预制小箱梁病害分析

(内蒙古交通设计研究院有限责任公司，内蒙古 呼和浩特 010050)
摘 要：文章针对现有预制小箱梁存在的病害，通过连续 单向板法和空间有限元法进行了分析，找出了小箱梁病害发生的原因。
关键词：预制小箱梁；病害；连续单向板法；空间无限元法；分析
中图分类号：TU753.3  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2010)02—0092—02

随着我国桥梁建设事业的蓬勃发展，桥梁的结构形式也更加丰富，其中预制小箱梁由 于具有较大的截面抗扭强度、抗弯强度，并且兼有价格便宜、施工速度快的特点，因此在国 内外得到了十分迅速的发展和广泛的应用。但由于设计上考虑不周、施工不当、超载车的影 响再加上自身的老化和养护不够等原因，现有预制小箱梁桥已经大量存在病害。因此针对预 制小箱梁的病害分析具有重要的工程价值和广泛的应用前景。
1 现有小箱梁存在的病害

小箱梁病害主要表现在小箱梁出现各种裂缝上。其裂缝的形式有多种，其主要形式现总结如 下:
1.1 主梁梁端腹板的斜裂缝

出现这种腹板斜裂缝主要原因为设计不足，腹板厚度偏小，箍 筋间距偏大，由于腹板太薄，箍筋又少，梁体抗剪储备不足，箍筋不足以限制裂缝的发展， 所以，裂缝一旦出现，箍筋应力就很大，随着荷载的反复作用，裂缝进一步增长和扩宽，使 梁体的整体刚度降低，承载能力下降。随着时间的推移，在荷载的不断作用下，梁体状况加 剧恶化，最终趋于破坏。
1.2 腹板与顶板相接处的纵向裂缝

顶板与腹板相接处的纵向裂缝是腹板斜裂缝的进一步扩 展的后果，其产生原因及严重程度与施工因素、荷载作用情况、路面状态及支撑条件等有关 。
1.3 桥面板湿接缝处的纵向裂缝

该类裂缝发生位置规律性强，主要原因为超重车 辆长期作用使该处桥面板的局部受力变大和桥梁结构的整体变形和受力所致。
1.4 其他形式的裂缝

如:梁体跨中的环向裂缝、箱梁底板的纵向裂 缝和腹板和底板交界处沿纵向的裂缝等。这类裂缝产生的原因主要是施工质量上存在缺陷。 
2 通过连续单向板法和空间有限元法进行分析

通过ANSYS有限元软件的数值模拟计算，可以得到简支预制小箱梁的极限承载力状态下的应 力应变分布情况等信息，找出小箱梁病害发生的真正原因。  
2.1 主梁计算结果的分析

在ansys的三维空间模型上施加这一荷载工况，对小箱梁进行极限承载力分析，得到分析结 果，如图1所示为ansys模型计算所得的小箱梁的顺桥向主梁梁底应力分布图。图2所示的结 果为小箱梁的挠度分布图。

按规范计算小箱梁主梁所得的极限承载力为6087KN.m，由此看出按空间有限元法计算所得的 小箱梁单梁纵向内力小于结构的极限承载力，因而原桥的单梁纵向受力完全满足设计要求。 所以小箱梁单梁纵向受力在设计上不存在缺陷，排除了由于设计上的缺陷导致小箱梁主梁由 于纵向承载力不足而发生病害的这一可能。

根据桥面板的相关计算理论和《桥规》的规定按连续单向板法对小箱梁的桥面板进行计算。 将车轮布置于桥面板的跨中位置如图3所示，此种工况为桥面板受力最不利的情况。在计算 桥面板的时候，考虑了两种情况:一种情况是不计入桥面板的混凝土铺装对桥面板的补强作 用;另外一种情况是计入桥面板的混凝土铺装对桥面板的补强作用。同时，按照这两种情况 分别计算桥面板截面的抗弯承载能力。另外，按照这两种情况由空间有限元法计算出桥面板 的受力情况。其桥面板跨中弯距计算结果如表2。

