波纹钢加固混凝土箱涵的效果及影响参数分析.pdf

Earthquake Resistant Engineering and RetrofittingJun.2023o.Ltd,S1AertJun.2023Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting2023年6 月Vol.45,No.3第45卷第3期工程抗震与加固改造文章编号1002-8412(2023)03-0150-09D0I:10.16226/j.issn.1002-8412.2023.03.019波纹钢加固混凝土箱涵的效果及影响参数分析牟开，黄帅，武飞？，刘保东（1.山西省交通新技术发展有限公司，山西太原0 30 0 0 6;2.北京交通大学土木与建筑工程学院，北京10 0 0 44）提要为明确波纹钢加固混凝土箱涵的受力性能，本文在考虑原涵洞的二次受力状态以及界面接触属性的基础上利用两步法建模的方法分析了组合程度、波纹钢板的波形参数、混凝土填充层的强度等级、混凝土填充层厚度对结构承载力的影响以及荷载分配规律。结果表明：波纹钢板加固箱涵后承载力提升1倍以上，结构的延性得到进一步的提升；混凝土填充层强度等级的提高对结构承载力的影响甚少；关键位置的凿毛以及全截面的凿毛、植筋和波纹钢板上设置剪力连接件有助于承载力的大幅提高；拱顶位置混凝土填充层厚度增加承载力大幅提高；结构的承载力和延性与波形参数不成正比例关系；各个截面的荷载分配与各部分的抗弯刚度占比成正比例关系。关键词混凝土箱涵加固；波纹钢；有限元模型；参数分析中图分类号 U445.7*2文献标识码 Analysis of reinforcement effect and influencing parameters of reinforced concrete box culvrengthened by corrugated steelMou Kai,Huang Shuai,Wu Fei?,Liu Bao-dong(1.Shanxi Communications New Technology Development CTaiyuan 030006,China;2.School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China)Abstract:In order to analysis the mechanics performance of reinforced concrete box culvert strengthened by corrugated steel,a finiteelement model is established using the two-step method,which considers the initial internal force of the original culvert and theinterface contact properties.The finite element model is used to analyze the influence of the degree of combination,stffness ofcorrugated steel plate,strength of concrete filling layer,thickness of concrete filling layer above the vault on the structural bearingcapacity,and the load distribution law.The results show that the bearing capacity is increased by more than one time and the ductilityis further improved.The strength of the concrete filler layer has little effect on the structural bearing capacity.The roughness of criticalposition,as well as the roughness and the planting bars on concrete surface inside the original culvert and the installation of shearconnectors on the corrugated steel plates significantly contribute to the bearing capacity.The bearing capacity of the reinforced structureincreases significantly when the concrete thickness above the vault increases.The load bearing capacity and ductility of the structure arenot proportional to the stiffness of corrugated steel plate.The load distributed among each part is proportional to the percentage offlexural stiffness of each part in the total flexural stiffness.Keywords:strengthening reinforced concrete box culvert;corrugated steel;finite element model;parameter analysisE-mail:1引言涵洞是重载铁路、客货共线铁路、公路工程中的主要构筑物之一，据统计小桥涵工程造价占桥涵工程造价总额的50%，平原地区平均每公里有1 3座收稿日期2022-04-24基金项目山西交通控股集团有限公司科技计划项目（19-JKKJ-32)涵洞，在山岭重丘区平均每千米46 座涵洞，占桥涵总数的6 0%7 0%。