簡(jiǎn)支鉸接空心橋面空間分析模型研究

簡(jiǎn)支鉸接空心橋面空間分析模型研究

支架橋是連接橋中應(yīng)用最廣泛的一種橋型。而簡(jiǎn)支梁橋中應(yīng)用較多的為鉸接板梁橋,這種橋式就是用現(xiàn)澆混凝土縱向企口縫裝配或者僅在翼板間用焊接鋼板或伸出交叉鋼筋連接的無(wú)中間橫隔梁的裝配式橋。由于使用年限和荷載等級(jí)的提高,在實(shí)際工程中,存在大量需要檢測(cè)與維修加固的此類(lèi)橋梁。由于該種橋型塊件間橫向具有一定的連接構(gòu)造,但其連接剛性又相對(duì)較弱。這類(lèi)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)實(shí)際上接近于數(shù)根并列而相互間橫向鉸接的狹長(zhǎng)板.對(duì)這種結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)的分析方法是簡(jiǎn)化了的平面分析,通過(guò)橫向分布系數(shù)來(lái)考慮橋梁的空間作用,這種分析方法具有分析簡(jiǎn)單、適用性廣的特點(diǎn),但它難以得出橫橋向各片梁的內(nèi)力分布規(guī)律。用板單元或?qū)嶓w單元建立空間模型雖可以得出橫向各片梁的內(nèi)力分布規(guī)律,但它難以模擬縱向鉸接縫。采用梁格法能從整體上對(duì)這種橋型進(jìn)行受力分析并且容易模擬縱向鉸接縫,由于采用了縱向梁格和橫向梁格,因此,特別適合于這種受力狀態(tài)接近于數(shù)根并列而相互間橫向鉸接的狹長(zhǎng)板。其中縱向梁格內(nèi)力代表結(jié)構(gòu)縱向內(nèi)力,橫向梁格內(nèi)力代表結(jié)構(gòu)橫向內(nèi)力,此種方法具有概念清晰,便于工程師實(shí)際應(yīng)用等顯著特點(diǎn)。1截面特性計(jì)算精度梁格法就是用等效的梁格代替橋梁上部結(jié)構(gòu),將分布在板式每一區(qū)段內(nèi)的彎曲剛度和抗扭剛度集中于最鄰近的等效梁格內(nèi),實(shí)際結(jié)構(gòu)的縱向剛度集中于縱向梁格構(gòu)件內(nèi),橫向剛度集中于橫向梁格構(gòu)件內(nèi)。理想的剛度等效原則應(yīng)該滿(mǎn)足:當(dāng)原型實(shí)際結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的等效梁格承受相同荷載時(shí),兩者的撓曲將是相等的,并且每一梁格內(nèi)的彎矩、剪力和扭矩等于該梁格所代表的實(shí)際結(jié)構(gòu)部分的內(nèi)力。梁格法中荷載分配是以加載位置及單元間的相互剛度為依據(jù)的,剛度與構(gòu)件的截面特性和構(gòu)件的連接關(guān)系有關(guān),因而,梁格單元的截面特性正確計(jì)算和構(gòu)件間連接關(guān)系的正確模擬是保證計(jì)算精度的關(guān)鍵。對(duì)于空心板,其截面特性計(jì)算公式為:式中:a和b分別為圖1中軸和軸方向梁格構(gòu)件代表的寬度;μ為泊松比。2在橋橋上lg3各板塊受力模型文獻(xiàn)給出了鉸接板橋的受力特點(diǎn)。該受力特點(diǎn)可以用圖2來(lái)說(shuō)明。其中,圖2(a)所示為一座用混凝土鉸接縫連接的裝配式板橋承受荷載P的變形結(jié)果,當(dāng)3號(hào)板塊上有荷載P作用時(shí),除了本身引起縱向撓曲外(板塊本身的橫向變形極小,可略去不計(jì)),其他板塊也會(huì)受力而發(fā)生相互撓曲。顯然,這是因?yàn)楦靼鍓K之間通過(guò)結(jié)合縫所承受的內(nèi)力起傳遞荷載的作用。圖2(b)所示為一般情況下結(jié)合縫可能引起的內(nèi)力為豎向剪力g(x)、橫向彎矩m(x)、縱向剪力t(x)和法向力n(x).然而,當(dāng)橋上主要作用豎向荷載時(shí),縱向剪力與法向力同豎向剪力相比,影響極小,加之在構(gòu)造上,結(jié)合縫(企口縫)的高度不大,剛性甚弱,通?？梢曌鹘沏q接,橫向彎矩對(duì)傳布荷載的影響極小,也可以忽略。為了簡(jiǎn)化,假定豎向荷載作用下結(jié)合縫內(nèi)只傳遞豎向剪力g(x)。用梁格法建模時(shí)將相鄰橫梁?jiǎn)卧耐晃恢勉q接縫處的豎向約束相互耦合,其他約束全部釋放掉,使鉸接縫只傳遞豎向剪力g(x),如圖2(c)所示,各板受力模型如圖3所示。這就是梁格法分析鉸接板并模擬鉸接縫的的基本思路。3工程實(shí)例3.1引橋橋組成長(zhǎng)沙湘江北大橋是319國(guó)道上的1座特大橋,大橋總長(zhǎng)3616.66m,其正橋長(zhǎng)2355.9m。正橋由東引橋、主橋和西引橋組成。西引橋部分共l7孔,每跨采用l6米簡(jiǎn)支鉸接空心板結(jié)構(gòu),橋面凈寬26.6m,其中機(jī)動(dòng)車(chē)道4×3.95m,非機(jī)動(dòng)車(chē)道2×3.65m,人行道2×1.5m,橋梁設(shè)計(jì)荷載為汽車(chē)—20級(jí),掛車(chē)—100。