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1、聚苯乙烯泡沫内膜在空心板中的应用,河南高速连霍郑州段改建工程项目部 范永丰 马年祖 郑 州 大 学 陈 淮 李静斌 二 零 零 七 年 二 月 十 日,1、用橡胶胶囊作内膜空心板梁在我省应用情况； 2、空心板梁主要病害及对策； 3、连霍郑州段改建工程中空心板梁施工主要改进； 4、空心板梁结构计算对比分析及结论； 5、需进一步探讨的问题。,主 要 内 容,1、用橡胶胶囊作内膜空心板梁在我省应用情况,1-1 1987年，在我省新乡至郑州一级公路上，16米、20米、30米预应力空心板开始应用； 1-2 1992年，在开封至郑州至洛阳高速公路建设上大规模应用； 1-3 我省地处中原，工程项目多在平原地
2、区，公路桥梁80%以上均为1030m的中小跨径，因此采用空心板桥型最多； 1-4 优点：结构形式简单，跨越方便，建筑高度较低，易于工厂化预制，单板在运输和吊装过程中稳定性好，不宜倾覆 ； 1-5 缺点：经过十几年的应用，逐渐暴露。,2-1 空心板顶、底板厚度不足;钢筋保护层厚度不足； 2-2 空心板间铰缝砼脱落、渗水、泛碱； 2-3 板间错台；底部纵向裂缝； 2-4 支座严重剪切变形；支座老化；支座脱落，空心板三点或两点受力。,2、空心板梁主要病害及对策,主要病害,对策,2-1 改进内外模板，由双内孔变单孔； 2-2 由小企口缝变大企口缝，增加连接筋； 2-3 端头与板体一起浇筑，三侧拉毛，增
3、强粘接防水； 2-4 封端变成端头隔板，增加抗扭、抗畸变刚度。,2-1 空心板顶、底板厚度不足;钢筋保护层厚度不足,板底部横向裂缝,板底部纵向裂缝,板 底 部 露 筋,板 底 部 露 筋,板 底 部 露 筋,2-2 空心板间铰缝砼脱落、渗水、泛碱,铰缝脱落渗水、泛碱,铰缝脱落渗水、泛碱,铰缝砼破损剥落对应桥面铺装纵向裂缝,铰缝脱落,铰缝砼剥落对应桥面铺装纵向裂缝,板底部渗水,板 间 错 台,2-4 支座严重剪切变形；支座老化；支座脱落，空心板三点或两点受力。,支座严重剪切变形,支座脱落,支座脱落,空心板三点或两点受力,3、连霍郑州段改建工程中空心板梁施工主要改进,与连霍线老空心板相比有五个改进
4、措施,一、单孔大孔板,采用发泡聚苯乙烯内模代替常规橡胶胶囊、保证内孔定位准确； 二、统一定制高强度大块钢模板、保证外形 尺寸； 三、加大空心板企口缝、增加侧向锚筋，增强板间横向连接； 四、空心板三面拉毛工艺，增强粘结力; 五、端头与梁体一起浇筑，增加抗扭刚度。,一、采用发泡聚苯乙烯做内模,优点：空心板顶、底面、侧壁厚度尺寸可以得到有效保证。解决了以往使用橡胶胶囊内模易偏位、上浮导致空心板顶面、侧面壁厚度局部超薄产生的质量隐患。 注意事项：定位问题，、采用定位钢筋固定。2、采用空心板顶面钢筋网下固定塑料垫块，压入聚苯乙烯内模中以固定位置。,发泡聚苯乙烯芯模采用密度为12.5千克/立方米，强度完全
5、满足振捣的需要,二、统一定制高强度大块钢模板,优点： 1、整体性好:接缝少，安装、拆卸效率高。大块钢模板采用龙门架吊机安装拆卸。 2、刚度大：面板厚5mm以上，保证足够的刚度不变形。 技术要求： 1、严格控制顶部对拉螺杆间距，使其受力均匀，间距约1米，保证模板多次安装使用后不变形，尽而保证梁板外形几何尺寸达到设计要求。 2、严格控制两侧斜支撑杆间距，应与顶面间距一致，保证模板安装使用后不变形，保证几何尺寸达到要求。,三、空心板大企口缝 侧向连接筋和顶边横向连接筋,优点：通过大企口缝、上下连接筋的连接，增强横向联结，改变以前空心板单板受力的状况。 控制措施：企口缝侧连接筋，在安装模板时，使之能紧
6、贴模板，预制后较方便的凿出来。,四、空心板三面拉毛工艺 （粗糙面）,优点：桥面铺装层与空心板连接紧密；空心板之间连接紧密，增强粘结力。 控制措施：严格控制拆模时间，根据气温高低确定具体的拆模时间（5-8小时），立即拉毛和凿毛。,五、端头与梁体一起浇筑，增加抗扭刚度。,优点：端头与梁体一起浇筑，减少二次封端工序，增加抗扭刚度，同时防止水从端头进入。 控制措施：改进端头模板，减短内芯模聚苯乙烯泡沫长度。,4、空心板梁结构计算对比分析及结论,4.1 有限元建模 4.2 静力分析结果 4.3 结论,4.1 有限元建模,4.1.1 几何尺寸 结合工程实际，选取装配式预应力混凝土空心板梁桥的一块单板进行分
7、析，模型跨径为20m，横截面具体尺寸如图1所示。另外为考虑铺装层对板梁力学性能的影响，建模时按实际尺寸考虑空心板上的沥青和混凝土铺装层。,图1 空心板横截面尺寸,4.1.2 单元类型 利用Midas/Civil大型通用有限元软件进行建模分析，将梁体划分成三维空间实体单元。在计算分析的过程中，采用的坐标系为：X为沿桥纵向，Y为沿桥横向，Z为竖直向上。,4.1.3 边界条件 板端支撑为一端取为铰支（限制XYZ三个方向的位移），另一端取为滑支（仅允许沿梁纵向的滑移）。,4.1.4 材料性能 采用整体式模型，将钢筋与混凝土看成一个整体，采用均化的钢筋混凝土折算弹性模量。,图2 钢筋布置示意图,4.1.
