大纵坡半山桥梁板与盖梁联接方式研究

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TechnologyofHighwayandTransport

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Vol.34摇No郾1摇摇Feb郾2018

DOI:10郾13607/j.cnki.gljt.2018郾01郾017

大纵坡半山桥梁板与盖梁联接方式研究

潘骁宇

(浙江交通职业技术学院路桥学院,杭州摇311112)

摘摇要:针对梁板端部与盖梁之间易出现相对滑动的问题,提出一种半弹性半刚性联接方法,采用下坡端刚性联接、上坡端弹性联接的处理方式。采用ABAQUS软件建立有限元数值模型,分析结构的破坏特征和变形特点,并结合实例分析不同坡度的梁板的受力情况,配置锚固钢筋。结果表明:该联接方式技术可靠、构造简单、施工便捷,适合于大纵坡路段半山桥结构的拓宽加固。

关键词:公路桥梁;半山桥;半弹性半刚性联接;纵向变位;数值模拟

文章编号:1009-6477(2018)01-0079-05摇摇摇中图分类号:U442郾5摇摇摇文献标识码:A

StudyontheConnectionModebetweentheHalf-MountainBridgesand

GirdersonLargeLongitudinalSlope

Abstract:Aimingattheproblemofrelativeslidingbetweentheendofgirderandcoverbeam,asemi-elasticsemi-rigidconnectionmethodwasproposedwhichadoptedtherigidconnectionatthedownhillendnumericalmodeltoanalyzethefailurecharacteristicsanddeformationcharacteristicsofthestructure.Andthestressconditionsofgirderplateswithdifferentslopeswereanalyzedincombinedwithconstructionmountainbridgeonlargelongitudinalslopes.displacement;numericsimulation

andtheelasticconnectionattheuphillend.ABAQUSsoftwarewasusedtoestablishthefiniteelementpracticestofurnishanchoringreinforcement.Theresultshaveshowedthattheconnectingmethodisreliable,simpleandeasytoconstruct.Itissuitabletowidenandstrengthenthestructureofthehalf-Keywords:expresswaybridge;half-mountainbridge;semi-elasticsemi-rigidconnection;longitudinal

PANXiaoyu

摇摇随着社会经济的高速发展,山区公路建设越来越为各地所重视,从公路选型、定线到设计、施工,直至维修、加固等各个环节,都要符合经济、环保和美观的要求。20世纪90年代以后,我国山区公路建设出现大量道路拓宽工程[1],其拓宽技术显得日益重要。山区公路地理位置特殊,大多依山谷河道,地质条件复杂,路基和边坡面积所占比例较大,采用开挖、开凿等拓宽施工方式,易出现山坡或崖坡失衡,甚至诱发滑坡等严重灾害,建设过程时常面临较大的挑战。工程界有关学者对山区公路的拓宽改造已进行了一定的研究、探索和实践[2-4],并取得了一定的成果,但在拓宽方法的选择上仍存有较大分歧,且

对于关键的拓宽加固技术要点和难点,如新老路基间不协调变形的处理方式、道路拓宽结构进行受力分析模型等鲜有深入分析,为工程推广和应用带来了一定的困难。

本文依托龙泉市凤阳山区通景公路改建工程,采用大纵坡半山桥拓宽方案,在梁板端部和盖梁间运用半弹性半刚性的联接方式,经实践和研究分析,该加固技术可满足生态、环保、经济等诸多要求,为同类工程的设计和施工提供参考与借鉴。1摇改建工程概况

龙泉市凤阳山区通景公路位于龙泉市东南部山

基金项目:浙江省公路管理局公路科研项目(2016-2-28);浙江省教育厅一般科研项目(Y201635238)收稿日期:2017-09-13

作者简介:潘骁宇(1990—),女,浙江省桐乡市人,硕士,助教。

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岭地区,是S53省道与S54省道的一条重要连接线。2009为满足日益增长的交通需求和旅游发展需求桩基年对该公路进行了改建4750延米/663根,立柱。改建工程涉及桥梁,当地于座,1040延米/249根14,盖梁346根,桥台及台帽28个。桥位处弯道半径小,纵坡大,基础均为岩基,桥梁跨径均采用6~8m小跨径。桥梁上部采用现浇多孔普通钢筋混凝土连续板梁。

为尽可能保持原有自然生态环境,尽量减少对植被的破坏,对凤阳山周边开展了动植物、地下水和土壤、地质条件、地理气候条件、路基填挖平衡等调研,并通过线路设计与施工、环保和经济的分析,对个别路段采用半山桥的拓宽方案。拓宽前后照片如图1所示。

(a)拓宽前

图1摇凤阳山区通景公路同一路段拓宽前后对照

(b)拓宽后

工程中提出的半山桥路基是一种“组合式冶的路基,指一幅桥梁,另一幅半填半挖、填方或挖方的路基结构,是近年来出现的一种较为新颖的山区公路拓宽技术。相对于公路拓宽工程中常用的开挖弃土及填方、圬工挡墙、半山桥路基,以及整体悬挑式结构、预应力锚索挡墙、轻型锚杆挡墙等传统结构形式,半山桥结构具有易施工、占地少、工程投资省、平纵线形协调统一和横向联系紧密等优势。半山桥与龙泉山区特有的地形、地貌特征相融合,可减少对自然环境的干扰与破坏,使公路与自然环境达到协调统一。本工程采用的半山桥结构横断面示意如图2所示。

