ganggouren
作者：丁浩 李睿 莫靖 李晓章 刘迪
昆明理工大学建筑工程学院
Abstract
体外预应力概念最早源于法国,是后张预应力体系的重要分支之一,通常采用大直径钢筋、钢绞线、高强钢丝等作为张拉施力工具,对梁体进行预应力处理,此方法可有效减轻结构的应力水平,并能起到加固卸载和改变结构内力分布等作用,同时可提高结构的承载力、抗裂性和刚度。体外预应力加固法是在原桥梁体外侧,根据主梁的受力特点合理地布置钢束形状,张拉后对梁体有加劲作用,使主梁截面应力重新分布,降低主梁截面的应力水平,减少原有桥梁结构的整体变形值和应力值。体外预应力钢束与原桥主梁协同工作使得梁体的抗力增大,在原桥自重增加很小的情况下可大幅度提高结构承载力;加固过程中设备简单,人力投入少,施工快捷便利,对交通影响较小,可不中断交通或者短时间内限制交通;对原结构损伤小,不需要增大杆件截面或改变桥梁结构受力体系,对桥下净空和路面标高影响较小,所用钢束可调可换,便于使用期间进行维护。但体外预应力法在加固钢桁架结构中研究较少,相关理论相对缺乏,且由于世界经济快速发展,各地区交通流量和荷载等级不断增加,部分大跨度钢桁架桥由于原有设计荷载等级较低,在现行荷载作用下产生了过大的挠度和应力,承载力难以满足现行使用要求,因此对采用体外预应力法提载加固钢桁架桥进行研究,显得更为迫切。
以奥莫河桥为研究对象,采用有限元软件建立三种加固方案的全桥模型,对比分析在三种类型体外预应力加固后钢桁架桥的强度、刚度、稳定性变化,综合评价桥梁承载能力,得到对此钢桁架桥提载加固最适宜的加固方案,以期望对以后类似钢桁架桥体外预应力加固起到参考作用。
结果表明:三种体外预应力加固方案对此桥均能达到提载效果,且随着所用钢绞线数量的增加其结构强度、刚度、稳定性呈非线性提高,节点板低应力分布区逐步改善,此桥采用 11 根一束单转向折线形体外预应力钢束进行加固,是最实用、合理的加固方案。
Abstract
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引 言
钢桁架桥常用加固方法有增大杆件截面、改变桥梁结构体系、采用体外预应力等。增大杆件截面是利用高强螺栓或焊接方式将新增 P 分与原有构件进行拼接以提高刚度和承载力,但此方法只适用于完全卸载的钢桁架桥;改变桥梁结构体系,如增设斜拉索、系杆拱或悬索,以减小杆件应力,但此方法造价高且施工难度大;体外预应力法是在梁体外增设预应力钢束,通过施加预应力对原结构卸载,使钢桁架桥产生反拱作用,通过预应力产生的内力与荷载的抵消,改变原结构的内力和应力分布,减少原有桥梁结构的整体变形值和应力值 ,提高钢桁架桥承载能力,达到节省材料的目的。本文以奥莫河桥为例,运用有限元软件模拟三种类型体外预应力加固,对比分析三种类型预应力加固后钢桁架桥的强度、刚度、稳定性变化,综合评价桥梁承载能力,得到对此钢桁架桥提载加固最适宜的钢绞线数量,以期对以后类似钢桁架桥体外预应力加固起到参考作用。
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工程概况
奥莫河桥横跨奥莫河,位于埃塞俄比亚和肯尼亚与南苏丹三个国家的农业区交汇点。此桥主跨为128 m 的下承式简支钢桁架桥(图1) ,两侧引桥均为 36 m 钢筋混凝土箱梁。主跨分为 16 个节段,每段长 8 m,主桁高 9 m,每个主桁由 2 个桁架片组成,主桁中心距 9. 35 m;主桁之间布设纵梁,间距2.48 m。该桥杆件采用材料BS4360-1972 Grades 43A、50B、55C。桥面布置 2 个行车道,行车道宽度为 7 m。该桥原设计荷载为AASHTOHS-20-44,已不满足当前使用要求, 需将其荷载等级升级为AASHTO-HS-25,故对该桁架桥进行提载加固。
图 1 实桥立面
