防撞护栏对简支空心板边板受力性能影响

收稿日期:20171127
作者简介:王 龙(1993)
,男,甘肃敦煌人,长安大学硕士研究生.第30卷第2期2018年4月
沈阳大学学报(自然科学版)
J o u r n a l o f S h e n y a n g U n i v e r s i t y (
N a t u r a l S c i e n c e )V o l .30,N o .2
A p
r .2018文章编号:2095-5456(2018)02-0157-06
防撞护栏对简支空心板边板受力性能的影响
王 龙1,郭元凯1,闫 强2,孙延飞1
(1.长安大学公路学院,陕西西安 710064;2.北京首发公路养护工程有限公司,北京 100000)摘 要:为了准确掌握简支空心板边板受力性能和空心板边板典型病害产生的原因,通过M I D A S ㊁A D I N A 有限元程序,
分别以载荷形式㊁结构形式考虑防撞护栏对简支空心板桥边板恒㊁活载效应进行对比分析.分析得出,以结构形式考虑防撞护栏对空心板桥边板受力性能有较明显的影响,桥梁设计时活载剪切效应考虑不足是结构梁端斜裂缝产生的重要因素之一.关 键 词:梁端斜裂缝;防撞护栏;边板;有限元分析
中图分类号:U 441 文献标志码:A
预应力简支空心板结构广泛应用于公路桥梁的建设,是一种成熟㊁可靠的结构.近年来,随着桥梁服役年限的增加,桥梁病害日益凸显,例如结构开裂㊁老化㊁混凝土破损㊁剥落露筋等.某匝道桥上部结构为3跨20m 部分预应力混凝土简支空心板桥,桥面宽度为(0.5+9.5+0.5)m 组成.
桥梁设计载荷为汽车超20级和挂车120,
横桥向由10片空心板组成,空心板截面高80c m ㊁宽99c m.检测过程中发现桥梁主要病害为右幅2-1#板
左侧腹板,距1#墩1.6m 处有一条0.8m 长斜向裂缝,裂缝宽度2.2mm ,如图1a ;左幅3-1#梁左侧腹板,距2#墩1.1m 处有1条0.8m 长斜向裂缝,裂缝宽度0.45mm ,如图1b .桥梁裂缝宽度远超出规范规定限值,对该类裂缝应探究其产生的原因,并予以相应的加固维修措施,防止裂缝进一
步发展[1].
图1 梁端斜裂缝示意图
F i g .1 D i a g r a mo f b e a m -e n dd i g
o n a l c r a c k s 裂缝是混凝土结构典型病害之一,对结构的耐久性㊁美观性㊁承载能力有不同程度的影响.裂缝出现的时间,裂缝开展的位置,开裂的长度㊁宽度㊁深
度,裂缝发展的趋势对结构的危害程度也不同[2
].
裂缝一般分为2类:一类是由外载荷导致的结构
性开裂,称为结构性裂缝;另一类是由变形引起的,
也称非结构性裂缝,混凝土收缩㊁温度变化等因素引起的结构变形受到限制时,在构件内部产生自应力,当自应力超限时,造成混凝土开裂.
结构性裂缝主要有直接应力裂缝和次应力裂
缝,常发生的结构性裂缝一般由于外部载荷㊁基础变位㊁温度载荷㊁材料时变效应㊁结构受损等引起.
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对于简支结构,裂缝主要分为弯曲裂缝和剪切裂缝.弯曲裂缝是弯曲拉应力超过混凝土抗拉强度时发生,一般发生在弯矩值最大处.剪切裂缝主要是由剪力或扭矩作用引起斜截面主拉应力超限造成,且与梁轴线呈一定夹角.混凝土梁发生剪切破坏时,会发生沿着梁端中下部发生45ʎ相互平行的斜裂缝.临近结构失效时,斜裂缝发展至梁顶,同时沿梁下主筋发生斜脚裂缝.裂缝产生主要原因有结构设计配筋不足,混凝土截面尺寸不足,载荷估计不足等[35].
空心板桥载荷横向分布通常采用铰接板法进行计算,假定铰缝只传递剪力,横向弯矩对传递载荷的影响较小.随着有限元技术的大力发展,通过影响面求解桥梁结构载荷空间分布已变得简单易行,结构计算的精度得到进一步提升.此外,还可以通过实体有限元技术对结构进行精细化分析,突破常规计算的多项假定,获得更加真实的结构分析[67].
