高速公路混凝土曲线梁桥加固方法研究

发表时间:2019/5/8   来源:《防护工程》2019年第2期   作者:高捷 王建军
[导读] 本文针对国内常用的曲线梁桥的加固方法进行总结归纳,为曲线梁桥的加固提供理论基础。

中交四公局  北京市  100000  中交三公局  北京市  100000
        摘要:目前国内有相当数量的混凝土曲线梁桥不仅在施工中存在一些问题[1],而且设计时如对扭转、平面内变形这些分析存在不全面的问题,以及支承等设计细节也有一些不完善[2-3],再加上随着我国经济的发展,交通量变大,重载车辆的增加等等原因,导致部分混凝土曲线梁桥在运营后出现各种病害。常见的病害有主梁梁体开裂,主梁横向位移过大,甚至倾覆,桥梁墩台开裂。针对这些状况,运营养护单位应及时发现并采取必要措施进行改造,以免发生工程安全事故,由于从结构受力上曲线梁桥比直线梁桥更为复杂,目前对混凝土曲线梁桥的加固改造技术研究还有待进一步深入。本文针对国内常用的曲线梁桥的加固方法进行总结归纳,为曲线梁桥的加固提供理论基础。
        关键词:曲线梁桥;病害原因;加固方法;
       
       
        在过去的几十年里,经过国内外众多学者以及工程师的努力,研究出了很多实用、经济、安全、高效的桥梁结构加固方法。常用的方法有五种,分两大类。第一类是被动加固法,具体包括增大梁体截面尺寸、粘贴钢板或纤维复合材料加固;第二类为主动加固法,具体包括改造体系以及施加体外预应力。
        体外预应力加固工艺的主要流程是:确定加固方案、设备就位、钢束锚固块及转向器施工、箱室内布置和穿入预应力钢束、预应力张拉、封锚、保护罩以及锚头内灌入防腐油脂防护。
        针对混凝土曲线箱梁的典型病害,在对桥梁进行加固后应达到以下一些主要目的:调整扭矩分配、提高结构承载能力和正常使用能力、通过限制裂缝改善主梁的耐久性等。表3.0为混凝土曲线梁桥加固方法加固目的一览表,√表示对相应加固目标有效果,0表示对相应加固目标无效果或效果不明显。
        表3.0  混凝土曲线梁桥加固方法加固目的一览表
        Tab. 3-0 A list of strengthening methods for reinforcement of
        Concrete Curved Girder Bridges


        混凝土曲线梁桥由于结构特殊,受力复杂,加固后需要进行专门计算、验算。加固计算主要有解析法和数值法两大类。解析法一般采用杆系结构力学结合横向分布理论,将曲线梁桥模拟成单曲梁,根据纯扭转或约束扭转理论计算。数值法主要依托有限元软件采用梁格法、板单元或有限条法等进行桥梁结构离散建模,然后计算桥梁各构件的受力。
        (1)解析法计算曲线梁桥
        ①平面曲梁的变形微分方程
               
        图3.3 连续曲单梁
        Fig. 3-3 Continuous curved single beam
        ③曲梁桥横向分布
        曲梁桥向分布理论有梁格法(如刚性横梁法)、梁系法和比拟正交异性板法等,其中尤以刚性横梁法应用广泛。与直桥刚性横梁法类似,将作用了某一集中荷载P的曲梁分解为作用于形心D点的力P和扭矩P×e,曲梁运动也分解为竖向平动和纯转动,如图3.4所示,则各主梁分配到的荷载是两种状态的总和。
        
        图3.4 曲梁桥受力平衡图式(刚性横梁法)
        Fig. 3-4 Stress balance diagram of curved girder bridge (rigid cross beam method)
        (2)数值法计算曲线梁桥
        数值法在有限元法的基础上,依托计算机软件对桥梁结构进行结构离散化,然后对桥梁关键部位的内力、位移等进行计算。曲梁桥计算从上世纪80年代起,由于计算机的迅猛发展从手算时代跨越到电算时代。目前曲线梁桥计算软件主要有桥梁博士、MIDAS Civil、SAP2000、ANSYS等,本论文加固计算采用的即为MIDAS Civil软件。
        ①有限元法基本理论
        有限元计算原理是基于变分原理和加权余量法的一种原理,其基本思想是将一个结构离散成若干个单元,在求解时,先求出单元的节点位移(基本解),然后再通过节点位移求解其他结构响应。基于有限元计算原理的方法大体可分为四种:有限元法、有限条法、有限段法和空间有限元法。其中,有限元法是最为基础的一种方法。
        ②MIDAS Civil软件
        MIDAS Civil是桥梁领域通用的结构设计分析软件。建模方面,MIDAS Civil
        具有桥梁专业的各种建模功能,操作界面直观,简单易学。不仅如此MIDAS Civil还实现了与CAD、SAP2000等多种软件之间的互导,使得建模更具有高效性。分析设计方面,MIDAS Civil集成了静力分析、动力分析、屈曲分析、移动荷载分析等分析设计功能。结果处理方面,MIDAS Civil与一般分析软件的不同之处在于它可将结果直接转化为文本进行输出,并自动生成较为规范的计算书,方便查阅。MIDAS Civil以其操作简便、界面人性化、运算结果精确度高、建模分析效率高特点,受到了广大设计者的青睐。
        总结:
        1、混凝土曲线梁桥一般采用简支梁或连续梁,可采用结构力学方法进行解析求解,本章对其解析求解公式进行了总结,可为数值求解结果进行验证,确保了计算结果的准确性,当混凝土曲线梁桥采用多次超静定结构时采用有限元数值分析将取得较高的计算效率。
        2、曲线梁桥的理论和应用方面的研究已经相对成熟,目前国内有相当数量的混凝土曲线梁桥不仅在施工中存在一些问题,而且设计时如对扭转、平面内变形这些分析存在不全面的问题,以及支承等设计细节也有一些不完善,这就容易导致部分混凝土曲线梁桥在运营后出现梁体横向位移过大现象,甚至倾覆,桥梁墩台也容易受主梁传递下来的横向力作用出现开裂等问题。
        3、针对混凝土曲线梁桥桥墩的常见病害,在对常用的围带加固法、钢筋混凝土套箍加固法等加固方法进行比较和论证,确定采用采用钢筋混凝土套箍增大截面加固法对桥墩进行了加固设计,并通过受力分析计算表明满足受力要求,从加固施工角度上来说也方便施工,并易于控制施工质量。
        4.体外预应力施工过程中,若无法封闭交通,则需通过计算确定车道车辆数,进行交通管制;对于钻孔精度差的问题,应进行精确定位,采取施工—验证—施工的模式确保钻孔精确;对于钻孔削弱梁体问题,转变思路,采用创新工艺(如:粘贴钢板法)。
        5、体外预应力加固设计其核心内容包括正截面抗弯承载力计算以及斜截面抗剪承载力计算两大部分。为确保加固方案的可行性和提高计算精度及计算效率,本文采用MIDAS CIVIL对采用体外预应力加固后设计的曲线梁桥进行仿真模拟验算,结果表明体外预应力加固方法具有可行性,为实际工程的实施提供参考。
        参考文献:
        [1]孙宗光,李晓飞.曲线连续梁桥侧向失稳的主导因素和行为分析[C].固体力学及其应用学术研讨会,2013
        [2]呙于平,王天雄,朱晓琳,黎建华,刘杰.曲线梁桥预应力作用效应分析[J].中国水运,2015(12):63-65.
        [3]王文龙等.支座布置形式对曲线梁桥抗倾覆能力的影响[J].中外公路,2015,35(5):197-200.

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