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加固方案及建模分析
2.1 加固方案
对于钢桁架桥的加固,折线形体外预应力钢束的加固效果要优于直线形体外预应力钢束加固效果。采用 3 种不同根数的体外预应力进行加固比较,将 4 束 (每束分别为 7, 9, 11 根 ϕ15.2 的1860 MPa)高强度低松弛预应力钢束布置在两侧主桁架下弦杆,将钢束从跨中位置开始向两端设置成折线形。张拉应力取钢绞线标准强度的 60%,张拉锚固端设置在大桥两端,在大桥桁架端部设置250 mm×350 mm×1300 mm 钢梁作为张拉端横梁。预应力钢束导管为外径 110 mm、壁厚 6.6 mm 的高密度聚乙烯管道,在完成张拉后对管道进行压浆保护,每根管道进、出浆口设置在锚垫板上。体外预应力钢束在主桁的布置位置如图2所示。
图 2 体外预应力束布置位置
2.2 建模分析
2.2.1 材料参数
原桥设计时所选材料BS4360-1972 Grades43A、50B、55C, 加固所采用体外预应力钢绞线特性如表1所示。
表 1 材料参数
2.2.2 结构模拟
1)桥面系由纵、横梁组成的梁格体系,桥面板质量当作恒载加在纵梁上; 2)主桁杆件连接采用刚性连接处理; 3)大桥的节点板、桥面铺装、防撞 护栏、桥梁附属设施等对桥梁结构产生的荷载效应均等效为均布力或集中力加在相应的杆件和节点上; 4)边界条件,共 4 个支座,从原点逆时针为支座 1~4,支座1约束x、y、z应在相应图中标出平动,支座2约束yz平动,支座3约束z平动,支座4约束xz 平动。
2.2.3 荷载分析
1)钢桁架桥自重按照所选钢材重量加载; 2)混凝土桥面板等效荷载,横截面积为 2×0.45×0.5+7×0.25 = 2.2 m2,取容重 γ = 26 kN/m3,即每根纵梁承担 14.3 kN/m 的荷载；3)桥面系两侧防撞栏按照每延米 10 kN 的均布力加载在两侧下弦杆上; 4)活载根据美国公路桥梁设计规范,取加固后要求的设计荷载为HL-93truck级荷载。其中车道荷载的均布荷载标准值 q = 9.34 kN/m,车辆荷载标准值由三个集中荷载 35.6,142.3,142.3 kN 组成,间距分别为 4.27,4.27,9.14 m,全桥布置 2 个车道(图3) 。
图 3 全桥模型
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加固效果
3.1 加固强度分析
图4~7表示加固前后各杆件应力值分布,表2列出各杆件应力峰值及其变化。体外预应力钢束加固后杆件各等分段应力值减小率不同,支点处应力值减小率约是 1/4 跨径处的 2 倍,约是跨中处的 3倍。随着加固所用钢绞线数量的增加,预应力产生的反拱应力对荷载抵消愈多,其纵梁、横梁、上弦杆、下弦杆的应力值愈得到改善,应力改善的幅度也在不断递增,提载加固效果更加明显。经过有限元软件计算得知,每束 11 根钢绞线的加固是奥莫河大桥强度提高最大的加固方案,加固后大桥强度提高15%以上。
图 4 纵梁应力分布
图 5 横梁应力分布
图 6 上弦杆应力分布
图 7 下弦杆应力分布
3.2 加固刚度分析
由图8知,大桥未加固前在HL-93级荷载作用下跨中最大挠度为 154 mm,加固后在同一荷载下挠度明显降低,每束 7 根钢绞线、每束 9 根钢绞线、每束 11 根钢绞线加固后跨中挠度分别降低 50,55,61 mm,结构1阶模态的自振频率由 0.91 Hz 分别增大至1.12,1.15,1.17 Hz(表3),随着钢绞线数量的增加,结构的自振频率不断增大,大桥整体刚度也在不断增加,每束 11 根钢绞线加固时，此桥的刚度提高最多。
图 8 活载作用下挠度分布
表 3 桥梁自振频率
表 4 挠度变化
3.3 加固疲劳验算
