuetutu.com64桥梁建设BridgeConstruction1引言空心板桥具有外形简单、制作方便、建筑高度小等优点，适宜于工期较紧的桥梁工程建设口]。目前，在交通量激增的情况下，不少板桥出现病害，危害行人和行车安全l_2。常见的空心板桥加固方法有：桥(a)顺桥向面增厚加固法、粘贴加固法、体外预应力加固法、横向预应力加固法、改变结构体系加固法以及减梁增肋加固法等_2]。采用类似粘贴加固法的粘贴聚合物改性混凝土(MPC)对空心板桥进行加固，不仅可以提高单片主梁的承载能力，而且可明显提高整体结构的受力性能。基于采用该方法加固后桥梁结构横向可以同时传递剪力及弯矩的特点，荷载横向(b)横桥向单位；cm分布系数是该加固方法计算的难点。国内、外学者图1梁体截面及铰缝形式对简支梁的荷载横向分布计算已经进行了大量研Fig．1SectionsofBeamandTypesofHingedJoints究，也取得了相应的成果l5叫，如美国AASHTo规3．1铰接梁法范(2007)考虑跨度、桥面板厚度、主梁问距等因素在外荷载作用下，板梁铰缝上可能引起的内力给出了板梁桥的计算公式。但目前还没有针对为竖向剪力、横向弯矩、纵向剪力和法向力，桥梁在MPC加固空心板桥后荷载横向分布计算的研究竖向一维荷载作用下，竖向剪力远大于纵向剪力和成果。法向力，并且在构造上铰接缝(企口缝)的高度不大，为研究采用MPC加固后空心板桥荷载横向分刚性比较弱，横向弯矩很小，可以忽略。综上所述可布计算方法，以某预制空心板梁为研究对象，采用目假定结合缝内只传递竖向剪力Eg(x)]作用。前常用的计算方法对MPC加固后的4片等截面空3．2梁一板组合结构分析心板梁荷载横向分布情况进行计算，通过对比计算梁一板组合结构采用梁单元与板单元组合体系结果选择较为适合的计算方法。最后通过某实桥加模拟，桥面混凝土铺装层采用板单元模拟，预制空心固前、后荷载试验结果分析，验证此加固方法的有效板采用梁单元模拟，组合体系节点采用刚臂连接。性及所选择的荷载横向分布系数计算方法的正确性。全桥共156个梁单元，447个板单元。3．3实体模型结构分析2加固方案为了减少误差，更加真实地计算荷载横向分布某预制空心板桥长l9．96m，计算跨径19．6O效应，借助大型有限元软件ANSYS，采用实体单元m，横向由4片空心板梁组成，梁体采用C50混凝模拟空心板梁。桥面混凝土铺装层与预制梁板接触土。桥面铺装上面层为改性沥青混凝土AC一16C，面耦合，全桥采用4面体单元划分，共1680890个桥面铺装下面层及铰缝采用C50纤维混凝土，普通单元。钢筋采用热轧HPB235、HRB335钢筋，钢绞线采用3．4计算结果分析1×7-~15．20标准的高强度低松弛预应力钢绞线。由于该桥为对称结构，本文仅取一半(1号、2梁底面采用整跨满铺3cm的MPC进行加固。梁号)梁体的荷载横向分布影响线进行分析。前述3体截面及铰缝形式见图1。种方法计算得到的1号、2号梁荷载横向分布影响线见图2、图3。由图2、图3可看出，除实体结构计3加固前荷载横向分布计算算得到的结果有较小偏差外，其余2种方法计算结常见的空心板桥荷载横向分布计算有铰接梁果吻合程度较高，3种方法可为加固后结构的荷载法、刚接梁法、修正偏压法、G—M法、考虑抗扭的弹横向分析计算提供基础。性支承连续梁法及有限元法等。加固前荷载横向分图2、图3中实体结构计算得到的荷载横向分布计算主要运用铰接梁法，并采用该方法的有限元布影响线有下凹现象，是由于相比梁一板组合结构，分析(梁一板组合结构及实体结构)结果相互验证。实体结构增加了梁体自身在横向相当于弹性支承连 学兔兔www.xuetutu.com聚合物改性混凝土加固空心板桥荷载横向分布理论及试验研究杨永清，严猛，李晓斌，夏招广，龙宇65续梁产生的位移。4加固后荷载横向分布计算加固后的空心板桥荷载横向受力行为发生改罄}j变，横向将传递较多的剪力和弯矩，可通过修正的刚墨接梁法、修正的G—M法及梁一板组合结构、实体结构进行分析。4．1修正刚接梁法注：主梁横向坐标起点为主梁左侧边缘。下同。不同于加固前空心板之间可以简化成只传递图21号梁荷载横向分布影响线剪力的铰缝，加固后的主梁结构可以传递剪力和横Fig．