对于多梁式结构,通常采用载荷横向分布求解结构内力,空心板桥各构件抗弯刚度及抗扭刚度对多梁式结构载荷横向分布有较大的影响[1].通常对空心板的设计计算均不考虑防撞墙对边板刚度的贡献,只以载荷形式计入防撞墙对结构的影响.事实上防撞墙与空心板边板之间存在可靠的连接,当活载及二期铺装载荷作用时,防撞墙与边板可以共同承担载荷.防撞墙的存在使得边板抗弯刚度和抗扭刚度增加,形心位置提高,可使边板承担更多活载荷.本文以某匝道桥为背景,对空心板桥边板受力进行分析,并考虑防撞墙对边板受力性能影响.研究主要从2个层次进行展开:第1个层次以初等梁理论为基础,以传统空间计算理论对结构进行分析,通过对比得到相应的内力㊁应力㊁变形规律;第2个层次结合实体有限元与结构典型病害对结构进行进一步分析探讨,得到相应的规律.
1空心板边板空间杆系受力性能分析以初等梁理论为基础,通过铰接板法与空间梁格法对边板进行分析.分别将防撞墙以载荷形式和结构形式计入进行边板受力性能分析,进而探究梁端斜裂缝产生的原因.
1.1边板截面特性
考虑防撞墩对截面特性的影响,质心坐标是以截面左下角为参考点,列出2种截面形式的截面特性如图2所示[8].
图2截面形式示意图
F i g.2D i a g r a mo f c r o s s s e c t i o n f o r m s
(a) 无防撞护栏截面;(b) 有防撞护栏截面.
由表1可知,当以结构形式考虑防撞护栏时,防撞护栏会使边板抗弯刚度和抗扭刚度增加,形心位置提高.
表1截面特性参数表
T a b l e1C r o s s s e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e r s
截面形式面积/mm2截面惯性矩/mm4
I x x I y y 质心坐标/mm x y
考虑防撞护栏787809.951.90ˑ10119.74ˑ1010250.00732.64不考虑防撞护栏474842.953.68ˑ10105.72ˑ1010432.11405.60
1.2边板恒载效应
(1)以载荷形式计入防撞墙作用.采用M I D A S/C i v i l建立有限元模型如图3,空心板桥恒载主要考虑结构自重+二期铺装+防撞墙载荷.
(2)以结构形式计入防撞墙作用.采用M I D A S/C i v i l建立有限元模型如图4,分别建立空心板与防撞墙模型,两者通过刚臂连接,并考虑不同施工阶段防撞墙对结构产生的影响.由于施工工艺的不同,防撞墙受力产生不同的结果,此处考虑施工过程为空心板拼装ң浇筑铰缝ң浇筑防撞墙ң桥面铺装
.
图3防撞墙以载荷形式计入防撞护栏
F i g.3R e c k o n i n g t h ea n t i-c o l l i s i o nb o a r d i n t h ea n t i-
c o l l i s i o n g u a r
d r a i l s i n t h
e
f o r mo f l o a d
851沈阳大学学报(自然科学版)第30卷Copyright©博看网 . All Rights Reserved.
图4 防撞墙以结构形式计入防撞护栏
F i g .4 R e c k o n i n g
t h ea n t i -c o l l i s i o nb o a r d i n t h ea n t i -c o l l i s i o n g u a r d r a i l s i n t h e f o r mo f s t r u c t u r e
(3
)边板恒载效应.通过2种不同方法建立有限元模型,对简支空心板桥不同施工阶段进行结构分析,获得相应结构效应,探索结构恒载时结构力学性能.
由表2分析对比可知,以结构形式计入防撞
护栏对空心板边板的受力性能有相对的改善作用.防撞护栏可减少边板20.1%的恒载弯矩,相应减少边板20.1%的挠度;
防撞护栏可减少边板14.3%的恒载剪力.
