空心板设置横隔板对企口缝混凝土力学性能的影响分析.pdf

8 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i n g 文 章编 号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 2 ) 0 9 0 0 0 8 0 4 空心板设置横 隔板对企 口缝混凝土力学性能的影响分析 葛素娟 ， 张高奎 ， 刘若瀚 ( 1 郑州大学 土木工程学院 ， 河南 郑州4 5 0 0 0 1 ； 2 河南 徐辉 建筑工程设计事务所 ， 河南 郑州4 5 0 0 8 2 ) 摘要 ： 建立装配式预应力混凝土简支空心板桥 的空间实体有限元计算模型， 在对称荷载与偏载作用下， 分别 对无横 隔板 、 端部 设置横 隔板 、 端部 与跨 中均 设横 隔板 3种情 况 的空心板之 间的企 口缝 混凝 土 受力 状 态进行 分析 ， 探 讨设 置横 隔板 对装 配式预 应 力混凝 土 空心板桥 企 口缝混凝 土 的力 学性 能 的影响 ， 计 算 得 出企 口缝混凝土的应力分布。结果表 明： 设置横隔板后 ， 企口缝混凝土的应力值 变得均 匀， 企 口缝混 凝土的抗剪性能有所增强。所得结果对装配式预应力混凝土空心板桥设计有较大的参考价值。 关键词： 装配式预应力混凝土空心板桥 企口缝 力学性能 有限元法 中图分类 号 ： U 4 4 1 4 文献标 识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 2 0 9 0 3 装配 式预应 力混 凝土 空心 板桥 的空心 板块 之 间一 般采用企 口缝横向连接， 以保证空心板块 之问的整体 性 ， 共 同承受车辆荷载 。装 配式预应力混凝土空心 板桥的桥面铺装层普遍存在着沿空心板企 口缝纵向开 裂 、 铰缝处混凝土破碎、 脱落 、 大面积渗漏等现象 ， 并且 成 为空 心 板 桥 最 典 型 的早 期 病 害 之 一 。出 现 这 种 病害后会致使空心板间横向联系失效 ， 出现单板受力 ， 使 桥梁 的整 体受力 性 能 发 生改 变 ， 影 响桥 梁 结构 的安 全 和交 通 的 畅 通 。装 配 式 预应 力混 凝 土 空 心 板 桥 产生沿企 口缝纵 向开裂病害的原因是多方面的， 主要 是 由空心板桥设计理论方面的理想企 口缝与实际的企 口缝构造有差别 、 施工质量 以及运营阶段工作条件恶 化等 因素 造 成 的 。另 外 ， 空 心 板 在 浇 筑 混 凝 土 过 程中， 目前一般采用橡胶胶囊作空心板内膜， 由于橡胶 胶囊内膜密度较小 ， 重量轻 ， 经常偏位 和上浮 ， 导致空 心板 的顶 板 和腹板 厚度减 小 ， 使空心 板受 压高 度不够 ， 承载力不足 ； 橡胶胶囊 内膜位置偏移或上浮也会造成 混凝土保护层厚度变小 ， 甚至钢筋裸露 ， 使空心板产生 各 种裂缝 等病 害 ， 影 响桥梁 的耐久 性 。 。 。 针对装配式空心板预制过程 中橡胶气囊偏移和上 浮等问题 ， 可采用聚苯乙烯泡沫塑料内膜替代传统的 橡 胶气 囊 内膜 ， 由于 聚 苯 乙烯 泡 沫 塑料 内模 具有 一 定的强度 ， 重量较轻 ， 可预制生产 ， 而且浇筑完混凝 土 后可留在结构 内不必取 出， 因此 ， 不用沿桥跨通 长设 置 ， 可 以在 空心板 端 部 和跨 中位置 设 置 横 隔板 。为 了 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 4 - 2 0； 修回 日期 ： 2 0 1 2 - 0 5 1 8 基 金项 目： 河南省杰 出人才计划项 目( 0 8 4 2 0 0 5 1 0 0 0 3 ) 作者简介 ： 葛素娟 ( 1 9 7 2 一 ) ， 女 ， 河南濮 阳人 ， 副教授 ， 硕士。 