摘 要

如今大量现役的混凝土桥梁或多或少出现了受损情况，普通的修复方式只是简单地除去受损的混凝土层，重新浇筑上新鲜的混凝土，这种方式除了费用比较高之外，对交通造成的影响也比较大。因此，预制拼装混凝土桥面板技术应运而生，该技术首先在上个世纪50年代的美国被使用，现在该技术最多被运用在钢—混凝土组合梁桥上。而预制桥面板与下部的钢梁的连接主要是通过剪力钉焊接得以实现，其中最常见的是后浇孔连接。这种连接方式是在预制桥面板上预留一个孔，然后将剪力钉或剪力钉群焊接在钢梁上，再将剪力钉或剪力钉群放置于孔内，最后浇注上混凝土封孔。本文采用有限元分析软件ANSYS建立预制拼装混凝土桥面板的一部分实体模型，采用后浇孔连接方式与梁相连，并模拟汽车在桥面上紧急制动对预制桥面板的影响，添加适当的约束条件后求解计算，读取相应的位移云图和内力图。之后改变荷载条件，得到相应的图与数据，多组数据相结合进行分析，查看汽车紧急制动所产生的荷载大小以及作用点对预制桥面板变形以及内力的影响，为预制桥面板设计和其在实际工程中的应用提供理论依据。

关键词：预制拼装混凝土桥面板；钢—混凝土组合梁桥；剪力钉；紧急制动

Abstract

Today, a large number of active concrete bridges are more or less damaged, the ordinary way of repair is simply to remove the damaged concrete layer, re-pouring fresh concrete. In addition to this cost is relatively high, the impact on traffic is also relatively large. Therefore, precast concrete deck panel technology came into being. The technology was first used in the United States in the 50s of last century, and now the technology is most widely used in steel-concrete composite beam bridges. The connection between the precast deck panel and the lower steel beam is mainly achieved by welding with shear studs, the most common of which is the post-pouring connection. The connection is provided with a hole in the precast deck panel, then the shear studs are welded to the steel beam, then the shear studs are placed in the hole, and finally a concrete seal is poured. This paper used finite element analysis software ANSYS to establish the precast concrete deck panel which is a part of the entity model. The deck panel was connected with the beam by the post-pouring connection, and simulated the impact of vehicles’ emergency brake on the precast deck panel. After the appropriate constraint conditions were added, the corresponding displacement nephogram and internal force diagram were read out. And then changed the load conditions, got the corresponding graph and data, and multiple sets of data was combined to analyze the impact to the precast deck panel deformation and internal forces by the size and the point of the emergency brake load, which provides a theoretical basis for the design of precast deck panel and its application in practical engineering.

Key Words：precast concrete deck panel；steel-concrete composite beam bridges；shear studs；emergency brake

目录

第一章 绪论 1

1.1课题研究的背景 1

1.2课题研究的意义及目的 1

1.3预制拼装混凝土桥面板国内外研究现状 2

1.3.1国外研究现状 2

1.3.2国内研究现状 4

1.4课题研究内容 4

1.5预期目标 5

第二章 钢－混凝土组合梁桥的剪力连接 6

第三章 预制拼装混凝土桥面板模型建立 8

3.1 ANSYS简介 8

3.2有限元方法原理及求解过程 8

3.3模型建立 9

3.3.1模型尺寸的拟定 9

3.3.2定义单元类型和材料属性 10

3.3.3几何模型的建立 11

3.3.4网格划分 11

3.3.5施加约束与荷载及求解 12

13

图3.4 整体有限元模型图 13

第四章 求解结果分析 14

4.1ANSYS后处理 14

4.2静态分析 14

4.3结果处理分析 14

4.3.1位移云图分析 14

4.3.2内力图分析 17

第五章 结论与展望 21

5.1结论 21

5.2未来研究方向及展望 21

参考文献 23

附录A：ANSYS模型前处理及加载部分命令流 25

附录B：其他三组荷载条件命令流 34

致谢 37

第一章 绪论

1.1课题研究的背景

目前，全球各地都需要维修大量的混凝土桥梁，其中有相当大的一部分混凝土桥梁位于交通拥挤地区或交通量大的高速公路上，维修这些桥梁时，对交通直接或间接的影响造成的经济损失（其中包括交通维护费用）超过了修建桥梁的原始费用。为了能够快速修复受损的混凝土桥梁，国外加快了新技术的研发。研究结果证明采用预制拼装混凝土桥面板更换桥梁上的劣化混凝土桥面板，可以减少对交通造成的影响，如大大缩短了交通中断的时间，使得桥梁尽快恢复交通，投入到运行中。预制拼装混凝土桥面板施工具有不需要模板、费用低、强度高、施工时间短、对交通影响小等优点，各国很快地将该技术用于山区、海上、拥挤城市中组合梁桥的修建或修复。