由表2所示计算结果可以看出，按照各种方法计算所得的混凝土桥面板的内力均大于其抗弯 承 载力，不满足强度要求。这是小箱梁桥面板湿接缝处发生病害的原因之一。另外，空间有限 元分析计算结果表明，桥面板横桥向受力主要由桥面板横桥向整体变形内力及桥面板在车轮 荷载直接作用下的局部变形内力两部分组成。由于小箱梁没有设置横隔板体系，横桥向整体 变形内力主要由桥面板承担。同时，没有横隔板，桥面板局部内力也有所增大。因此，没有 设置横隔板可能是原桥发生病害的原因之一。
2.2 横隔板对小箱梁桥面板受力的影响

桥面板的横桥向内力主要由桥面板横桥向整体变形内力及桥面板在车轮荷载直接作用下的局 部变形内力两部分组成。前面已经通过连续单向板法和ansys有限元程序对桥面板的局部受 力进行了分析，并且通过ansys有限元程序分析了横隔板对于整个小箱梁结构的整体变形内 力的影响，但没有考虑横隔板对于桥面板的局部受力的影响。因此，分析横隔板对于桥面板 的局部受力的影响对于研究小箱梁桥面板的变形受力，解决小箱梁的病害是很有意义的。为 了分析这个问题，笔者分别用两种方案与原结构进行对比，一种方案是在跨中处增设横隔板 ;另一种方案是在跨中和1/4跨处增设横隔板。通过对比来分析和总结横隔板对于桥面板局部 受力的影响效果。对于有限元模型按照对桥面板最不利工况下车辆荷载进行加载。
2.2.1 跨中增设横隔板对小箱梁桥面板受力的影响。首先进行第一方案，通过有限元模型的分析可以得到1/4跨处边梁和中梁之间的桥面板的横 桥向应力大小和分布情况。其应力曲线图如图4所示。

通过上图可以看出，在原结构跨中处增设横隔板对于改善桥面板的局部受力效果非常明显。增 设跨中横隔板后，1/4跨处边梁和中梁之间的桥面板的横桥向应力明显减小了，后者的平均 应力只是前者的58.70%，效果比较明显。
2.2.2 L/4处增设横隔板对小箱梁桥面板受力的影响。进行第二方案和第一方案的对比，通过有限元模型的分析可以得到1/4跨处边梁和中梁之间 的桥面板的横桥向应力大小和分布情况。其应力曲线图如图5所示。

通过上图可以看出在原结构跨中和L/4处都增设横隔板对于改善桥面板的局部受力效果也比 较明显。增设跨中和1/4跨处横隔板后，3/8跨处边梁和中梁之间的桥面板的横桥向应力有所 减小，后者的平均应力是前者的58.07%，效果比较明显。其原因是在该处增加横隔板减小了 桥面板的顺桥向跨径，对板的受力有利。因此，在1/4处增设横隔板对于桥面板局部受 力是有利的。
2.2.3 小结。通过对以上小箱梁的受力分析，对原有小箱梁设置横隔板体系对改善小箱梁的桥面板受力性 能效果明显。由于横隔板的设置，横桥向整体变形内力主要由横隔板承担，而原结构的小箱 梁横桥向整体变形内力主要是端横梁和桥面板承担，尤其是跨中处的横桥向变形内力主要是 由相对比较薄弱的桥面板承担，因此，在跨径内增设横梁对于减小桥面板的变形和受力起着 至关重要的作用。另外通过对比分析，可知增加横隔板可以限制主梁的扭转，可以减小主梁 和桥面板因扭转而产生的应力。
3 结论

①通过空间有限元法计算所得的小箱梁单梁纵向内力小于结构的极限承载力，因而原桥 的 主梁纵向受力完全满足设计要求。小箱梁主梁纵向受力在设计上不存在缺陷，排除了由于设 计上的缺陷导致小箱梁主梁由于纵向承载力不足而发生病害的这一可能。②通过连续单向板法和空间有限元法对小箱梁桥面板进行受力分析可知桥面板湿接缝处 的设计承载力不满足强度要求，这是造成桥面板发生病害的原因之一。③由于小箱梁没有设置横隔板体系，横桥向整体变形内力主要由桥面板承担。通过空间 有 限元模型分析，可知增加横隔板后小箱梁整体横向刚度得到了提高，从而减小了桥面板的横 向变形和内力。尤其是增加跨中横隔板之后，效果尤其明显。另外，通过桥面板局部横向受 力的分析，也肯定了增加横隔板的必要性。因此，原小箱梁在整个跨径内没有设置横向联系 也是桥面板发生病害的原因之一。
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