解空 心板桥 在设 置横 隔板后 能否 改善企 口缝混 凝 土 的 受力 性能 ， 本文 以一座 2 2 5 m 装配式 预应 力混凝 土 空 心板 桥 为例 ， 探 讨空 心板 设 置 横 隔板 后 对 企 口缝 混 凝 土力 学性 能 的影响 。 1 有 限元计算模型 以连霍高 速公路 改扩 建工 程 中的一座 典型 的装 配 式预应力混凝土空心板桥 为研究对象 ， 该桥纵 向跨径 为 2 2 5 m， 计算跨径为 2 2 4 4 I n ， 两端简支 ， 横 向由宽 为 1 4 9 i n的 7片空心 板组成 ， 桥 梁 横断 面 布置 如 图 1 所 示 。各空 心板 由混 凝 土企 口缝 连 接 ， 企 口缝 构 造 如 图 2所示 。 应用有 限 元 程 序 Mi d a s C i v i l ， 选 用 空 间 8节 点 6 面体实体单元 ， 建立该桥梁整桥三维实体有限元计算 模 型 ， 模 型横断 面如 图 3所示 。 在有限元建模 中， 对截面顶板处的普通钢筋区采 用 钢筋 与混凝 土 的折算 弹性模量 考 虑顶板 处普 通钢 筋 的影响 ， 对底 部 的 预应 力 钢 筋 作 用 区 域 ， 采 用 预 应 力 筋 、 普 通筋 以及混 凝土折 算后 的弹 性模量 ， 即取 均化 的 钢筋混凝土折算弹性模量 l o l ； 桥面板 、 企 E l 缝、 混凝土 桥面铺装及护栏等均用实体单元 ， 其 中企 IS l 缝混凝土 与空心板单元之 间采用共节点处理 。在计算模型 中， 采用的坐标系为： 轴为沿桥纵向( 向右为正向) ， y轴 为沿 桥横 向 ( 向 内为 正 向) ， Z轴 为 竖 直 向 ( 向上 为 正 向) 。该 桥为简 支空 心 板桥 ， 边 界 条件 设 为 两端 简 支 ， 该 空心 板桥共设 有 2 8个 支座 。 根据横隔板设置的情况 ， 共考虑 3种计算模型 ： 1 ) 无 横 隔板 ， 无 横 隔板 的 桥梁 整体 空 间有 限元 计 2 0 1 2年第 9期 空心板设置横隔板对企 口缝混凝 土力学性能的影响分析 9 图 1 桥梁横断面布置 ( 单位 ： e m) 图 2企 口缝 构造( 单位 ： c m) 图 3 桥 梁有限元计算模型横断面 算 模 型 ； 2 ) 端横 隔板 ， 在 两 端部 位 设 有 端横 隔板 的桥 梁 整 体 空 间有 限元计 算模 型 ； 3 ) 有横 隔板 ， 在 两 端及 跨 中部 位均 设 有 横 隔 板 的 桥 梁整 体空 间有 限元 计算 模 型 。 根 据工 程实 际所 采用 的数 据 ， 横 隔板 的厚 度 为 2 0 c m， 在计 算 中考 虑两种 活 载工况 。 工 况 1 ： 对 称荷 载 ， 即在 桥梁 横 向 以桥 中心 线 为 中 心 对称 设两 列 车辆 ， 纵 向按桥 梁最 不利 弯矩 位置 布 置 ； 工 况 2 ： 偏 载 ， 即沿 桥梁 横 向距 护 栏 0 5 m 处 设 两 列 车辆 ， 纵 向按 桥梁 最不 利弯 矩位 置布 置 。 2 计 算结果及分析 通 过对 3种 横 隔板设 置模 型分 别在 2种 荷载 工 况 作 用进 行计 算 ， 得 出各企 口缝 混凝 土 的受力 性能 ， 选 用 5种应 力 来说 明设 置横 隔板 对 企 口缝 混凝 土受 力 性 能 的影 响 。这 5种 应力 分别 是 ： S I G 纵 向正应 力 ； S I G y Z 横 向剪 应力 ； S I G 一 纵 向剪应 力 ； MA X Js R E 最 大剪应 力 ； S I G E F F 有效 应力 。 