1.2课题研究的意义及目的

预制桥面板有部分厚度和全厚度2种类型。部分厚度预制拼装桥面板通常用作现浇混凝土桥面板(CIP)的模板，全厚度预制拼装桥面板用作板梁桥、钢箱梁桥等多种桥梁主梁的构件。本文研究的对象为全厚度预制拼装桥面板。预制拼装混凝土桥面板系统与传统的现浇混凝土桥面板相比，具有以下几个优点：1减少施工时间和对交通的影响：使用全厚度预制拼装桥面板建造的许多项目施工时间显着减少，已被证明是现浇桥面施工所需时间的50％至75％。这些节省施工时间可以满足公众更快的施工需求，减少交通延误。减少施工时间也可减少施工人员暴露于桥梁施工的安全隐患。节省时间为安排项目进程提供了更大的灵活性，并允许承包商专注于其他关键路段项目。全厚度预制拼装桥面板系统也减轻了重交通城市地区在交通高峰期的施工限制。预制桥面板系统允许在非交通高峰期更换桥面板，尽早使整个道路开放。预制桥面板更换可以通过夜间施工，周末施工或其他非交通高峰期建设完成；2质量更好：预制桥面板系统的质量优于CIP桥面板，因为生产发生在受控的预制工厂环境中。在使用一致的铸造操作和固化技术的工厂中，由于环境条件而导致的施工变异性被消除。此外，如果出现质量问题的桥面板，可以被剔除和重铸。 一些业主和工程师发现，使用CIP桥面板，由于缺乏实用的补救措施，他们有时不得不接受具有不合要求的混凝土桥面板。预制桥面板就有效地避免了这一点，因为不会将不太理想的桥面板带到现场进行施工操作。CIP桥面板比预制桥面板更容易开裂。当混凝土放置在相对较硬的大梁上时，一旦其拉伸能力较小，它就会在放置后开始硬化，成为梁/桥面板复合材料系统的一部分。放置后的头几个小时的收缩导致受支撑梁束缚的混凝土体积减少。 这通常导致开裂，特别是在横向方向上。 通过使用固化良好的预制桥面板可以有效地减少或消除收缩裂缝，因为大多数收缩和蠕变发生在铸造后的前60天。高强混凝土在恶劣的环境条件下具有出色的耐久性，而恶劣的环境条件下桥面板更易受损或破坏，因此建议使用高强混凝土。例如，在工厂，C60和C30的混凝土桥面板浇注的施工难度相等，但在现场C35以上的桥面板更难制作。因此预制桥面板往往具有更高的强度；3重量更轻：桥面板的自重是桥梁设计载荷的重要部分，特别是对于较长的跨度结构。 通过使用高强混凝土，可以减少预制桥面板的厚度，从而减轻桥面板的重量。减轻桥面板重量有如下收益：提高新设计的结构效率，例如增加跨距长度或增加梁间距；在现有结构上进行桥面板更换时，提高桥梁极限载荷；通过在更换桥面板时增加车道的数量或宽度，增加现有结构的交通能力，而不需要对上部结构或下部结构进行太多的结构改进；降低地震荷载；减少子结构和基础荷载。4成本方面：使用全厚度预制混凝土桥面板的初始成本通常高于CIP桥面板。但这种差异的原因是预制桥面板还不够普及。不过综合其他因素，比如交通维护费用，这项费用约占项目建设成本的30〜50％，全厚度预制桥面板系统的总成本可以明显低于CIP桥面板系。

1.3预制拼装混凝土桥面板国内外研究现状

1.3.1国外研究现状

预制桥面板在十九世纪五十年代首次被使用，而在伊利诺伊州运河上的一个1956年建成的项目通常被列为早期的例子。一些国家在六十年代末七十年代初开始使用这些桥面。当时进行了几项研究项目，研究结果是积极的，现今的设计是基于这几项研究工作的。在美国，自1970年以来，全厚度和部分厚度预制拼装混凝土桥面板用于桥梁的修复和新建筑急剧增加。在之后的30年时间里，预制拼装混凝土桥面板体系理论不断得到更新完善，并且在多项工程里面使用，如新罕布什尔交通部（NHDOT）第一次使用全厚度预制拼装桥面板是重建在Winnisquam湖3号线上的蚊子桥。 选择此方法以在高峰假期期间减少与建筑相关的业务量备份。该项目于2006年3月开始，并于2006年9月18日分阶段完成。该项目成功后，NHDOT已经建立了其他几个预制桥面板项目。另外，美国沃特伯里项目是第一个使用PCINE全厚度预制拼装混凝土桥面板的项目。位于沃特伯里的六跨单线I 84 / Route 8交汇处自1991年开始服务， 2011年是服务的第20年。这个项目在42天建成，没有任何制约问题。防水膜和沥青磨损面的使用使得伸缩缝没有渗漏。 经过20年的服务，桥梁条件依旧良。

Kao和Ballinger报道了预制桥面板的静态和疲劳载荷试验，测试模型使用全尺寸组件，最多使用三个预制桥面板。测试结果证实了模块化系统，横向接缝和剪力连接器的优异性能。1986年，Mrinmay Biswas等人报道了一座桥梁的三分之一模型的设计和测试结果，该桥梁使用了预制混凝土面板模块化结构，跨度为60英尺（18米）。德克萨斯交通研究所建立了三分之一大小的比例模型，实验结果证实了之前关于复合桥面板结构的预测，后续测试中该模型在疲劳载荷下表现出令人满意的性。以聚合物为基础的结构砂浆通常用作预制构件的连接材料，这种材料优良的短期及长期表现是模块化建设成功的关键。在此之后，Biswas等人报道了典型的聚合物砂浆（硅砂环氧）的强度和耐久性。