8、5 荷载工况 为简化分析，有限元分析中采用两种荷载工况： 工况1：跨中横向板边缘作用1kN的集中荷载； 工况2：跨中横向板中央作用1kN的集中荷载。 工况1可代表非对称的活载，工况2可代表对称的恒载。采用这两种单位集中力的荷载工况，既便于简化计算，又可得出合理的分析结果。,4.1.6 模型种类 共考虑三种分析模型： 模型A：无横隔板； 模型B：梁的两端靠近支座部位设有横隔板； 模型C：梁的两端靠近支座部位及跨中部位均设有横隔板。 参考截面几何尺寸，横隔板的厚度均取为25cm。 三种模型分别如图3所示。模型A共计有节点18696，单元15456个；模型B共计节点有20768，单元17456个；模
9、型C共计有节点21958，单元18456个。为清楚示意横隔板的设置部位及其厚度，图3所示各模型均为关于XZ面对称的半结构。,图3-1 模型A(无横隔板),图3-2 模型B（支座处有横隔板、跨中无横隔板）,图3-3 模型C（支座处及跨中均有横隔板）,4.2 静力分析结果 4.2.1 控制截面 对以上3个模型分别在2种荷载工况下进行静力计算。对计算结果提取和分析时选取三个典型控制截面： 截面1-1：支座截面 截面2-2：四分点截面 截面3-3：跨中截面,4.2.2位移分析 模型在2种工况下的受力变形云图如下：,图4-2 模型A位移云图（工况2,图4-1 模型A位移云图（工况1）,3种模型中截面3-
10、3上的最大竖向位移值及其对比分别列于表1表2中。,表2 工况2作用下的截面挠度3-3值,表1 工况1作用下的截面3-3挠度值,4.2.3 应力分析 3种模型在2种工况下各控制截面上的应力分析结果如下图所示。为便于对比，各截面均仅包含了空心板部位，横隔板部位均未在应力云图中示出。,图6 模型A有效应力云图 （2-2截面 工况2）,图5 模型A有效应力云图 （2-2截面 工况1）,表3 工况1作用下的各截面最大应力值,表4 工况2作用下的各截面最大应力值,4.3 结 论,4.3.1 挠度对比结论 3种模型的跨中最大挠度均相差不 大（最大差值不足0.2）。 结论：增设横隔板对提高空心板梁的整体抗弯刚
11、度意义不大。,4.3.2 应力对比分析与结论,各截面应力分析结果总结： （1）在空心板梁的支座部位增设适当厚度的横隔板后，在非对称荷载作用下，可有效降低支座截面处的各种应力，其中最大剪应力比未设横隔板时最多可降低约19，横向剪应力降低约10，有效应力降低约13；在对称荷载作用下，也可较为明显地降低支座截面上的最大剪应力和有效应力。,（2）仅在空心板梁的支座部位增设适当厚度的横隔板而跨中部位不设横隔板时，在对称荷载及非对称荷载作用下，四分点截面和跨中截面上的应力比原模型均无明显变化。 （3）当空心板梁的支座部位和跨中部位均增设横隔板后，在两种荷载作用下，四分点截面和跨中截面上的应力比原模型有增有减，增减幅度一般均在5以内。,计算分析结论 在支座部位增设横隔板可有效限制空心板梁截面的扭转和畸变，能较大幅度的降低支座截面上的次应力，显著改善空心板梁的受力性能，从而提高了空心板梁按初等梁理论进行设计的可靠性。 在设置方法上，横隔板应仅设置在空心板梁的支座部位，跨中截面不宜另设横隔板。,5、需进一步探讨的问题,5、1 需对空心板梁1/4截面、 1/2截面及支座部位增设横隔板作进一步对比计算分析； 5、2 需对用普通胶囊作内模空心板梁与采用发泡聚苯乙烯做内模（相当于支座部位增设横隔板）空心板梁进行加载试验对比，比较其抗弯、抗扭转和抗畸变能力。,谢 谢！,