单位:cm

图2摇半山桥结构横断面示意图

2摇半山桥结构梁板联接分析

半山桥在国内同类工程中运用较少,针对此类结构重要部位的设计和施工等方面的研究较少,缺乏可以借鉴的实例。本文对凤阳山区半山桥纵向位移进行分析后,提出采用半弹性半刚性联接方法,并进行介绍和分析。

2郾1摇大纵坡半山桥纵向位移分析

根据JTGD20—2006《公路路线设计规范》[5]本工程在设计时属3级公路,改建工程路段位于地,

形、地质等自然条件较复杂的山区。在本改建工程的设计和施工过程中,面临路线弯道半径小、纵坡大3等问题,特别是在K59+150~K62+160路段出现了

过了km连续纵坡JTGD60—2015《,部分路段平均纵坡甚至达到公路桥涵设计通用规范8%》[6],超的

要求,这给大纵坡桥梁纵向限位带来了一定的困难。连续下坡路段较多时,可能导致纵坡上搁置于盖梁处的梁板下滑。因此需对梁板端部与盖梁联接方式进行特殊的加固设计。

特殊情况下,导致大纵坡桥产生下滑位移的重要原因还有温度变化、结构自重引起过大的下滑力、汽车频繁地制动和加速以及大纵坡公路桥梁支座受力变形过大。目前,为减小梁体纵向下滑位移,可采用合理布线、设置梁底调平钢板、设置支座限位装置、设置纵向挡块和设置墩梁固结等限位方式[7-8]2郾2摇半弹性半刚性联接方法

。

由于本工程平均纵坡超过5%,普通限位方式已无法满足要求,故提出采用梁板端头与盖梁进行弹性联接或刚性联接的联接方式。在下坡端,采用

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刚性联接的方式,在浇筑盖梁的同时将锚固钢筋预置在相邻台阶之间,下部与盖梁一起浇筑;待现浇上部板梁时,再将锚固钢筋另一端现浇入板梁,如图3(a)盖梁的同时所示。在上坡端,将8cm,PVC采用弹性联接的方式管预置于相邻台阶之间,在浇筑,

待现浇上部板梁前,将锚固钢筋插入,同时以70号沥青密封PVC管与钢筋之间的空隙,并通过70号沥青的弹性模量来达到弹性联接的目的,最后将锚固钢筋的另一端现浇入板梁,如图3(b)所示。图3中,iz%,ih%分别代表梁板在顺桥向与横桥向的坡度。在连续梁中,一般在中间桥墩处设置刚性联接,其余墩台设置为弹性联接。为使梁板与盖梁顶面结合紧密,需在结合处垫油毛毡。

(a)刚性联接

图3摇梁板端头与盖梁的联接处理

(b)弹性联接

3摇模拟分析

采用大型商业软件ABAQUS对梁板联接方式进行数值模拟。由于下坡端的刚性联接方式比弹性联接更容易出现破坏,因此有限元分析仅考虑刚性联接的联接方式。

计算模型采用实体模型,以单跨简支梁为研究对象,选取单位板宽的隔离体为分析对象,模型中的钢筋与混凝土部分选用C3D8R(六面体缩减积分单元)作为单元体模型,计算模型与网格划分如图4所示。模型的边界条件为盖梁底部完全固结,为简化计算,不考虑梁板与盖梁间的滑动摩擦力。对模型结构特征和材料特性假定如下:1)混凝土与钢筋的材料是均匀、连续的各向同性材料。2)混凝土的本

构关系采用弥散开裂模型,钢筋的本构关系为理想弹塑性模型。

(a)模型部件图摇4摇摇摇计算模型及网格划分

(b)实体模型摇摇摇(c)网格划分

结构破坏时,混凝土梁板与盖梁的Mises应力云图如图5所示,钢筋表面的Mises应力云图及位移矢量图如图6所示。由图5、图6可知,在结构出现破坏时,混凝土梁板与盖梁交界位置先出现开裂,此时钢筋仍处在弹性阶段。随着混凝土裂缝的开展,在弥散开裂模型中,后续将进入“拉伸硬化冶阶段,钢筋在开裂区起荷载传递的作用。

单位:MPa

图5摇混凝土梁板与盖梁Mises应力云图

单位:MPa摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇单位:mm

(a)图钢筋应力云图6摇钢筋表面应力分布及位移矢量图

摇

摇摇摇摇

(b)钢筋位移矢量图

分析图6(b)可知,钢筋在梁板与盖梁交界位置出现大变形,在其他位置,由于钢筋与混凝土建立了良好的锚固,位移较小。同时,在受力过程中,钢筋表现为受拉与剪力的共同作用。根据混凝土结构的极限状态设计方法[9]假设梁板与盖梁间产生了较大的相对位移,在承载能力极限状态设计时,结构达,