企 口缝 的编号 如 图 3所 示 ， 由左 至右 分 别 为 1 6 号 。 2 1对称 荷载 作用 下 企 口缝 混 凝土应 力 分析 由于模型及荷载 的对称性 ， 对于对称荷 载仅需分 析 1号 3号 企 口缝 混凝 土 应力 变 化 情况 。对 称荷 载 下 3种计 算模 型计 算得 到 的各企 口缝 混凝 土应 力值 列 于表 1 。 由表 1可知 ， 在对 称荷 载作 用下 ， 设置 横 隔板与 不 设横隔板相 比， 1号企 口缝混凝 土的应力总体呈增大 趋势。说明设置横 隔板可将远处的荷载传递到 1 号企 口缝位置， 有利于空心板间受力 协同工作。设置端横 隔板和 中横隔板 比仅设置端横隔板， 其抗剪性能有所 增强 ， 最大剪应力减小 2 2 4 2 ， 但抗拉能力则有所减 弱 ， 最 大正 应力增 大 1 4 5 8 。 在对称荷载作用下 ， 设置横 隔板与不设横 隔板相 比 ， 2号企 口缝 的各 应力 总体 呈减 小 趋 势 ， 只 有纵 向剪 应力有所增加。3号企 口缝的各应力总体也呈减小趋 势 。分 析 2号 、 3号企 口缝混 凝 土应 力 可 知 ： 设 置 端 横 隔板可将荷载传递到更远的位置 ， 使 2号、 3号企 口缝 混凝土应力值降低 ， 并且在端部和跨 中位置设置横隔 板 比仅设端横隔板时对应力的降低 幅度大 ， 这是 由于 设置中横隔板 ， 在使跨中截面各企 口缝应力 总体减小 的同时 ， 又将 该企 口缝 应力 传递 到其 它铰缝 ， 从 而使企 口缝 的应 力得 到 降低 ， 各板 受力 均匀 ， 提高 了各 空心板 间协 同工 作 的作用 。 综上所述 ， 在对称荷载作用下 ， 设置端横隔板后 ， 2 号 、 3号企 口缝 承担 的空心板 间剪应 力减小 ， 1 号 企 口缝 剪应力增大， 说明设置端横隔板， 可使空心板间剪力从 原来相对集中在中间位置 2号、 3号企口缝上， 逐渐向边 缘传递 ， 从而使中间企 口缝混凝土应力峰值降低 ， 而端 部企 口缝 混凝土 应力 增 加 ， 各 企 口缝 受力 均 匀 ； 设 置端 横隔板和中横隔板 ， 可使跨中截面各企口缝应力在整体 降低 的同时 ， 分布也更 为均匀 ， 板 间协 同工作 能力提高 。 1 0 铁道建筑 S e p t e m b e r 2 0 1 2 注 ： 有横隔板是指有端横隔板和 中横隔板 。 2 2 偏 载作 用 下企 口缝混 凝土 应力分 析 在偏载作用下 3种计算模型计算得到的各企 口缝 应力值列于表 2 。由于荷载不对称， 需要分析 1号 一 6号 企 口缝混凝 土 应力 变化情 况 。 由表 2可知 ， 在偏载作用下 ， 设置横隔板与不设横 隔板相比， 1号 4号企 口缝混凝土各应力总体均呈现 减 小趋 势 。分 析 1号 4号 企 口缝 混 凝 土应 力 可 知 ， 设置横隔板可将荷载传递到更远的位置 ， 有利于空心 板间受力协同工作 ， 且端部和跨 中均设置横 隔板 比只 在端部设置横隔板应力减小 的幅度更大 ， 说 明设置 中 横隔板 ， 在使跨 中截面各企 口缝混凝土应力总体减小 的同时又将该企 口缝混凝土的应力传递到其它的铰缝 上 ， 使各企 口缝混凝土的应力得到了有效降低 ， 从而促 使各板受力均匀。 分析 5号 、 6号企 口缝 混凝 土 应力 可 知 ： 设 置横 隔 板后 ， 5号 、 6号企 口缝混凝土各应力总体呈增大趋势 ， 且 5号企 口缝 比 6号 企 口缝 混 凝 土 应 力增 大 更 多 ， 这 说 明设 置端横 隔板可使 距离 荷 载较 近 的 1号 4号企 口缝混凝土应力降低 ， 同时使距离荷 载作用位置相对 较远 的 5号、 6号企 口缝混凝土的应力增大 ， 即空心板 间协 同工作性能更好。