曾詩琪， 周隆文， 李文超， 李甜甜

(1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.湖北省襄陽市交通規(guī)劃設(shè)計院.湖北 襄陽 441000)

預(yù)應(yīng)力鋼桁架加固簡支梁橋方案研究

曾詩琪1， 周隆文1， 李文超1， 李甜甜2

(1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063；2.湖北省襄陽市交通規(guī)劃設(shè)計院.湖北 襄陽 441000)

為了驗證預(yù)應(yīng)力鋼桁架加固橋梁這種全新加固方法的可行性，先通過力學(xué)公式對加固原理解釋推導(dǎo)，并用有限元分析軟件Ansys建模進(jìn)行計算驗證；再以一8 m長的簡支梁橋為例進(jìn)行分析，設(shè)置一系列均布荷載和集中荷載梯度值，通過對比預(yù)應(yīng)力鋼桁架加固前后梁內(nèi)的彎矩和最大撓度值的變化情況，探究其加固效果。分析結(jié)果表明，通過合理地布置預(yù)應(yīng)力鋼桁架對簡支梁橋進(jìn)行加固，能有效地改善簡支梁梁內(nèi)的彎矩受力，減少梁的最大撓度值。

橋梁加固；簡支梁橋；鋼桁架；初應(yīng)變

隨著我國高速公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展,橋梁建設(shè)進(jìn)入了前所未有的高潮時期[1]。但是隨著橋梁服役時間的推移,有的橋梁使用一段時間后,出現(xiàn)老化破損并危及安全運(yùn)行;有些橋梁結(jié)構(gòu)沒有損傷,但是不能滿足新交通載荷需求;有的橋梁雖設(shè)計完善結(jié)構(gòu)完好,但是遇到特殊情況使載荷發(fā)生變化[2-3]。

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這種種原因使得已建橋梁存在一定的安全隱患,但考慮到一些地區(qū)建設(shè)資金有限,不可能對既有的梁橋進(jìn)行拆除重建。因此,加速我國舊橋加固或改造技術(shù)的研究,不僅能更好地、及時地為現(xiàn)代交通運(yùn)輸服務(wù),而且能為國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1.2.2 苗床設(shè)置 定植前要對采穗圃地塊進(jìn)行全面平整，苗床大小及長度根據(jù)地形確定，寬度一般不超過1.5 m。同一個苗床內(nèi)地面要平整，定植前要深翻土壤，結(jié)合整地施入適量有機(jī)肥。

1 現(xiàn)有梁橋的加固方法

大部分橋梁建筑物都會由于服役時間長而在混凝土表面產(chǎn)生表層損壞、裂縫、蜂窩及銹蝕等表層缺陷,短時間內(nèi)這些缺陷基本都不會影響橋梁結(jié)構(gòu)的承載力和剛度,但是梁式橋梁結(jié)構(gòu)還會由于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低、施工質(zhì)量差、結(jié)構(gòu)布置不合理、外在因素的影響等,導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)受到破壞,承載力和通行能力不足,危及結(jié)構(gòu)安全,影響橋梁的正常使用。

1.1 常用的加固方法

哲學(xué)長期以來都很難區(qū)分形式和自然語言方法之間的關(guān)系，羅素的“誤導(dǎo)形式的觀點”稱自然語言遮掩了陳述的邏輯形式。相比之下，蒙太古(Montague)宣稱形式和自然語言在設(shè)計原則和理論性質(zhì)上是一致的。后來人們驗證了關(guān)于語言程序的“蒙太古的觀點”：形式化的設(shè)計是人和機(jī)器之間真正的交流，從范疇結(jié)構(gòu)到內(nèi)涵性悖論都和自然語言相關(guān)[7]。

在橋梁的加固設(shè)計時,應(yīng)對不同的病害采取相應(yīng)的加固措施。橋梁在加固時常用的加固方法有:粘貼鋼板(或纖維復(fù)合材料)加固法、體外預(yù)應(yīng)力加固法、增大梁截面和配筋加固法、橋面補(bǔ)強(qiáng)層加固法、改變結(jié)構(gòu)體系加固法、增設(shè)縱梁加固法等[4]。

(2)聽覺障礙課程設(shè)計。聽覺障礙相對于視覺障礙來說，網(wǎng)絡(luò)課程的設(shè)計相對簡單一些，在網(wǎng)絡(luò)課程設(shè)計時有以下幾點需要注意：①配備專門的手語教師；②在網(wǎng)絡(luò)課程下方配有相對應(yīng)的解釋說明字幕。

MIDAS/GEN是指General structure design system for windows environment，即以Windows為開發(fā)平臺的通用結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，MIDAS/GEN全面強(qiáng)化了實際工作中結(jié)構(gòu)分析所需要的分析功能。通過已有的入索單元、鉤單元、間隙單元等非線性單元，結(jié)合施工階段、時間依存性、幾何非線性等最新結(jié)構(gòu)分析理論，從而計算出更加準(zhǔn)確和切合實際的分析結(jié)果。

