空心板桥体外预应力加固有限元数值分析
引言
目前在我国公路桥梁建设中，中小型桥梁构造物多采用装配式铰接板结构。各板问通过现浇的企口混凝土铰缝联结在一起，从而使作用于某一片板上的局部荷载分配给各板来共同承受，然而，如果铰缝或横向联结失效，则所有荷载将由该板单独承受，就形成了“单板受力”状态。单板受力状况的出现，使桥梁的承载能力和耐久性都大大降低，给行车安全带来了极大隐患。为有效避免和根治这一问题，现越来越多地采用对空心板施加横向体外预应力加固技术。而如何采用经济、有效的加固技术来解决桥梁中出现的“单板受力”问题已经成为当前桥梁界急需解决的课题。
1、工程背景
某环城高速公路桥梁上部为装配式预应力混凝土空心板（部分预应力A类构件）结构，跨径25m，下部结构为预应力混凝土盖梁、圆柱式墩、肋板式桥台及钻孔灌注桩基础。桥梁上部结构横断面布置图见图1所示
该桥投人运营已10年多，定期检查发现该桥存在许多病害，首先预制板问铰缝松动、脱落，以致空心板底面出现较严重横向裂缝；其次由于铰缝横向连接作用降低，在车轮的冲击荷载作用下，桥面行车道上的沥青面层普遍存在车辙和纵向贯通裂缝现象，纵向裂缝不均匀地分布在行车道铰缝的上方，逐渐形成一纵向破碎带，雨、雪、水等长期通过破碎后的铰缝渗入板底，从而铰缝渗水痕迹较为明显翻；另外，该桥空心板底板混凝土缺损、露筋严重，泛碱现象较为普遍。因此为评估施加横向预应力后桥梁的整体加固效果，而采用ANSYS有限元软件进行数值分析以模拟加固情况进行理论分析计算。
2、有限元模型建立
利用ANSYS软件对铰接板桥建立了空间实体有限元模型。铰缝和空心板均采用Solid45单元建立，每个节点有3个平动自由度，对于板桥的钢筋不予考虑。对于装配式铰接板结构旧桥而言，由于现浇铰缝混凝土的收缩，使得铰缝与空心板处新老混凝土问的黏结性能较差，空心板与铰缝基本是分离开的，故可近似以为板与铰缝在上缘处于连结状态，在下缘处是分离的。因此在建模时，可将铰缝与空心板分开建立，然后耦合空心板与铰缝上缘的自由度。
预应力钢绞线采用二三维杆系单元Link8单独建立，横向预加力则采用等效温度荷载施加，杆单元与实体单元间通过将同一位置处的节点对的自由度耦合来实现联结。
对空心板桥，横向预应力筋加固的布置顺序为：在顺桥向，从桥梁跨中算起，依次在距跨中为0m、2m和4m处各设置一横向体外预应力筋，共计5根。在竖桥向，体外预应力筋布置在空心板底下方6cm处的位置，预应力筋的两端与两侧边板相应位置处刚性连接，形成体外无黏结预应力体系。
预应力荷载则按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）的相关规定，按实际有效的横向体外张拉应力大于钢绞线标准强度的40%范同内取某一经济的吨位，本模型计算中预应力荷载大小设为173．3 kN/根。
分别在空心板Nl～N8号板纵向跨中处施加竖向单位荷载，先求得荷载横向分布影响线。汽车荷载布置首先用JTG D60—2004公路一I级标准车辆荷载由梁端走向梁尾，根据时程位移曲线分析车辆荷载纵向最不利位置，在求得纵向最不利位置后，再按最不利情况进行工况布载。
汽车荷载采用规范中的车辆荷载时，只考虑汽车荷载以点方式传递集中力，不考虑轮胎接触问题。
3、实体模型分析结果
3．1 荷载横向分布系数分析
为能对预应力施加后的加同效果进行评估，对预应力筋加固前后的N1一N4号板荷载横向分布影响线进行了对比分析，计算结果见图3所示。
为了能对空心板桥的加固效果进行具体评估，以各板挠度横向分布影响线竖标值的最大值及最小值的差值在加固前、后的变化作为评价加固效果的指标 ，则可以得到空心板施加横向预应力后的具体加同效果，计算结果如表1所示。
通过以上计算结果不难发现，横向体外预应力施加后各板的荷载横向分布影响线变得相对较为平缓，这表明荷载的横向分布由相对集中向变得相对
均匀方向转变，使得各板间的横向协同作用得以增强；同时也说明横向预应力施加后能较大程度地改善装配式预应力混凝土空心板桥荷载的横向分布规律，增大空心板桥的横向刚度和板问横向联系I I，从而减少了单板受力现象的发生，得以对空心板桥进行了加固。
3．2 位移分析
通过计算可以得到在体外预应力筋加同前后，各荷载T况下的结构竖向位移，计算结果如图4（第53页）及表2（第53页）所示。
比较预应力加同前后计算结果及位移云图可知：横向体外预应力筋加固后，位移云图有由盆状向带状方向渐变的趋势，表明桥梁的横向刚度增强，板问有由铰接渐变为刚接的趋势。表明施加横向预应力后，板间的相互作用增强，加固取得了效果。
4、小结
通过对比施加横向预应力加固前、后的计算结果可以看出，对装配式预应力混凝土空心板桥采用施加横向预应力的方法来进行加固，能够较有效地改善其荷载横向分布规律，增强空心板桥梁结构间的横向联系，从而减少和避免了单板受力现象发生，且横向体外预应力加固效果相对较为明显。
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