在端部和跨中均设置横隔板 比 仅在端部设置横隔板应力降低 幅度略小 ， 这更有利于 各空 心板 间企 口缝 的受 力 。 综 上所述 ， 在偏 载 作用 下设 置端横 隔板 后 ， 使 距 离 荷 载位 置近 的 1号 4号 企 口缝 混 凝 土剪 应 力 减 小 ， 距离荷 载位 置 远 的 5号 、 6号 企 口缝 混 凝 土剪 应 力 增 大 ， 说明设置端横隔板使板间剪力从原来的相对集 中 在 1号 4号企口缝上 ， 逐渐向另一端传递 ， 从而使荷 载作用位置附近企 口缝混凝 土应力峰值降低 ， 而使远 处企 口缝应力增加 ， 这样各企 口缝受力均匀 ； 在端部与 跨中位置均设横隔板 ， 在使跨 中截面各企 口缝混凝土 应力整体降低的同时， 也使各企 口缝混凝土应力分布 均匀 ， 空心板间协同工作能力提高。 3 结论 本文 以工 程实 际 中常 用 的装 配式 预应 力混凝 土 空 心板为例 ， 运用有限元程序 Mi d a s C i v i l 建立了跨径为 2 2 5 m 的装配 式 预 应 力混 凝 土简 支 空 心 板 桥 的 整桥 三维实体有限元计算模型， 分别考虑 了无横隔板、 仅设 端 横隔板 、 同时设 端横 隔板 与 中横 隔板 3种情 况 ， 分 析 了设 置横隔板对 装 配式 预应 力混凝 土 空心 板桥 企 口缝 混凝土受力性能的影响。根据计算结果可以得出结论 ： 1 ) 设置横隔板后 ， 企 口缝混凝土的应力值变得均 匀 ， 企 口缝的抗剪性能有所增强 ， 表现为控制应力较大 的 2号 一 4号企 口缝控制应力均有不同程度降低 ； 2 ) 端部 和 跨 中位 置 均 设 横 隔 板 比仅 设 端 横 隔板 时应力降低更多， 但远 离车辆荷载位置 的 1号 、 5号 、 6号 企 口缝 ， 端 部 和跨 中均设 横 隔板 时 比仅设 端 横 隔 板 时抗 剪 能力增 强 ， 抗 拉性 能略被 削 弱 。 2 0 1 2年第 9期 空心板设置横 隔板 对企 口缝混凝土力学性能 的影 响分 析 I 1 注 ： 有 横隔板是指有端横隔板和 中横 隔板 。 参 考 文 献 1 范立础 桥梁工程 M 北京 ： 人 民交通出版社 ， 2 0 0 1 2 谭洪河 装 配式空 心板 梁桥桥 面铺装 纵 向裂 缝成 因分析及 防治措施 研究 D 南宁 ： 广西大学 ， 2 0 0 6 3 张云娜 施加横 向体外 预应力加 固装 配式空 心板桥 的研究 D 郑州 ： 郑州大 学 ， 2 0 0 7 4 胡 肇兹 桥跨 结构简化 分析一荷 载横 向分布 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 1 9 9 6 5 张军伟 预应力混凝 土空 心板桥 桥面铺 装层结 构性 能分析 D 郑 州 ： 郑州大学 ， 2 0 0 7 6 张建东 ， 周彬 制作空心板梁的气囊 内模上浮控制及 补救措 施 J 湖南交通科技 ， 2 0 0 4 ， 3 0 ( 4 ) ： 7 2 7 3 7 薛 国虎 对空 心板 梁预制 中气囊 上浮 的几点看 法 J 石家 庄铁路职业技术学 院学报 ， 2 0 0 7 ， 6 ( 1 ) ： 5 1 5 3 8 赵 华庆 ， 史卫滨 空心板梁底板纵 向裂缝成因分析及加 固对 策 J 铁道建 筑 ， 2 0 1 1 ( 3 ) ： 4 5 9 河南省公路 学会 用发泡 聚苯 乙烯替代橡 胶胶囊 内模提高 空心板 建 造 质量 的 技术 研 究 R 郑 州 ： 河 南 省 公 路 学 会 ， 2 0 07 1 O 李长永 高性能 预应 力混凝土空心板桥整体受力性能试验 与计算分 析 D 郑州 ： 华北水利水 电学 院 ， 2 0 0 3 ( 责任审编孟庆伶)