經(jīng)皮椎間孔鏡下行腰椎間盤摘除術(shù)并發(fā)癥的相關(guān)分析及其預(yù)防處理…………………… 閆志剛 施建鋒劉壯 等（1）120

為了計算簡便,現(xiàn)假設(shè)EA=1。則m桿的軸力

對于簡支梁,其普遍存在的問題就是跨中截面承載力較差。梁和鋼架承受荷載后,主要產(chǎn)生彎曲應(yīng)力,截面上的應(yīng)力分布是不均勻的,因而材料不能充分利用。而桁架是由桿件組成的結(jié)構(gòu)體系,當(dāng)荷載只作用在節(jié)點上時,各桿內(nèi)力主要為軸力,截面上的應(yīng)力基本上分布均勻,可以充分發(fā)揮材料的作用[5]。

結(jié)合簡支梁橋和鋼桁架的受力特性,本文提出了一種通過合理布置鋼桁架,并給其中的部分桁架桿初應(yīng)變[6]的方式對梁橋進(jìn)行加固的方法。

2 預(yù)應(yīng)力鋼桁架加固原理

3.1 工程資料

作為云南高質(zhì)量發(fā)展“三張牌”中的第一張牌，綠色能源未來將成為云南經(jīng)濟(jì)增長的第一動能。云南作為西電東送起步最早、發(fā)展最快的省份，經(jīng)過20多年的發(fā)展，云南已建成了以水電為主的優(yōu)質(zhì)能源基地，截至今年三季度，南方電網(wǎng)云南電網(wǎng)公司2018年西電東送電量累計突破千億千瓦時，達(dá)到1043.26億千瓦時，同比增長12.05%，創(chuàng)歷史新高。

可將簡支梁和鋼桁架加固模型簡化為平面體系(不計自重)進(jìn)行分析[7-8],如圖1所示。

圖1 簡化平面圖

假設(shè)m桿件的彈性模量為E,橫截面為A,給下部桿件m桿一個初應(yīng)變,F為m桿的軸向拉力,則根據(jù)材料力學(xué)公式可推導(dǎo)得

(1)

(2)

(3)

梁式橋是一種在豎向荷載作用下無水平反力的結(jié)構(gòu)。由于外力的作用方向與承重結(jié)構(gòu)的軸線接近垂直,故與同樣跨徑的其他結(jié)構(gòu)體系相比,梁內(nèi)產(chǎn)生的彎矩最大,通常需要抗彎能力強(qiáng)的材料來建造。

(4)

利用節(jié)點法可求得1-12桿的軸力,如表1所列。

表1 桁架桿的軸力

可根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)畫出梁受1-4桿力之后的彎矩圖如圖2所示。

圖2 梁的彎矩圖

2.3 分析思路

2.2 有限元驗證

現(xiàn)用Ansys有限元軟件編寫命令流,用BEAM3單元模擬簡支梁,LINK1單元模擬桿件進(jìn)行建模。帶入具體數(shù)值進(jìn)行計算分析。各參數(shù)賦值如表2所列。

表2 各參數(shù)賦值

將表2中的賦值帶入到表1的式子,計算結(jié)果列于表1中。

Ansys軟件計算所得的桁架單元軸力圖和梁單元彎矩圖如圖3和圖4所示。

1.2 預(yù)應(yīng)力鋼桁架加固方法

圖3 軟件計算的鋼桁架軸力

圖4 軟件計算的梁的彎矩圖

從圖3、圖4可知,Ansys軟件計算結(jié)果與公式推導(dǎo)結(jié)果(見表1)是相同的,故可以認(rèn)為解析表達(dá)式的求解與計算以及命令流的書寫框架是正確的。

根據(jù)梁的彎矩圖可知,m桿的初應(yīng)變通過整個桁架桿結(jié)構(gòu)將軸力傳到梁,且僅與桁架兩端(1、4之間)接觸的部分梁的彎矩受影響。那么,當(dāng)橋梁某些部位損傷、承載力不足時,也可以用這種方法有針對性地對其進(jìn)行加固。

用具體的工程實例,考慮結(jié)構(gòu)自重,并先后在全梁段加上向下的均布荷載qk,在跨中施加集中荷載Fk,分別來分析預(yù)應(yīng)力鋼桁架加固前后梁內(nèi)的彎矩以及最大撓度的變化情況。

先通過不斷調(diào)整均布荷載qk和集中荷載Fk的數(shù)值,使梁的最大撓度值在最大容許撓度值[9]附近,記下臨界點處均布荷載的值qck和集中荷載的值Fck;再加入預(yù)應(yīng)力鋼桁架,通過調(diào)整m桿的初應(yīng)變,觀察梁內(nèi)彎矩和撓度的變化,并確定m桿初應(yīng)變ε1的值;最后,在qck和Fk附近設(shè)置一系列荷載梯度值,修改命令流相應(yīng)參數(shù)計算分析,整理出梁內(nèi)的最大彎矩值和最大撓度的值,分析其變化規(guī)律。

