PC薄壁宽幅空心板纵向开裂原因分析及加固措施.pdf

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1、８０世界桥梁２０１７年第４５卷第２期（总第１８６期）PC薄壁宽幅空心板纵向开裂原因分析及加固措施１２１２吴后选，易汉斌，王剑，谭子翼（１．江西赣粤高速公路股份有限公司，江西南昌３３００２５；２．江西省交通科学研究院，江西南昌３３００５２）摘要：针对目前预应力薄壁宽幅空心板桥普遍发生的底板纵向开裂现象，以某高速公路薄壁宽幅空心板桥为背景，分别采用弹性地基梁比拟法、有限元法和足尺模型扭转试验法分析该桥空心板底板开裂原因。该薄壁宽幅空心板桥上部构造均为２０m后张法预应力混凝土宽幅空心板（混凝土为C４０），每跨横向各设

2、８片空心板。理论和有限元计算得出最大扭矩作用下空心板最大横向拉应力分别为２．２３MPa、２．３５MPa（角隅处），大于C４０混凝土抗拉强度设计值。基于荷载叠加原理进行了空心板足尺扭转试验，试验值与计算值趋势一致，进一步表明畸变效应是导致纵向开裂的主要原因。根据纵向裂缝的特征及其原因，提出采用粘贴钢板法对板梁进行加固，并运用有限元程序ANSYS计算了加固后板梁的横向拉应力，验证了加固方案的可行性。关键词：板梁桥；薄壁宽幅空心板；纵向开裂；开裂原因；理论分析；模型试验；加固措施中图分类号：U４４８．２１２；U４４５

3、．７１文献标志码：A文章编号：１６７１－７７６７（２０１７）０２－００８０－０５1引言桥涵设计规范枠（JTJ０２３－８５）（以下简称“公路桥规”）。预应力薄壁宽幅空心板由于结构自重轻、经济该桥于１９９７年建成通车，桥梁运营１０余年后，性好，自２０世纪９０年代广泛运用于我国桥梁建设发现主梁底板角隅位置处有纵向裂缝。当中。随着运营时间的推移，该类梁板陆续出现了［１‐４］板底纵向开裂现象。针对此现象，国内学者对其3病害原因分析进行了深入的探讨和仔细的研究，研究思路大多采3．1理论分析［６］用缩尺模型试验与理论分析相结

4、合的手段，找出影按照弹性地基梁比拟法的基本求解思路，首［５‐７］响板底横向拉应力变化的因素及其变化规律。由于尺寸效应的影响，缩尺模型所得结果能否直接用于大型构件值得商讨。本文以某高速公路上一座薄壁宽幅空心板桥为研究背景，采用弹性地基梁比拟法和有限元数值模拟，并结合足尺模型试验，分析了预应力薄壁宽幅空心板开裂的原因，并对加固措施进行研究。图1主梁横断面2工程概况某薄壁宽幅空心板桥上部构造均为２０m后张法预应力混凝土宽幅空心板，每跨横向各设８片空心板（见图１、图２），空心板宽１５５cm，高９０cm，顶、底板厚１０c

5、m，腹板厚１１cm，每片板各设１５根ASTMA４１６－９０a２７０级钢绞线（采用先张法张拉），混凝土为C４０。该桥桥面横向布置为：０．５m护栏＋１１．５m行车道＋０．５m护栏。该桥设计荷载：汽车－超２０级；挂车－１２０；人群荷载为３．５kN／m２，设计参考规范为枟公路钢筋混凝土及预应力图2空心板跨中截面收稿日期：２０１６－１０－２５基金项目：江西省交通运输厅科技计划项目（２０１４C０００１）作者简介：吴后选（１９７３－），男，高级工程师，１９９７年毕业于长沙理工大学路桥工程专业，获学士学位（E‐mail：１５０

6、０８４４４８５＠qq．com）。PC薄壁宽幅空心板纵向开裂原因分析及加固措施吴后选，易汉斌，王剑，谭子翼８１先采用铰接板法计算荷载横向分布系数，并求解出１号～４号空心板的扭矩影响线。计算结果（见表１）表明：在设计荷载作用下４号空心板的扭矩横向分布系数最大。因此本文以４号板为例，分析病害原因。表1空心板扭矩横向分布系数扭矩横向分布系数荷载等级１号板２号板３号板４号板汽－超２００．３０００．６４３０．６９６０．８５２挂车－１２００．１６５０．３１２０．５４５０．６２２图5底板横向弯矩解析解根据４号板荷载横向分布系数

7、及跨中扭矩影响线，求得４号宽幅空心板的扭矩T＝１８９．２kN·m，根据扭矩进一步求得畸变荷载和扭转荷载（见图３）。图6底板横向应力解析解由图５、图６可知，各级荷载下底板横向弯矩及横向应力呈反对称布置。当P＝１００kN时，１号点图3空心板畸变荷载示意横向弯矩M１＝６．２２kN·m、横向应力１＝１．７０［８］参考以畸变挠度表示的畸变微分方程以及ωMPa；当荷载P＝１３０kN时，求得M１＝８．１７kN·m、［９］箱梁畸变与弹性地基梁的相似关系，求得图４中１＝２．２３MPa，此时１号点的横向拉σ应力均大于A、B点的弯矩

8、。C４０混凝土抗拉强度设计值ftd＝１．６０MPa。由上述结果可知，薄壁宽幅空心板由扭转作用引起的畸变效应是导致底板纵向开裂的主要原因。3．2有限元分析采用ANSYS建立了空心板的实体模型，对于畸变荷载的施加，本文采用在Solid６５实体单元上赋予Surf１５４面单元，在面单元上施加均布力的方法以实现畸变荷载的施加。限于文章篇幅，数值仿真分析中只计算了荷载P等于８０kN、１００kN和１