预应力钢桁架加固简支梁桥方案研究

曾诗琪， 周隆文， 李文超， 李甜甜

(1.武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063；2.湖北省襄阳市交通规划设计院.湖北 襄阳 441000)

预应力钢桁架加固简支梁桥方案研究

曾诗琪1， 周隆文1， 李文超1， 李甜甜2

(1.武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063；2.湖北省襄阳市交通规划设计院.湖北 襄阳 441000)

为了验证预应力钢桁架加固桥梁这种全新加固方法的可行性，先通过力学公式对加固原理解释推导，并用有限元分析软件Ansys建模进行计算验证；再以一8 m长的简支梁桥为例进行分析，设置一系列均布荷载和集中荷载梯度值，通过对比预应力钢桁架加固前后梁内的弯矩和最大挠度值的变化情况，探究其加固效果。分析结果表明，通过合理地布置预应力钢桁架对简支梁桥进行加固，能有效地改善简支梁梁内的弯矩受力，减少梁的最大挠度值。

桥梁加固；简支梁桥；钢桁架；初应变

随着我国高速公路建设的蓬勃发展,桥梁建设进入了前所未有的高潮时期[1]。但是随着桥梁服役时间的推移,有的桥梁使用一段时间后,出现老化破损并危及安全运行;有些桥梁结构没有损伤,但是不能满足新交通载荷需求;有的桥梁虽设计完善结构完好,但是遇到特殊情况使载荷发生变化[2-3]。

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这种种原因使得已建桥梁存在一定的安全隐患,但考虑到一些地区建设资金有限,不可能对既有的梁桥进行拆除重建。因此,加速我国旧桥加固或改造技术的研究,不仅能更好地、及时地为现代交通运输服务,而且能为国家带来巨大的经济效益和社会效益。

1.2.2 苗床设置 定植前要对采穗圃地块进行全面平整，苗床大小及长度根据地形确定，宽度一般不超过1.5 m。同一个苗床内地面要平整，定植前要深翻土壤，结合整地施入适量有机肥。

1 现有梁桥的加固方法

大部分桥梁建筑物都会由于服役时间长而在混凝土表面产生表层损坏、裂缝、蜂窝及锈蚀等表层缺陷,短时间内这些缺陷基本都不会影响桥梁结构的承载力和刚度,但是梁式桥梁结构还会由于设计标准低、施工质量差、结构布置不合理、外在因素的影响等,导致桥梁结构受到破坏,承载力和通行能力不足,危及结构安全,影响桥梁的正常使用。

1.1 常用的加固方法

哲学长期以来都很难区分形式和自然语言方法之间的关系，罗素的“误导形式的观点”称自然语言遮掩了陈述的逻辑形式。相比之下，蒙太古(Montague)宣称形式和自然语言在设计原则和理论性质上是一致的。后来人们验证了关于语言程序的“蒙太古的观点”：形式化的设计是人和机器之间真正的交流，从范畴结构到内涵性悖论都和自然语言相关[7]。

在桥梁的加固设计时,应对不同的病害采取相应的加固措施。桥梁在加固时常用的加固方法有:粘贴钢板(或纤维复合材料)加固法、体外预应力加固法、增大梁截面和配筋加固法、桥面补强层加固法、改变结构体系加固法、增设纵梁加固法等[4]。

(2)听觉障碍课程设计。听觉障碍相对于视觉障碍来说，网络课程的设计相对简单一些，在网络课程设计时有以下几点需要注意：①配备专门的手语教师；②在网络课程下方配有相对应的解释说明字幕。

MIDAS/GEN是指General structure design system for windows environment，即以Windows为开发平台的通用结构分析与优化设计系统。在结构设计方面，MIDAS/GEN全面强化了实际工作中结构分析所需要的分析功能。通过已有的入索单元、钩单元、间隙单元等非线性单元，结合施工阶段、时间依存性、几何非线性等最新结构分析理论，从而计算出更加准确和切合实际的分析结果。

