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1、4 8 桥梁检测与加固 2 0 0 8年第 1 期 P C连续 刚构桥 箱梁底板更换过程分析 梅秀道 高 阳 汪正兴 曹 阳 1 中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司 湖北 武汉 4 3 0 0 3 4 2 湖北省交通规划设计院 湖北 武汉 4 3 0 0 5 1 摘 要 为确保 P C连续刚构桥箱梁底板更换过程在施 工过程 中结构 的安全 分别 采用 平面杆系和局部实体 2种模 型进行了详细分析 局部实体模 型采 用降温来模 拟底板的收 缩徐变 采用单元 生死技术模 拟底板 更换 及崩裂现象 分析 结果证明 了底板更换过 程是底板 应力清 零过程 之后重 新加 载的过程 提 出了底板 更
2、换 次序应遵循 的原 则 给 出了施工 过程底板应力变化时程 图 关键词 连续刚构桥 箱形梁 底板 更换 收缩 徐变 1 引 言 P C连续刚构箱梁桥在施工过程中出现底板崩 裂的事故屡有发生 已有文献 对该类 事故进行 了详细分析 并提出了应对措施 但关于箱梁的加 固 处理 尤其是更换崩裂底板过程 的计算分析方面文 献不多 底板 的更换过程包括原预应力束松张 旧 底板拆除 新底板浇筑及重新张拉底板束等步骤 更 换过程中应确保原有梁体的安全及新老混凝土共同 工作 采用杆系模型对结构进行整体分析 建立平 面杆系与局部实体 昆合模型对崩裂底板的更换过程 进行了详细的施工 阶段分析 某 刚构桥 5号
3、6号 墩跨间箱梁底板崩裂区域见图 1 5 1 9 a 6 1 9 a 6 1 8 节段 6 1 7 节 段 合龙段 图 1 底板崩 裂区域 示意 2 计算方 法与模 型 为得 到结构整体 和局部计算结果 结构计算分 为 3部分 1 采用平面杆系模型按梁段完整截面对预应 力松张 重新张拉 后期加载及运营状态荷载最不利 组合作用下结构受力进行分析 2 采用局部实体与平面杆系混合模型对底板 更换过程 中结构局部受力进行分析 3 完整截面分析结果和局部实体与平面杆系 混合模型分析结果叠加后的结构受力分析 2 1 平面杆系有限元计算 根据主梁实际断面及桥梁布置 将 桥梁按空间 实用理论简化为平面杆系 结
4、合 已施工实际步骤 和 工况 采用 MI D AS 2 O 0 6有 限元计算软件进行计算 分析 全桥共离散为 3 3 2个梁单元 其中 主梁 1 9 8 个单元 主墩 1 3 4 个单元 结构模型见图 2 图 2 结构平面杆 系有 限元模型示意 2 2 局部实体与平面杆系混合模型计算 对要更换底板梁段建立实体模型进行分析 根 据圣维南原理两端各多取一个梁段以消除边界条件 的影响 按底板更换节段将实体单元划分成不同的 单元组合 便于采用单元生死功能来模拟 旧底板拆 除和新底板浇筑 对新底板降温来模拟收缩徐变 的 影响 实体单元划分要兼顾施工节段划分 预应力 束实际位置 可能的加载位置 单元形状
5、和计算速度 等因素 考虑真实边界条件 得到底板更换过程 中真实 应力变化 建立除实体段 以外全桥其余部分的杆 系 梁单元模型 图 3 梁单元 与实体单元用刚性单元 连接 以符合平截面假定 为加快计算速度 实体单 元只建立沿单幅桥横截面 中心线对称 的一半 对称 面采用对称约束 梁单元参数对应修改 边墩支座 采用只受压单元模拟 放松纵桥向自由度 转动 自由 收稿 13期 2 O 0 8 l 1 1 O 作者简介 梅 秀道 1 9 8 0 男 助理工程师 2 0 0 3 年毕业于大连理工大学工业 与民用建筑专 业 学学士 2 0 0 6年毕业于大连理工大学桥 梁 与隧道工程 专业 工学硕 士 总第