2InfluenceLinesofLoadTransverseDistributionofBearn1向弯矩作用，修正的刚接梁法受力模式简图见图4。主梁横向坐标／m00．51．01．52．02．53．03．54．0p一0．23If11_1●—0．24①②③f④、制板梁_o_25lJMlrtm嗣蒜-0．26图4修正的刚接梁法受力模式简图—0．27Fig．4SketchofForceModesofModifiedRigidly-JointedSlabBeamMethod—0．28对于4片等截面空心板，按图4的简化模式，即图32号梁荷载横向分布影响线Fig．3InfluenceLinesofLoadTransverse有6个超静定内力，根据力法原理，可得2～4片梁DistributionofBeam2的正则方程(参数中的下标h代表加固后)：2Ew+(b／2)·]一[叫一(b／2)·]000一[Wh一(b／B)·仇]2[wh十(b／2)·]0一00一[砌h一(b／2)·h]2Ewh+(b／2)·]0一0+Oh0—2h—h00一一2一0fh00一h一2式中，b为单梁宽度；一Pl／EnJn，P为正弦函位置和横向分布系数。计算程序为：输入截面特性数P(z)一Psinr~x／l在计算跨径z跨中的峰值，及材料属性一计算各参数一建立矩阵方程一求解力为预制板加铺装的抗弯惯性矩I与MPC材料提供法未知量一计算荷载横向分布影响线系数一计算横的抗弯惯性矩I之和，即EhJ—E，+EI；一向分布系数。Pbl／2GT，T为预制板加铺装的抗扭惯性矩4．2修正G—M法T。与MPC材料提供的抗扭惯性矩T之和，即修正G—M法基本假设与常用的G—M法相GT一GT+GT。将上述各参数代入式(1)，即同，运用板理论或数值解法进行求解薄板的微分可求出g～g。，代入式(2)，得出1号边梁按铰接梁方程：法得出荷载横向分布影响线的各竖标值，同理可求EhJI~dx+Gh(-厂n十J。)O：Cz8y2+^出其余各片主梁的荷载横向分布影响线竖标值。．l1—1一g1—g1一g2(2)EhJh一p(x，)(3)13一g2一ga；l4一ga根据上述理论，利用FORTRAN语言编制的计式中，．，、．，n、、Jn分别为加固后单位宽度板的算程序，求解荷载横向分布影响线、横向分布最不利纵向抗弯惯矩、纵向抗扭惯矩及加固后单位长度板 学兔兔www.xuetutu.com66桥梁建设BridgeConstruction主粱横向坐标／珊的横向抗弯惯矩与横向抗扭惯矩，J—j／b，Jh00．51．0I．52．02．53．035404．25一0．23—Ihn／b，Jh一J／n，．，hT一Ihrs／a，Ih、hh、、，h分别为加固后单个板宽b的纵向抗弯惯矩、纵向抗一O．24扭惯矩及沿纵向长度a的板梁横向抗弯惯矩与横向警一0．25抗扭惯矩。醯4．3梁一板组合结构分析一0．26梁一板组合结构分析采用梁单元与板单元组合—0．27体系模拟。桥面混凝土铺装层采用板单元模拟，预制空心板采用梁单元模拟，组合体系节点采用刚臂图6加固后2号梁荷载横向分布影响线Fig．6InfluenceLinesofLoadTransverse连接。全桥共156个梁单元，954个板单元。DistributionofStrengthenedBeam24．4实体结构分析采用大型有限元软件ANSYS进行实体结构分85cm。桥台为重力式台，扩大基础，桥墩为双柱式析。桥面混凝土铺装层与预制梁板接触面耦合，全墩，钻孔灌注桩基础，支座为橡胶支座。2012年第2桥采用4面体单元划分，共1849997个单元。跨桥下毛竹着火，燃烧时间约1h。火灾造成第2孑L4．5计算结果分析空心板底部严重烧伤，1号墩橡胶支座被烧毁，墩柱由于该桥为对称结构，本文仅取一半(1号、2盖梁局部混凝土脱落，梁板混凝土爆裂、局部脱空深号)梁体的荷载横向分布影响线进行分析。4种方度达40mm，部分钢筋及钢绞线外露，并产生较多法计算得到的加固后1号、2号梁荷载横向分布影的纵向裂缝，严重影响了桥梁的安全使用。因此，采响线见图5、图6。由图5、图6可看出：除实体结构用全桥底缘满铺3cmMPC的方案进行加固。