经皮椎间孔镜下行腰椎间盘摘除术并发症的相关分析及其预防处理…………………… 闫志刚 施建锋刘壮 等（1）120

为了计算简便,现假设EA=1。则m杆的轴力

对于简支梁,其普遍存在的问题就是跨中截面承载力较差。梁和钢架承受荷载后,主要产生弯曲应力,截面上的应力分布是不均匀的,因而材料不能充分利用。而桁架是由杆件组成的结构体系,当荷载只作用在节点上时,各杆内力主要为轴力,截面上的应力基本上分布均匀,可以充分发挥材料的作用[5]。

结合简支梁桥和钢桁架的受力特性,本文提出了一种通过合理布置钢桁架,并给其中的部分桁架杆初应变[6]的方式对梁桥进行加固的方法。

2 预应力钢桁架加固原理

3.1 工程资料

作为云南高质量发展“三张牌”中的第一张牌，绿色能源未来将成为云南经济增长的第一动能。云南作为西电东送起步最早、发展最快的省份，经过20多年的发展，云南已建成了以水电为主的优质能源基地，截至今年三季度，南方电网云南电网公司2018年西电东送电量累计突破千亿千瓦时，达到1043.26亿千瓦时，同比增长12.05%，创历史新高。

可将简支梁和钢桁架加固模型简化为平面体系(不计自重)进行分析[7-8],如图1所示。

图1 简化平面图

假设m杆件的弹性模量为E,横截面为A,给下部杆件m杆一个初应变,F为m杆的轴向拉力,则根据材料力学公式可推导得

(1)

(2)

(3)

梁式桥是一种在竖向荷载作用下无水平反力的结构。由于外力的作用方向与承重结构的轴线接近垂直,故与同样跨径的其他结构体系相比,梁内产生的弯矩最大,通常需要抗弯能力强的材料来建造。

(4)

利用节点法可求得1-12杆的轴力,如表1所列。

表1 桁架杆的轴力

可根据结构力学画出梁受1-4杆力之后的弯矩图如图2所示。

图2 梁的弯矩图

2.3 分析思路

2.2 有限元验证

现用Ansys有限元软件编写命令流,用BEAM3单元模拟简支梁,LINK1单元模拟杆件进行建模。带入具体数值进行计算分析。各参数赋值如表2所列。

表2 各参数赋值

将表2中的赋值带入到表1的式子,计算结果列于表1中。

Ansys软件计算所得的桁架单元轴力图和梁单元弯矩图如图3和图4所示。

1.2 预应力钢桁架加固方法

图3 软件计算的钢桁架轴力

图4 软件计算的梁的弯矩图

从图3、图4可知,Ansys软件计算结果与公式推导结果(见表1)是相同的,故可以认为解析表达式的求解与计算以及命令流的书写框架是正确的。

根据梁的弯矩图可知,m杆的初应变通过整个桁架杆结构将轴力传到梁,且仅与桁架两端(1、4之间)接触的部分梁的弯矩受影响。那么,当桥梁某些部位损伤、承载力不足时,也可以用这种方法有针对性地对其进行加固。

用具体的工程实例,考虑结构自重,并先后在全梁段加上向下的均布荷载qk,在跨中施加集中荷载Fk,分别来分析预应力钢桁架加固前后梁内的弯矩以及最大挠度的变化情况。

先通过不断调整均布荷载qk和集中荷载Fk的数值,使梁的最大挠度值在最大容许挠度值[9]附近,记下临界点处均布荷载的值qck和集中荷载的值Fck;再加入预应力钢桁架,通过调整m杆的初应变,观察梁内弯矩和挠度的变化,并确定m杆初应变ε1的值;最后,在qck和Fk附近设置一系列荷载梯度值,修改命令流相应参数计算分析,整理出梁内的最大弯矩值和最大挠度的值,分析其变化规律。