6、 1 期 P C连续 刚构桥箱 梁底 板更换过程分析 4 9 度 各墩在承台处 固结 模型中除考虑实体段内部 预应力钢束外 还考虑了除实体部分之外 的其他次 边跨合龙段钢束 以模 拟其次 内力嘲效应 模 型 中 没有生成底板预应力孔道 b 局部实体单元划分 C 预应力钢束单元示意 图 3 局部实体与平面杆 系混 合模 型示意 3 新老混凝土收缩徐变差异分析 根据文献 6 附录 F计算混凝土收缩应变 徐 变系数 等效为温降处理 老梁体 系数 依水泥种类 而定 取 5 0 新梁 体取 3 0 以新梁体底板养护结束时 t 为时间轴基 准 计算某一时间增量 时新老混凝土收缩应变的 差值 新老混凝土收缩
7、应变差异计算结果见 表 1 表 1结果说明 在 A t 3 6 0 0 d时 二者收缩应变差 值等效降温为 7 0 9 C 表 1 新老混凝土收缩应变差异 t 时应变A t 后应变A t 内应变新老梁体应等效 总量 总量 e 增量 变差值 e 降N o c 老梁体 4 9 1 4 1 6 4 8 1 1 1 5 6 7 7 O 9 4 7 O 9 新粱体0 1 8 6 6 1 1 8 6 6 1 徐变主要考虑二者在 同一应力状态作用下 新 老混凝土在相同时间间隔中徐变系数的差值 底板 更换过程就是底板应力清零再重新加载 的过程 若 新老混凝土结合面应力一致 则 问题在 于新老混凝 土同时加载至
8、相 同应力 二者徐变系数 的差别 新 老混凝土徐变应变差异计算结果见表 2 由表 2可 知 首先更换的 5 1 5节段底板新老混凝土徐变系数 差为 0 4 3 等效降温 3 9 9 最后更换的 5 一 l 9节段 底 板新老混凝 土的徐变系数 差为 1 1 1 等效 降温 表 2 5 1 5 和 5 一 l 9 节段 的新老混凝土徐变应变差异 2 O 5 9 C 由此可见 要减小新老混凝土的徐变差 异 就要尽量延长新底板的加载龄期 以上收缩 徐变的计算结果说 明 对最先更换的 5 1 5 节段 应总共降温 1 O 9 9 C来模拟 而对最后 更换的 5 1 9节段 应总共降温 2 7 5 9
9、C 来模拟 4 底板更换过程应 力分 析 4 1 计算思路 按照实际施工步骤划分施工阶段 平面杆系模 型包括整个过程 的详细施工阶段计算 包括前期施 工阶段 底板更换过程中预应力的松张与重新张拉 加 固完成后体系运营阶段 局部实体模型则侧重于 底板更换过程中箱梁的应力变化 二者在底板更换 前应力状态一致 以此为基础进行后续对 比分析 4 2 平面杆系模型计算结果 平面杆系模 型不考虑底板 的局部更换 计算结 果见表 3 表中数据 为在最不利荷载作用 下更换节 段箱梁截面顶 底板应力极值 由表 3可知 在不考 虑底板更换过程 中的应力变化时梁体几乎满足全预 应力构件的要求 表 3 最不利组合状态
10、截面应 力 MP a 截面 上缘最大值下缘最大值 上缘最小值下缘最小值 注 表 不 J 土应 力 l司 4 3 局部实体 与平面杆系混合模型计算结果 局部实体与平面杆系混合模型利用单元生死功 能来模拟底板更换过程 为对 比新老混凝土 的收缩 徐变差异 分为考虑收缩徐 变和不考虑收缩徐变的 影响 2种工况计算 图 4为考虑收缩徐变差异影响 的 8 个更换底板节段的应力时程图 l j i 工 阶 段 编 号 注 5 1 5节 段 5 1 9节 段混 凝 土徐 变 系数 分 别 在 压应 力 为 3 2 M P a 6 4 MP a 下计算得到 图 4 底板更换过程 中各 节段 底板下缘应力变化 时