在列车或车辆荷载的长期冲击以及地基不均匀沉降等因素作用下，许多钢筋混凝土涵洞出现开裂、渗漏水、掉块等病害。上海铁路局准南线秋检资料显示，病害涵洞数量占区段涵洞总数的15%2 近年来由于施工快捷、不中断交通等优点，波纹Earthquake Resistant Engineering and RetrofittingVol.45,No.32023牟.151开，等：波纹钢加固混凝土箱涵的效果及影响参数分析第45卷第3期钢加固小跨径桥涵和市政排水工程中得到了广泛的认可3-8 ,国内学者也进行了相关的试验研究，李百建等9.10 对波纹钢管加固的混凝土管涵进行两点加载试验，并基于变形协调提出加固后的圆管涵的承载力估算公式；李勇1 对拱形波纹钢加固的盖板涵进行了室内加载试验，其研究结果表明加固后结构的延性、刚度和承载力都有明显的提高。国内外学者中基于不同的理论建立了波纹钢加固的数值分析模型，贺文涛等【12 对四跨简支板桥加固进行有限元模拟，其根据两阶段受力法把加固过程的数值模拟分为3个阶段：板桥承担自身的自重；波纹钢承受混凝土填充层的湿重以及本身的自重；混凝土硬化后板桥、波纹钢、混凝土填充层共同承担车辆荷载作用。其通过对不同阶段分别建立有限元模型，并将计算结果相加得到结构最终的受力状态。此方法受力阶段明确，但原结构的材料在加固之前往往处于非线性状态，材料的非线性以及加固之后边界条件的非线性使得结构不能满足叠加原理,所以此方法存在一定问题。尚培培7 分别基于荷载-结构法和相互作用模型建立了波纹钢加固涵洞数值分析模型，其中荷载-结构法中不再考虑原涵洞的受力状态，将原涵洞对波纹钢的作用用弹性地基系数模拟，相互作用模型中利用生死单元和初始应力场考虑了原涵洞的初始应力状态，但认为被加固管、灌浆和加固管之间完全粘结，此与文献1 的试验结果不符。波纹钢加固涵洞结构之所以难以有效模拟主要在于接触的难以模拟。在没有定义初始应力的情况下，通用有限元软件ABAQUS中的生死单元法不能在模拟原涵洞初始受力状态的同时对波纹钢与混凝土填充层之间的部分相互作用和混凝土填充层与原涵洞之间的部分相互作用进行有效模拟，仅能适用于部件之间完全粘结（tie）情况下的模拟13本文利用两步法建模，在考虑原涵洞与混凝土填充层之间的部分相互作用以及混凝土填充层与波纹钢之间的部分相互作用的基础上，对波纹钢加固涵洞结构的施工过程进行有效模拟，之后分析了不同加固参数时结构承载力和荷载分配规律，为波纹钢加固涵洞的设计提供有益的参考。2箱涵加固数值分析模型2.1模型假定本文的数值分析模型的受力假定同贺文涛L12的假定相同，即加固前原涵洞承受其自重以及竖向土压力和水平向土压力，加固过程中波纹钢板承担自重以及混凝土的湿重，加固完成后波纹钢、混凝土填充层和原涵洞共同承受车辆荷载。根据李百建10 的试验结果，原涵洞没有凿毛和植筋以及波纹钢上不设置剪力连接件时，加固后的圆管涵为钢筋混凝土管、填充层和波纹钢管独立工作的I类管，故本文认为波纹钢加固跨径更大的箱涵时，在加固之前没有进行凿毛或植筋以及波纹钢上没有设置剪力连接件时，在加固之后波纹钢与填充层之间以及填充层与原箱涵之间不会存在界面剪力，忽略界面之间的胶结力。由于待加固的涵洞结构及土体存在初始应力状态，结构的初始应力状态与加固涵洞的受力性能紧密相关，故对加固后的涵洞进行数值之前应首先对结构的初始应力状态进行模拟。应力初始状态不仅与原涵洞建设完成之后承受的土压力有关，还与病害位置以及程度相关。针对原涵洞建设完成之后的应力状态可通过施加竖向和水平向土压力得出，但涵洞的病害位置和各个位置的破坏程度具有较大的离散性，故难以准确模拟不同病害位置及病害程度组合时对涵洞力学性能的影响。公路桥梁加固设计规范（JTG522-2018）【14 中规定原结构混凝土材料特性应根据现场检测强度推算值按照现行公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（JTG3362-2018）【15 确定，本次数值分析中采用同样的方法，将原涵洞混凝土的材料特性值根据现场实测值进行折减，并依据公路涵洞设计规范（JTG/T3365-02-2020）【16 给折减后的涵洞施加土压力的标准值作为涵洞的初始应力状态，忽略涵洞损坏之后的应力释放效应。2.2二次受力的模拟为了实现原涵洞二次受力状态以及不同部分之间的相互作用进行有效模拟，经过大量的试算，最终确定两步法建模，具体的建模方法如下所示：（1）建立波纹钢板的数值分析模型，并依据混凝土结构工程施工规范（CB50666-2011)17对波纹钢板施加侧压力标准值和自重，模拟混凝土浇筑过程中流态的混凝土对波纹钢板的侧压力。（2）建立加固后的数值分析模型，但是给予混凝土填充层和波纹钢板极低的弹性模量，并不设置两者的密度，施加原涵洞的重力、竖向和水平向土压Jun.Earthquake Resistant EngineerandRetrofitting2023.152.2023年6 月工程抗震与加固改造力，计算加固时波纹钢板、混凝土填充层的初始几何形状。（3）将以上计算出的波纹钢板、混凝土填充层的初始几何形状导人到第二个分析模型，但此时给予正常的弹性模量和密度。第二个数值分析模型的第一个分析步试件的荷载同（1）中数值分析模型的荷载相同，此时利用ABAQUS中的生死单元钝化新增的波纹钢板和混凝土填充层。（4）第二个数值分析模型的第二个分析步激活加固的混凝土填充层和波纹钢板，并添加相应的接触条件，在第一个分析步的荷载作用下原涵洞与新激活的混凝土填充层相互接触。（5）第二个数值分析模型的第三个分析步施加混凝土填充层和波纹钢板重力设计值，并将（2）中的竖向土压