实际施工过程中,不同的施工顺序和不同的施工工艺对结构产生的影响均不同,若通过先浇筑安装防撞墙,再完成结构桥面铺装,空心板边板受力将得到较大的改善.表2 边板恒载效应对比
T a b l e2 D e a d l o a de f f e c t o f e d g
es l a b 结构形式结构部位预 制 阶 段
跨中弯矩/(k N ㊃m )梁端剪力/k N 变形/mm 二期铺装阶段
跨中弯矩/(k N ㊃m )梁端剪力/k N 变形/mm
无防撞护栏边 板
572.411618.6878.0197.3
28.6
有防撞护栏
边 板572.411618.6701.5169.122.8防撞护栏
89.5
67.5
4.3
1.3 边板活载效应
预制拼装的预应力混凝土空心板桥属于多梁式结构,它的受力特性属于空间结构的范畴.对于活载效应通常采用活载横向分布计算法和空间有
限元法等方法进行求解[7].
本文的研究模型采用无防撞护栏模型与考虑防撞护栏模型(防撞护栏为附加 梁 计入,并与边板采用较密弹性连接刚
性连接).原结构设计载荷为汽车超20和挂车
120,现结构实际载荷为公路Ⅰ级.根据计算可知,汽车超20与公路Ⅰ级作用效应一致,故取挂车120与公路Ⅰ级载荷进行探索,以边板不利加载位置进行加载.边板不利加载时各板内力分布如图5㊁图6所示.
表3 边板活载应力㊁变形值
T a b l e3 L i v e l o a d s t r e s s a n dd e f o r m a t i o n v a l u e s o f e d g
es l a b 活载形式结构形式上缘应力/M P a
下缘应力/M P a
剪应力/M P a
边板变形/mm
挂车120无防撞护栏-8.1
8.3
1.3
22.8
有防撞护栏-11.15.81.511.4公路Ⅰ级
无防撞护栏-5.95.80.817.0有防撞护栏
-7.8
3.8
1.1
8.
1
图5 边板不利加载时各板弯矩分布图
F i g .5 B e n d i n g m o m e n t d i a g
r a mo f e a c h s l a bw h e n t h ee d g es l a b i s u n f a v o r a b l y l o a d e
d 图6 边板不利加载时各板剪力分布图
F i g .6 S h e a r f o r c ed i a g
r a mo f e a c h s l a bw h e n t h e e d g es l a b i s u n f a v o r a b l y
l o a d e d 9
51第2期 王 龙等:防撞护栏对简支空心板边板受力性能的影响Copyright©博看网 . All Rights Reserved.
通过图5㊁图6和表3分析可知,以结构形式
计入防撞护栏,防撞护栏与边梁承担更多活载弯矩与剪力,使得其余各板跨中弯矩与梁端剪力相应降低.而边板活载弯矩降低53%,跨中截面上缘压应力增长2M P a ,截面下缘拉应力降低2.5
M P a ;边板活载剪力增大21%~40%,
梁端剪应力增加15%~20%.防撞护栏对边板总体作用为降低边板活载弯矩效应,加剧活载剪力效应.
防撞护栏结构可减弱边板恒载效应,使边板刚度增大,结构活载内力更多分配于边板与防撞护栏.由于防撞墙与边板存在较大偏心,防撞护栏将分担边板活载弯矩,但由于防撞护栏截面有限,
故分担活载剪力较小,使得边板梁端活载剪力增大,增大了边板梁端开裂的风险.
2 空心板边板精细化受力性能分析
空心板桥实际为外部静定㊁内部超静定结构.
通过空间杆系有限元对空心板结构进行分析可得到的相关结论并不能完全解释空心板内部超静定,初等梁理论存在较多假定,梁板内应力分布并不均匀,需进一步对结构细部进行探讨,得到结构细部应力分布规律[6,9]
.
2.1 精细化有限元模型建立
采用A D I N A 通用有限元软件进行精细化有限元模型建立,并进行分析,建模过程中,假定铰缝与各板连接可靠,无相对滑移㊁错动.精细化有限元模型如图7㊁图8所示.
图7 无防撞护栏结构模型
F i g
.7 M o d e l o f s t r u c t u r ew i t h o u t a n t i -c o l l i s i o n g u a r d r a i l
s 图8 有防撞护栏结构模型
F i g
.8 M o d e l o f t h es t r u c t u r ew i t ha n t i -c o l l i s i o n g u a r d r a i l s 2.2 加载制度
结构恒载效应包括结构自重,桥面铺装.以结构形式计入防撞墙效应时,施工顺序为先浇筑防撞墙,再进行桥面铺装施工.