对于钢桥而言,疲劳验算是一个重要的研究指标。疲劳是由于活载在桥上循环作用,导致局部杆件的材料组织发生永久变形,经过一定时间的循环后形成裂纹并不断扩展,使杆件承载力下降,最终导致钢桥发生破坏。
为了研究钢桁梁桥采用体外预应力法加固后疲劳荷载应力幅的改善情况,根据《公路钢结构桥梁设计规范》中给出的疲劳荷载M1进行加载,得出三种类型钢束加固后各杆件的应力幅如图9所示。可知,随着加固所用钢绞线数量的增加,除纵梁外钢桁梁桥,其余杆件的疲劳应力幅值不断降低。
图 9 构件疲劳应力幅
3.4 加固稳定性分析
对大桥进行整体稳定性分析,根据初始缺陷更新后的模型,用于几何非线性分析和材料非线性分析,根据大位移几何非线性求得稳定临界荷载系数。
工程上常用的评定标准为大位移几何非线性稳定临界荷载系数应不小于 5.0 ,由表5可知大桥加固后稳定临界荷载系数由 4.59 分别增大至5.711、5.797、5.965,即达到 5.71 以上,稳定性具有较大的改善,每束 11 根钢绞线的方案中临界系数提高最多。
表 5 临界荷载系数
3.5 加固刚度分析
钢桁架梁桥的节点板是斜杆与弦杆相交点,由于其构造和受力复杂,受力时应力分布不均匀,存在裂纹的高发区,所以节点板的受力性能和状态在钢桁架梁桥的计算中广受关注。本节点板模型的精确计算采用空间实体单元进行模拟。
表6为节点板加固前后应力分布区的变化,可知:未加固前节点板高应力与次高应力区面积占比较大且部分螺孔位于该区域内,节点板易发生撕裂破坏;随着钢绞线数量的增加,低应力区面积不断增大,高应力区与次高应力区面积减小,处于潜在撕裂区的螺孔数量不断减少,节点板发生撕裂破坏的概率减小;采用每束 11 根钢绞线的体外预应力加固后,节点板应力分布改善幅度最大,低应力区面积增大并占据总面积的 4/5 以上,是最适宜的加固方案。
注:内侧为靠近行车道侧,外侧为桥梁外侧
图 10 有限元模型
a—外侧节点板应力分布; b—内侧节点板应力分布。
图 11 未加固前节点板应力分布 MPa
a—外侧节点板应力分布; b—内侧节点板应力分布。
图 12 每束 7 根钢绞线加固后节点板应力分布 MPa
a—外侧节点板应力分布; b—内侧节点板应力分布。
图 13 每束 9 根钢绞线加固后节点板应力分布 MPa
a—外侧节点板应力分布; b—内侧节点板应力分布。
图 14 每束 11 根钢绞线加固后节点板应力分布 MPa
表 6 体外预应力法加固前后节点板应力变化
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结 论
1)每束不同根数的折线形体外预应力钢束张拉后均对大桥有加劲作用,使得结构内力减小,达到提载效果。
2)随着加固所用钢绞线数量的增加,大桥提载幅度增大,大桥各杆件应力值减小,挠度降低、结构自振频率变大,大桥几何非线性和材料非线性的屈曲分析求得的临界荷载系数不断变大,结构稳定性得到明显改善,节点板高应力区和次高应力区面积不断减小,低应力区面积不断增大,应力分布更加合理。
3)体外预应力加固钢桁架桥会使下弦杆轴力增加, 当每束 13 根钢绞线加固时下弦杆压力达8113 kN,接近下弦杆失稳破坏的临界轴向压力8751 kN,截面稳定安全系数减小,故需控制钢束张拉数量,限制提载幅度。综合以上结果,对奥莫河桥提载加固采用每束 11 根单转向折线形体外预应力钢束是最经济、实用、适宜的提载加固方法,其效果突出,对原桥破损较小,能充分发挥原有杆件的使用功能。
来 源
丁浩, 李睿, 莫靖, 等. 基于体外预应力提载加固钢桁架桥研究[J]. 钢结构(中英文), 2021, 36(9): 33-39.
doi:10.13206/j.gjgS21041601
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