11、程 0 O 喝 c P加 d H R避 5 0 桥梁检测与加 固 2 0 0 8年第 1 期 4 4 分析 结果 叠加 的结 果 将局部实体模型得到的底板更换过程底板应力 变化值叠加到平面杆系模型中对应截面应力 得到加 固完成后体系运营阶段的最不利应力情况 见表 4 表 4 新 浇筑 底板应 力叠加 结果 MP a 新 浇 底 板 囊 鉴 莫 值 霎 鏖 藿 囊 鉴 尕 值 璧 紧 翟 从上述分析可以看出 1 底板更换过程就是原有应力清零再重新加 载的过程 原有压应力较大处更换 以后 的应力损失 也较大 结合新老混凝 土收缩徐变差异分析 可 以 确定各节段底板 的应力更换次序原则为 原有压应
12、力越大的底板节段应越早更换 2 收缩徐变对 比计算 说明 新老混凝 土收缩 徐变差异导致了底板较大的应力差异 实际施工过 程需要采取各种措施减小混凝土收缩徐变 如采用 微膨胀混凝土 尽量延长新混凝土的养护和加载龄 期等 3 在最不利组合作用下 不考虑新浇混凝 土 收缩徐变影响 新更换的底板拉应力均满足 A类构 件要求 考虑新浇混凝土收缩徐变影响 新更换的底 板拉应力大部分满足 A类构件要求 但是 5 1 5 节段 的新更换底板拉应力大于 A类构件要求 更换施工全过程进行 了详细的分析 根据规范计算 收缩徐变 对新老混凝 土的收缩徐变差异系数进行 了比较 并等效为实体降温 计算结果反映了底板 更
13、换过程中的应力变化 主要结论如下 1 采用平面杆系模 型和局部实体与平面杆系 混合模型将整体计算和局部计算互相结合 能对底 板更换问题进行全面细致分析 其 中局部实体 与平 面杆系混合模型采用杆单元真实模拟了体系其他部 分对实体部分的弹性约束 预应力束也按真实形状采 用杆单元模拟 反映了连续刚构桥的实际受力行为 2 对 同一实体单元组进行重复钝化和激活以 模拟旧底板拆除和新底板浇筑这一过程 是对单元 生死技术 的具体应用 计算结果表明该方法可以反 映实际受力状态 3 根据对新老混凝土收缩徐变差异分析得出 了底板更换次序的原则 即原有压应力越大的底板 节段应越早更换 据此提出了实桥底板更换施工次
14、 序 的建 议 参考文献 E l i 严允 中 连续 刚构 桥箱 梁底 板 崩裂 原 因及预 防措 施 2 E 3 E 4 5 5 结论 6 结合平面杆系模型和局部实体模型对箱梁底板 J 公路交通技术 2 0 0 6 1 6 1 0 1 1 0 4 张顺忠 某 大桥连续梁跨 中底板 混凝土崩裂 事故 的处 理E J 铁道建筑 2 0 0 7 1 5 1 8 2 O 魏乐永 沈旭东 肖汝诚 等 预应力混凝土连续箱梁 底板崩裂 破坏 的机 理及其对 策E J 结构 工程师 2 0 0 7 2 3 2 5 3 5 7 刘家彬 郭正兴 陈岳 某 变高度连续 刚构桥底板 崩 裂加固施工 J 施工技术 2 0 0 6 3 6 5 3 5 3 9 范立础 预应力混凝土连续梁桥 M 北京 人民交通 出版社 1 9 8 8 J TG 1 3 6 2 2 0 0 4 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥 涵设计规范 S