空心板桥活载效应,以公路Ⅰ级车辆载荷与挂车120载荷进行局部加载分析,不考虑冲击效应.通过杆系模型影响面分析,得到不同等级㊁形式活载作用下边板跨中弯矩最不利加载位置和梁端剪力最不利加载位置,在实体结构相应位置施加集中载荷.
2.3 边板恒载效应
空心板边板恒载等效应力图如图9㊁图10所示.图9 无防撞墙边板等效应力图
F i g .9 E q u i v a l e n t s t r e s sm a p o f e d g
es l a b w i t h o u t a n t i -c o l l i s i o n g u a r d r a i l
s
图10 有防撞墙边板等效应力图
F i g .10 E q u i v a l e n t s t r e s sm a p o f e d g
es l a b w i t ha n t i -c o l l i s i o n g u a r d r a i l s
由表4分析可知,以结构形式计入防撞护栏
对空心板边板的受力性能有相对的改善作用.防撞护栏可减少边板恒载弯矩和剪力.
表4 边板恒载效应对比
T a b l e4 D e a d l o a de f f e c t c o m p a r i s o no f e d g
es l a b 结构形式结构部位预制阶段
跨中弯矩/(k N ㊃m )梁端剪力/k N 变形/mm 二期铺装阶段
跨中弯矩/(k N ㊃m )梁端剪力/k N 变形/mm
无防撞护栏边 板
625.414519.8884.6214.0
28.1
有防撞护栏
边 板625.414519.8754.6215.023.9防撞护栏
64.6
57.6
5.0
061沈阳大学学报(自然科学版) 第30卷
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2.4边板活载效应
(1)边板跨中弯矩最不利载荷作用效应.活载作用下边板等效应力分布如图11㊁图12所示(公路Ⅰ级).
图11无防撞护栏边板等效应力图
F i g.11E q u i v a l e n t s t r e s sm a p o f e d g es l a b
w i t h o u t a n t i-c o l l i s i o n g u a r d r a i l s
图12有防撞护栏边板等效应力图
F i g.12E q u i v a l e n t s t r e s sm a p o f e d g es l a b
w i t ha n t i-c o l l i s i o n g u a r d r a i l s
(2)边板梁端剪力最不利载荷效应.活载作用下边板剪应力分布图如图13㊁图14所示(公路Ⅰ级).
图13无防撞护栏边板梁端剪应力图
F i g.13B e a m-e n d s h e a r i n g s t r e n g t h s t r e s sm a p o f
e d g es l a bw i t h o u t a n t i-c o l l i s i o n g u a r d r a i l s
图14有防撞护栏边板梁端剪应力图
F i g.14B e a m-e n d s h e a r i n g s t r e n g t h s t r e s sm a p o f
e d g es l a bw i t ha n t i-c o l l i s i o n g u a r d r a i l s 挂车120载荷作用结构应力分布图与公路Ⅰ级相似,故不再列出.
表5边板活载应力㊁变形值
T a b l e5L i v e l o a d s t r e s s a n dd e f o r m a t i o n v a l u e s o f e d g es l a b
活载形式防撞护栏形式跨中梁底拉应力/M P a梁端腹板最大剪应力/M P a
梁端内侧梁端外侧
跨中最大变形/mm
挂车120无防撞护栏6.41.601.9617.3有防撞护栏4.81.501.959.7
公路Ⅰ级无防撞护栏4.00.820.9810.9有防撞护栏2.90.791.075.9
表6不同载荷形式边板活载内力
T a b l e6I n t e r n a l f o r c eo f e d g es l a bu n d e r d i f f e r e n t f o r m s o f l i v e l o a d
活载形式考虑防撞护栏形式跨中弯矩/(k N㊃m)梁端剪力/k N梁端腹板剪力/k N
梁端内侧梁端外侧
挂车120无防撞护栏412.9134.047.886.2
有防撞护栏230.1249.084.1165.5
公路Ⅰ级无防撞护栏253.1102.138.164.1
有防撞护栏141.8131.042.289.5
通过表5㊁表6分析可知:采用精细化实体单元计算空心板结构时,假定铰缝与各板连接可靠,无相对滑移㊁错动,与铰接板理论计算结果相比,结构整体性更好,结构内力㊁应力㊁变形分布更加均匀.不考虑防撞护栏时,与初等梁理论相比,边板内侧腹分配剪力为37%,外侧腹板分配剪力为63%;考虑防撞护栏时,边板活载剪力效应增加30%~80%,与初等梁理论相比,边板内侧腹分配剪力为32%,外侧腹板分配剪力为68%,防撞墙使得截面中性轴向上㊁向外偏移,剪切效应最大位
161
第2期王龙等:防撞护栏对简支空心板边板受力性能的影响Copyright©博看网 . All Rights Reserved.