对加固后的桥梁进行荷载试验，1号梁车辆加计算得到的结果有较小偏差外，其余3种方法计算载及挠度测点布置见图7。通过测试出车辆荷载作结果吻合程度较高，证明了提出的修正刚接板梁法用下的挠度值，采用本文提出的修正刚接梁法及修及修正G—M法的准确性。与加固前计算结果相正GM法可得到各片梁的荷载横向分布影响线。比，加固后荷载横向分布影响线较为平缓，说明此加加固前、后1号梁荷载横向分布影响线对比见图8，固方法有效地增强了板间协调受力能力，主梁横向从图8可看出：①由于铰缝与边、中梁特性有较小整体受力提高显著。由于加固后结构可以传递弯差别，试验值与理论计算值有微小的误差，但误差是矩，传统的铰接板梁法已不能满足此种加固方法的可以接受的，进而验证了以上修正公式的准确性；②横向分布计算。加固后荷载横向分布影响线变得平缓，说明此加固方法有效增强了各梁间协调受力能力，荷载横向分一O布更为均匀，主梁横向整体受力显著提高。一00鸶一。180l30．180535謇一。舔一0—0一O一0图5加固后1号梁荷载横向分布影响线Fig．5InfluenceLinesofLoadTransverse图71号梁车辆加载及挠度测点布置DistributionofStrengthenedBeamIFig．7LayoutofVehicleLoadingandDeflectionMeasurementPointsofBeam15实桥验证以某条高速公路16×20m预应力混凝土简支6结论空心板梁为研究对象，桥梁横断面半幅宽11．75m，(1)采用MPC加固后的空心板桥荷载横向分预制板梁截面顶缘宽83cm，底缘宽103cm，梁高布影响线较加固前平缓，说明此加固方法有效地增 学兔兔www.xuetutu.com聚合物改性混凝土加固空心板桥荷载横向分布理论及试验研究杨永清，严猛，李晓斌，夏招广，龙字67isticsoftheSuperLightweightandHighStrengthMa—terialUsingFly-Ash[J]．JournaloftheSocietyofMa—terialsScience，Japan，2006，55(8)：738—745．[5]聂瑞锋，石雪飞，阮欣，等．在役多车道空心板梁桥弯矩横向分布系数计算方法研究[J]．桥梁建设，2014，44(2)：56—60．(NIERui—feng，SHIXue-fei，RUANXin，eta1．Re—主梁横向坐标／msearchofCalculationMethodforMomentLateralDis—图8加固前、后1号梁荷载横向分布影响线对比tributionFactorsofMuhi—LaneHollowSlabBcamFig．8ComparisonofInfluenceLinesofLoadTransverseDistributionofStrengthenedBridgesinService~J]．BridgeConstruction，2014，44andNotStrengthenedBeam1(2)：56—60．inChinese)E6]倪章军，范立础，李建中，等．新型GFRP组合梁桥荷强了板间协调受力能力，荷载横向分布更为均匀，主载横向分布系数计算[J]．桥梁建设，2007，(2)：51梁横向整体受力显著提高。—54．(2)由于采用MPC加固后的结构可以传递弯(NIZhang—jun，FANLi-chu，LIJian-zhong，eta1．矩，传统的铰接板梁法已不能满足此种加固方法的CalculationofLoadTransverseDistributionFactorsof荷载横向分布计算，本文提出了修正刚接板梁法及NewTypeofGFRPCompositeBeamBridge[J]．修正G—M法。通过对某桥加固前、后主梁荷载横BridgeConstruction，2007，(2)：51—54．inChinese)[7]陈记豪，赵顺波，姚继涛．既有预应力空心板桥加宽设向分布影响线的对比分析，验证了所提出的修正刚计的荷载横向分布计算方法[J]．工程力学，201z，接板梁法的正确性与加固措施的有效性。可作为此29(9)：265—271．类桥梁荷载试验及加固设计分析的实用计算方法。