3 工程實例及對比分析

2.1 推導(dǎo)過程

某簡支梁橋,橋梁基本情況如下:橋長L=8 m,材料彈性模量為20 GPa,橫截面積為0.348 8 m4,截面慣性矩為2.79×10-2m2,材料密度為2 400 kg/m3;用于加固的鋼桁架桿的彈性模量為200 GPa,材料密度為7 800 kg/m3;I類環(huán)境條件,結(jié)構(gòu)安全等級為二級。將桁架結(jié)構(gòu)按照圖1進(jìn)行布置,經(jīng)調(diào)試分析,最大容許撓度值對應(yīng)的臨界點處均布荷載qck=140 kN,集中荷載Fck=400 kN,m桿初應(yīng)變ε1=10-4。均布荷載以20 kN為間隔設(shè)置從20～400 kN的梯度值,集中荷載以50 kN和100 kN為間隔設(shè)置從2～700 kN的梯度值。

3.2 加固前后梁彎矩變化圖

現(xiàn)將簡支梁分別在自重荷載,均布荷載為100 kN(含自重),跨中集中荷載為190 kN(含自重)時,預(yù)應(yīng)力鋼桁架加固前和加固后梁的彎矩圖,如圖5所示。

圖5 加固前后梁的彎矩變化圖

由圖5加固前后彎矩圖的對比可知,預(yù)應(yīng)力鋼桁架對改善梁的最不利荷載位置的彎矩受力具有顯著作用。

3.3 加固前后梁最大彎矩和最大撓度的變化

分別將在均布荷載和集中荷載梯度值作用下,預(yù)應(yīng)力鋼桁架加固前后梁內(nèi)最大彎矩和最大撓度值進(jìn)行匯總,計算出減少百分比并制成折線圖,如圖6所示。

總之,乳突根治術(shù)對中耳炎患者療效確切,在給予圍手術(shù)期護(hù)理后,能夠進(jìn)一步改善患者的心理狀態(tài),提高預(yù)后康復(fù)速率,減少患者的住院時間,值得推薦。

圖6 加固前后最大彎矩和最大撓度的變化

由圖6可知,在均布荷載作用下,預(yù)應(yīng)力鋼桁架加固后,梁內(nèi)最大彎矩減少百分比隨著均布荷載的增加緩慢增加,在20%～30%之間;在集中荷載作用下,梁內(nèi)最大彎矩減少百分比隨著集中荷載的增加有個先增加再減少的過程,在20%～40%之間;最大撓度降低百分比隨著外力荷載的增加而逐漸減少,在20%以上。

4 結(jié)束語

(1) 通過合理地布置鋼桁架,并給部分桿件初應(yīng)變的預(yù)應(yīng)力鋼桁架加固方式不僅能改善梁的最不利荷載位置的彎矩受力,還能有效地減少梁內(nèi)最大變形撓度值。

(2) 此加固理論不僅僅適用于簡支梁橋,還能通過合理調(diào)整預(yù)應(yīng)力鋼桁架的布置形式,置于箱形梁內(nèi)部用于加固連續(xù)箱形梁橋,以后還將繼續(xù)深入研究。

1) 根據(jù)下級指標(biāo)Ai，將上級指標(biāo)A的決策數(shù)據(jù)集成為(a1,a2,…,ai,…,an)，將數(shù)據(jù)按由大到小重新排列，得到新數(shù)列B=(b1,b2,…,bj,…,bn).

(3) 本文預(yù)應(yīng)力鋼桁架加固橋梁的計算理論對于受損橋梁的加固具有顯著意義,能有效地節(jié)約建造成本,建議盡快推廣使用。

[1] 葉吉軍.橋梁加固技術(shù)的研究與應(yīng)用[D].上海:同濟(jì)大學(xué)，2007．

[2] 郭大進(jìn)，廖錦翔，張勁泉．橋梁加固維修技術(shù)應(yīng)用[J].公路交通科技，1002-0268(2004)08-0071-03.

[3] 智衛(wèi)國.公路橋梁損害維修加固的優(yōu)勢及方法[J].橋梁與隧道工程，2016(15):74～75.

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[5] 姚玲森，項海帆，顧安邦.橋梁工程[M].北京：人民交通出版社，2008.

[6] 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會，鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[7] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2004.

[8] 龍馭球，包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)教程[M].北京：高等教育出版社，2005.

[9] JTG D60-204，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

2016-12-09；修改日期：2016-12-19

曾詩琪(1991-)女，湖北天門人，武漢理工大學(xué)碩士生．

U445.72

A

1673-5781(2016)06-0759-03