置相应发生变化,剪力峰值向支座靠近,外腹板受力更为不利.
3结语
通过现场实桥调研和空间有限元模拟分析表明,考虑防撞墙作用时,对边板实际受力性能存在一定的影响.
(1)铰缝的传力性能对空心板桥整体性能有较大影响,假定铰缝与各板连接可靠,无相对滑移㊁错动和只传递剪力相比,边板活载效应值减小25%左右.
(2)若防撞护栏连续且与边板连接可靠,可分担边板恒㊁活载弯曲效应.可降低边板约20%恒载弯矩及挠度,可降低边板约50%活载弯矩及活载挠度.
(3)不同活载类型,不同活载组成对空心板桥边板梁端剪力影响较明显.挂车120验算载荷作用时,梁端活载剪力分配对结构更为不利.
(4)与初等梁理论相比,精细化计算方法得边板内侧腹分配剪力32%~37%,外侧腹板分配剪力63%~68%,外腹板受力更为不利,加剧了边板外腹板斜向开裂的风险.
(5)考虑防撞护栏的影响时,活载剪力效应增加,原结构设计剪力效应考虑不足,加剧了梁端斜向开裂.
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W a n g L o n g1,G u o Y u a n k a i1,Y a nQ i a n g2,S u nY a n f e i1
(1.S c h o o l o fH i g h w a y,C h a n g a nU n i v e r s i t y,X i a n710064,C h i n a;2.B e i j i n g F i r s t R o a dM a i n t e n a n c eE n g i n e e r i n g C o., L t d.B e i j i n g100000,C h i n a)
A b s t r a c t:I no r d e r t o a c c u r a t e l yg r a s p t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f t h e s i d e b o a r d o f s i m p l y s u p p o r t e d h o l l o ws l a b s a n dt h ec a u s e so f t h et y p i c a ld i s e a s e so f t h eh o l l o ws l a b s,t h ed e a d-l o a da n dl i v e-l o a d e f f e c t s o f t h e s i d eb o a r do f s i m p l y s u p p o r t e dh o l l o ws l a bb r i d g e sw e r ec o m p a r e da n da n a l y z e du s i n g M i d a s a n dA d i n a f i n i t e e l e m e n t p r o g r a m s,a n d t h e d i f f e r e n c e s o f a n t i-c o l l i s i o n g u a r d r a i l s e f f e c tw h i c h w a s j u s t d e e m e d t o a u n i f o r ml o a d o r a s o n e p a r t s o f t h e b r i d g ew a s t a k e n i n t o c o n s i d e r a t i o n.T h r o u g h t h ea n a l y s i s,i t h a s o b v i o u si n f l u e n c e o n t h e s t r u c t u r et h a tt a k i n g t h ei m p a c t o fa n t i-c o l l i s i o n g u a r d r a i l s a s o n e p a r t s o ft h e b r i d g e o n t h e m e c h a n i c a l b e h a v i o r o f h o l l o w e d g e s l a b si n t o c o n s i d e r a t i o n,a n do n eo f t h e i m p o r t a n t f a c t o r t h a tc a u s eb e a m-e n dd i g o n a l c r a c k sw a st h e l a c ko f c o n s i d e r a t i o no f l i v e s h e a r f o r c e.
K e y w o r d s:b e a m-e n dd i g o n a l c r a c k s;a n t i-c o l l i s i o n g u a r d r a i l s;e d g e s l a b;F E Ma n a l y s i s
ʌ责任编辑:赵炬ɔ261沈阳大学学报(自然科学版)第30卷Copyright©博看网 . All Rights Reserved.。