(CHENJi—hao，ZHA0Shun—bo，YAOJi—tao．Method本文中仅研究了采用MPC加固等截面板梁桥‘forCalculatingVehicleLoadTransverseDistributionin后的荷载横向分布计算方法，对于由于特殊条件加WideningDesignofExistingPPCHSBridge[J]．Engi—宽后导致边、中梁差距较大的桥梁有待进一步研究，neeringMechanics，2012，29(9)：265—271．inChi—其加固后的动力性能也有待进一步研究。nese)[8]ZaherY，RiyadhH．AASHT()_LRFDLiveLoadDis—tributionforBeam-and-SlabBridges：Limitationsand参考文献(References)：Applicability[J]．JournalofBridgeEngineering，[1]姚玲森．桥梁工程[M]．北京：人民交通出版社，2008．2007，12(6)：765—773．(YAOLing—sen．BridgeEngineering[M]．Beijing：[9]项贻强，邢骋，邵林海，等．铰接预应力混凝上空心ChinaCommunicationsPress，2008．inChinese)板梁桥的空间受力行为及加固分析I-j]．东南大学学1-23蒲广宁．减梁增肋法加固空心板桥力学原理与工程应报(自然科学版)，2012，42(4)：734—738．用研究(博士学位论文)ED]．西安：长安大学，2012．(XIANGYi—qiang，XINGCheng，SHAOLin—hai，el(PUGuang—ning．StudyofMechanicalPrincipleanda1．SpatialForceBehaviorandStrengtheningAnalysisEngineeringApplicationofHollowSlabBridgesofPrecastPCHollowSlabBeamBridgewithHingedStrengthenedbyBeamReductionandRibAdditionJointsEJ]．JournalofSoutheastUniversity(NaturalMethod(DoctorateDissertation)[D]．Xian：Changr_ScienceEdition)，2012，42(4)：734—738．inChi—anUniversity。2012．inChinese)nese)E3]王剑琳，刘贵位，叶李水．利用MPC复合材料进行空[1O]项贻强，邢骋，邵林海，等．横向加固空心板粱桥荷心板梁桥加固的应用技术研究[J]．公路，2013，(8)：载横向分布计算方法与试验研究[J]．中国公路学4l一43．报，2013，26(2)：63—69．(WANGJJanlin，LIUGui—wei，YEIi—shui．Research(XIANGYi—qiang，XINGCheng，SHAOLin-hai，etonApplicationTechnologyofStrengtheningofHollowa1．CalculatingMethodsandExperimentalResearchSlabBeamBridgesUsingMPCCompositeMaterialonLoadLateralDistributionofLaterallyStrength—I-J]．Highway，2013，(8)：41—43．inChinese)enedHollowSlabBeamBridge[J]．ChinaJournalof[43I1UGW，OtsukaH，MizutaY，eta1．AFoundationHighwayandTransport，2013，26(2)：63—69．inalStudyonStaticand130ynamicMechanicalCharacter—Chinese) 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