82公摇路摇交摇通摇技摇术摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇第34卷摇

到破坏的临界状态,锚固钢筋发生倾斜,主要以受拉的形式承受水平力。而在正常使用极限状态设计时,梁板与盖梁之间不发生相对滑动,锚固钢筋正常工作,垂直于二者的接触面,主要以受剪的形式承受水平力。因此,应对以上2种极限状态分别进行设计。

4摇实例计算

为了对该联接方式的有效性进行验证,选取本工程中2座不同纵坡的桥梁进行锚固联接计算。2座桥梁的设计参数如表1所示。

表1摇2座桥梁设计参数

参数跨径/m拼宽部分净宽/m

梁高/m纵坡/%横坡/%平面曲线设计荷载材料

1号桥2伊84郾570郾41郾801郾81

缓和曲线,R=109郾16m

公路-域级

梁板、盖梁、立柱采用C30混凝土、

HRB335钢筋刚性联接:1号墩弹性联接:0号台、2号台

5号桥4伊84郾400郾48郾02郾0

部分位于缓和曲线,半径R=120m

公路-域级

梁板、盖梁、立柱采用C30混凝土、HRB335钢筋

刚性联接:2号墩

弹性联接:0号台、1号墩、3号墩、4号台

墩台处梁板与盖梁联接方式

摇摇由表1可知,2座桥梁的单跨跨径、梁高、横坡、平面线形、设计荷载和材料等参数都基本一致,主要区别在于纵坡不同。根据JTGD60—2015《公路桥涵设计通用规范》

[6]

用。2座桥梁在锚固区的配筋情况如表2所示。锚固钢筋的布置示意如图7所示。

表2摇锚固钢筋计算结果

锚固钢筋配置水平方向控制剪力/kN所需钢筋面积/mm2

配筋/mm锚固长度/mm

1号桥10郾2788郾83A18@800la=30,d=540

5号桥13郾89120郾21A20@800la=30,d=600

置所受水平方向的作用主要有:恒载(梁板与桥面铺装自重)沿水平向的分力、汽车制动力和汽车离心力,对2座桥梁每m板宽所受的各项作用进行计算,并按极限状态法设计原则进行作用效应的组合。

此外,考虑到可能存在的支座脱空等不利情况,偏于保守地假设上述水平方向的力均有梁板与盖梁联接处的锚固钢筋承担。在本工程中,根据有限元计算结果,为保证结构的安全性,忽略混凝土“拉伸硬化冶阶段的力学行为,以钢筋的强度为控制条件,此时材料的安全系数约为2。

在2种极限状态设计时,材料的许用应力有所不同。根据GB50017—2003《钢结构设计规范》[10]、GB50010—2010《混凝土结构设计规范》[9]115郾5MPa。

并结合经验,对锚固钢筋所用材料HRB335钢的抗拉许用应力取[滓]=200MPa,抗剪许用应力[滓v]=

,考虑梁板端头与盖梁联接位

(a)刚性联接(b)弹性联接单位:cm

图7摇锚固钢筋布置示意

通过计算可知,梁板端头与盖梁联接处以正常由表2可知,对于大纵坡半山桥,随着坡度的增大,梁板端头与盖梁联接处的水平剪力有一定的提

使用极限状态起控制作用,锚固钢筋主要起抗剪作

摇第1期摇摇摇摇摇摇摇摇摇摇潘骁宇:大纵坡半山桥梁板与盖梁联接方式研究83

高,在锚固区需配置更多的钢筋参与抗剪。同时,根据JTGD62—2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》[11]钢筋的规格和锚固深度也提出了更高的要求,随着桥梁纵坡的增加,对抗剪。因此,对于大纵坡半山桥,为防止盖梁上部梁板出现下滑,采用下坡端刚性联接、上坡端弹性联接的半弹性半刚性联接方式对梁板端头与盖梁联接位置进行加固处理非常有必要。

由上述分析可知,梁板与盖梁联接处的锚固联接是工程中非常重要的部分,因此,对锚固钢筋的耐久性问题,有必要进行定期的安全检查,如发现病害,及时采取加固措施,必要时需对锚固钢筋进行更换。通过对龙泉市凤阳山区域通景公路改扩建工程进行实地考察,发现结构经过近10年的服役,锚固钢筋位置未出现裂缝、锈蚀等病害,性能良好。5摇结论

通过对山区公路拓宽工程中采用的半山桥结构形式进行分析,并依托实际工程对大纵坡半山桥的拓宽加固技术要点进行重点研究,得到以下结论:

破坏少1)、半山桥结构具有节省土地资源与自然协调性好等优点,适用于浙南山区通、环境干扰与景公路拓宽工程。

滑的问题2)对于山区大纵坡路段的桥梁易出现梁板下,采用梁板端部与盖梁锚固的方式可有效避免桥梁上部结构出现较大的纵向位移。

接方式3),半山桥梁板端部与盖梁的半弹性半刚性联

其锚固钢筋的受力以受剪为主;在山区桥梁

设计中,当纵坡增大,对锚固钢筋的用量和锚固长度有更高的要求,因此,应尽可能避免出现大纵坡现象。

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