3 工程实例及对比分析

2.1 推导过程

某简支梁桥,桥梁基本情况如下:桥长L=8 m,材料弹性模量为20 GPa,横截面积为0.348 8 m4,截面惯性矩为2.79×10-2m2,材料密度为2 400 kg/m3;用于加固的钢桁架杆的弹性模量为200 GPa,材料密度为7 800 kg/m3;I类环境条件,结构安全等级为二级。将桁架结构按照图1进行布置,经调试分析,最大容许挠度值对应的临界点处均布荷载qck=140 kN,集中荷载Fck=400 kN,m杆初应变ε1=10-4。均布荷载以20 kN为间隔设置从20～400 kN的梯度值,集中荷载以50 kN和100 kN为间隔设置从2～700 kN的梯度值。

3.2 加固前后梁弯矩变化图

现将简支梁分别在自重荷载,均布荷载为100 kN(含自重),跨中集中荷载为190 kN(含自重)时,预应力钢桁架加固前和加固后梁的弯矩图,如图5所示。

图5 加固前后梁的弯矩变化图

由图5加固前后弯矩图的对比可知,预应力钢桁架对改善梁的最不利荷载位置的弯矩受力具有显著作用。

3.3 加固前后梁最大弯矩和最大挠度的变化

分别将在均布荷载和集中荷载梯度值作用下,预应力钢桁架加固前后梁内最大弯矩和最大挠度值进行汇总,计算出减少百分比并制成折线图,如图6所示。

总之,乳突根治术对中耳炎患者疗效确切,在给予围手术期护理后,能够进一步改善患者的心理状态,提高预后康复速率,减少患者的住院时间,值得推荐。

图6 加固前后最大弯矩和最大挠度的变化

由图6可知,在均布荷载作用下,预应力钢桁架加固后,梁内最大弯矩减少百分比随着均布荷载的增加缓慢增加,在20%～30%之间;在集中荷载作用下,梁内最大弯矩减少百分比随着集中荷载的增加有个先增加再减少的过程,在20%～40%之间;最大挠度降低百分比随着外力荷载的增加而逐渐减少,在20%以上。

4 结束语

(1) 通过合理地布置钢桁架,并给部分杆件初应变的预应力钢桁架加固方式不仅能改善梁的最不利荷载位置的弯矩受力,还能有效地减少梁内最大变形挠度值。

(2) 此加固理论不仅仅适用于简支梁桥,还能通过合理调整预应力钢桁架的布置形式,置于箱形梁内部用于加固连续箱形梁桥,以后还将继续深入研究。

1) 根据下级指标Ai，将上级指标A的决策数据集成为(a1,a2,…,ai,…,an)，将数据按由大到小重新排列，得到新数列B=(b1,b2,…,bj,…,bn).

(3) 本文预应力钢桁架加固桥梁的计算理论对于受损桥梁的加固具有显著意义,能有效地节约建造成本,建议尽快推广使用。

[1] 叶吉军.桥梁加固技术的研究与应用[D].上海:同济大学，2007．

[2] 郭大进，廖锦翔，张劲泉．桥梁加固维修技术应用[J].公路交通科技，1002-0268(2004)08-0071-03.

[3] 智卫国.公路桥梁损害维修加固的优势及方法[J].桥梁与隧道工程，2016(15):74～75.

[4] 武同乐．桥梁加固后评价方法研究[D]．西安：长安大学，2003．

[5] 姚玲森，项海帆，顾安邦.桥梁工程[M].北京：人民交通出版社，2008.

[6] 中国工程建设标准化协会，钢结构设计规范[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[7] 刘鸿文.材料力学[M].北京：高等教育出版社，2004.

[8] 龙驭球，包世华.结构力学教程[M].北京：高等教育出版社，2005.

[9] JTG D60-204，公路桥涵设计通用规范[S].

2016-12-09；修改日期：2016-12-19

曾诗琪(1991-)女，湖北天门人，武汉理工大学硕士生．

U445.72

A

1673-5781(2016)06-0759-03