橋梁上部均采用23塊70cm厚先張法預(yù)應(yīng)力混凝土鉸接空心板。下部除橋臺(tái)外,全部采用4Ф120cm鉆孔灌注樁,柱式墩。西引橋橫斷面布置如圖4所示。3.2采用合作投降法模擬橋接縫的梁法計(jì)算模型3.3荷載作用下的撓度靜載試驗(yàn)要求測(cè)試簡(jiǎn)支梁橋每跨在順橋向最不利設(shè)計(jì)荷載作用下,控制截面的應(yīng)力和撓度。本橋測(cè)試采用金碼高科的混凝土表面應(yīng)變計(jì)進(jìn)行截面應(yīng)力測(cè)試,采用德國(guó)HBM公司電感式位移傳感器進(jìn)行撓度測(cè)試。3.3.1車(chē)載橫向布置方式取如圖6所示車(chē)載排列作為試驗(yàn)荷載。選定2個(gè)橫向車(chē)載布置方式作為此次靜載試驗(yàn)的試驗(yàn)工況。2種工況下車(chē)載橫向布置方式分別為:工況1,用圖7中第(1),(2)和(3)列試驗(yàn)車(chē)輛加載;工況2,用圖7中第(1),(2),(3),(4),(5)和(6)列試驗(yàn)車(chē)輛加載。這樣,布載包括了單側(cè)偏載和雙側(cè)對(duì)稱(chēng)加載2種加載方案,2種工況車(chē)列數(shù)均應(yīng)按由少到多逐列遞增的原則進(jìn)行加載,并嚴(yán)格監(jiān)測(cè)裂縫開(kāi)展情況。3.3.2測(cè)點(diǎn)布置和布置撓度測(cè)試采用HBM位移傳感器(即撓度計(jì)),每跨跨中布置23個(gè)測(cè)點(diǎn),如圖8所示。應(yīng)變力測(cè)試采用金碼高科混凝土表面應(yīng)變計(jì),每跨跨中布置23個(gè)測(cè)點(diǎn),如圖9所示。3.3.3理論值對(duì)比分析根據(jù)上述梁格法計(jì)算原理建立梁格計(jì)算模型,采用橋梁結(jié)構(gòu)空間分析與設(shè)計(jì)程序LBS-1,算出2種加載工況中每片梁的跨中應(yīng)力和跨中撓度的理論值,通過(guò)實(shí)橋靜載試驗(yàn)測(cè)出跨中應(yīng)力和撓度值。將理論值和實(shí)測(cè)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,對(duì)比結(jié)果如圖10和圖11所示。從圖10和圖11可以看出:應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果比理論結(jié)果略小,這反映了橋梁實(shí)際總體剛度與理論值相比偏大,鉸接縫的約束聯(lián)系相對(duì)較強(qiáng)致使各片梁內(nèi)力分布更均勻;撓度實(shí)測(cè)值結(jié)果比理論值略大,這是由于實(shí)測(cè)結(jié)果中包含了橋梁下部結(jié)構(gòu)蓋梁、橋墩、支座等的變形,而理論分析中并沒(méi)有考慮下部結(jié)構(gòu)的變形。總體上講,應(yīng)力和撓度實(shí)測(cè)值和理論值變化趨勢(shì)保持一致且偏差不大,能滿(mǎn)足工程要求。由此可見(jiàn),通過(guò)耦合豎向約束模擬鉸接縫的改進(jìn),梁格法的計(jì)算結(jié)果具有較高的精度。4建立空間分析模型1)靜載試驗(yàn)中1次就測(cè)出所有梁的應(yīng)力、撓度。為了與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比,理論計(jì)算中必須一次性算出所有梁的應(yīng)力、撓度。由于在加載情況下各片梁的受力、變形是相互耦合的,以前通過(guò)橫向分布系數(shù)把結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成平面結(jié)構(gòu)計(jì)算的方法,其原理是使每片梁受力最不利,用平面分析方法通過(guò)多次計(jì)算雖然也能算出各片梁的應(yīng)力、撓度,但實(shí)際上各片梁并不是同時(shí)達(dá)到受力最不利狀況,因此,平面分析不能反映實(shí)際結(jié)構(gòu)實(shí)際的受力和變形情況,必須建立空間分析模型才能考慮各片梁的受力、變形相互耦合作用。2)實(shí)際結(jié)構(gòu)是通過(guò)鉸接縫使各梁聯(lián)系成一個(gè)整體共同受力的,理論計(jì)算模型中必須正確模擬鉸接縫的作用,其中正確模擬鉸接縫處力的傳遞是最關(guān)鍵的。根據(jù)鉸接縫的受力特點(diǎn)對(duì)鉸接縫進(jìn)行了簡(jiǎn)化,使其只傳遞豎向剪力,建立梁格法模型時(shí)使同一鉸接縫處各單元的節(jié)點(diǎn)豎向約束相互耦合,其他約束全部釋放來(lái)正確模擬鉸接縫的作用。3)建立了改進(jìn)的空間梁格模型,計(jì)算了各片梁的應(yīng)力、撓度并與實(shí)測(cè)值結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明,改進(jìn)了的梁格法具有較高的精度。4)建立合理的分析模型,準(zhǔn)確計(jì)算梁的剛度和合理地模擬縱向鉸接縫是保證計(jì)算正確的關(guān)鍵。本