預應力混凝土箱梁砸擊后損傷檢測與仿真分析

王鳴軍

(常州市市政管理處，江蘇常州 213002)

0 前言

2012年12月22日上午11時左右，常州某大橋引橋第五聯附近打樁機倒塌，橋梁受到撞擊多處受損。為全面了解和掌握此次事故對橋梁結構總體技術狀況和安全性能的影響，本文選取砸擊事故后受損的預應力混凝土箱梁為研究對象，通過對受損橋梁主體結構及其附屬構件的全面檢查結果，掌握了大橋橋面砸擊后重要結構部位的技術狀況。同時，對橋面砸擊進行了結構損傷仿真分析，研究了橋面砸擊引起的箱梁受力分布規律[1-4]。從而為此類事故造成的橋梁損傷狀況及其加固維修提供了經驗與技術支撐。

1 工程概況

事故橋梁為常州市某大橋引橋第五聯，跨徑組合為(3×30)m，單箱5室結構，分別于支座處和每跨跨中處設置橫隔板，箱梁橫斷面為斜腹板截面，橋面寬度30.5m，底板寬23.5 m。箱梁高1.70m，頂板厚25 cm，底板厚22 cm～40 cm，腹板厚45 cm～75 cm。主梁采用C50混凝土，橋墩、橋臺采用C30混凝土，橋面鋪裝采用8 cm厚瀝青混凝土鋪裝+1mm防水層+5 cm厚鋼筋混凝土鋪裝。設計荷載：公路-I級，人群荷載：3.5 kN/m2。橋梁總體布置如圖1所示，事故現場參見圖2所示。

2 箱梁砸擊后受損區域調查

通過對大橋受到砸擊后的損傷和缺陷進行全面、細致、深入的現場檢查，查明結構主要構件的損傷區域及損傷程度，以便能分析、評價損傷對橋梁技術狀況產生的影響。

圖1 常州市某大橋引橋第五聯總體布置及典型斷面圖(單位：cm)

圖2 常州市某大橋引橋第五聯受打樁機倒塌砸擊事故現場

經事故現場調查與測定，打樁機砸擊后大橋主要受損區域包括：(1)受砸擊區域主要為引橋第五聯15#～16#墩間跨；(2)橋面鋪裝與箱梁頂板砸擊面積大致為(1.5×1.5)m2，沿橋梁縱向為15#～16#墩間跨東側距15#墩頂伸縮縫中心21.0m～22.5m，橫向為東側端部5.2 m～6.7 m范圍。砸穿區域附近橋面鋪裝多處位置有坑槽；(3)東側約7.6 m非機動車道欄桿、約5.7 m分隔墩欄桿被砸斷，相應受損部位下方混凝土局部破損。

3 箱梁砸擊后結構技術狀況檢測結果

3.1 箱梁表觀狀況檢查

針對箱梁受到直接砸擊的情況，深入檢查箱梁混凝土頂板、腹板及底板混凝土損傷狀況。檢查區域參見圖3所示，共檢查了A～E五個箱室。

圖3 檢查區域示意圖

A箱室檢查結果表明：(1)約(4.0×4.0)m2區域頂板混凝土受沖擊破碎、劈裂、脫空(敲擊)。由于砸擊區靠近中腹板，所以靠近中腹板區域頂板破損更為嚴重。(2)受砸區附近縱向預應力筋錨固齒板混凝土受損嚴重，室內東(近邊腹板)、西(近中腹板)兩側錨固齒板混凝土均在頂板連接處破碎，西錨固齒板尤為嚴重，鋼筋露出。(3)東側錨固齒板沿錨固尖端形成約40 cm×40 cm的劈裂區(混凝土尚未脫落)，西側錨固齒板沿錨固尖端形成長約30 cm、寬約0.12 mm的斜向分叉裂縫。頂板損傷區域具體位置及技術狀況參見圖4、圖5所示。

圖4 A箱室內箱梁頂板受損區域示意圖(單位：cm)

圖5 A箱室內箱梁頂板、預應力錨固齒板受損實景

B箱室檢查結果表明：(1)箱室內混凝土受損區域主要為A、B箱室間的中腹板和與之相交的頂板區域，且A、B箱室實測受損中心位置在縱向上基本吻合；(2)頂板混凝土形成(4.0×0.2)m2的劈裂區域；腹板與頂板交接處混凝土縱向開裂，開裂長度約4.0 m，寬度約0.4～0.7 mm；(3)在砸擊中心區域兩側，腹板混凝土產生5條斜向裂縫L1～L5，裂縫L1長約0.3m，寬小于0.1mm；裂縫L2長約1.3m，寬約0.2mm；裂縫L3長約1.0m，寬約0.12mm；裂縫 L4長約 0.5 m，寬約0.2 mm；裂縫L5長約 0.6 m，寬約0.08～0.1 mm。損傷區域具體位置及技術狀況參見圖6、圖7所示。

圖6 B箱室內箱梁頂、腹板受損區域示意圖(單位：cm)

圖7 B箱室內箱梁頂板、預應力錨固齒板受損實景

C、D、E箱室檢查結果表明：箱室內混凝土頂、底、腹板混凝土基本完好，未發現劈裂、破碎區域。縱向預應力筋錨固齒板混凝土錨固完好，未發現劈裂、破碎及開裂區域。

3.2 預應力鋼筋及主筋受損狀況檢查

針對砸擊區域鋼筋外露情況，深入檢查預應力鋼筋及主筋受損狀況。檢查結果表明：(1)A箱室受砸區箱梁頂板3根縱向預應力鋼筋(近邊腹板1根、近中腹板2根)被砸外露，受損較為嚴重。鋼筋局部下凹變形且波紋管破損。(2)A箱室受砸區箱梁頂板3根(間距約50 cm)橫向預應力鋼筋被砸外露，鋼筋受損非常嚴重。被砸處波紋管局部破損，并且中間一根下凹變形明顯。(3)A箱室受砸區箱梁頂板主筋被砸彎、下凹變形嚴重，其余混凝土劈裂區域大量鋼筋外露；橋面鋪裝層鋼筋網被砸斷、彎曲。技術狀況參見圖8所示。

圖8 A箱室內預應力鋼筋被砸外露，局部下凹變形，波紋管局部破損，主筋被砸彎實景

4 結構損傷仿真分析與討論

4.1 計算方法及模型

計算采用大型有限元分析軟件MIDAS/FEA。混凝土箱梁采用空間實體單元模擬，預應力鋼筋采用空間桿系鋼筋單元進行模擬。該大橋引橋第五聯有限元分析模型單元劃分考慮計算效率和計算精度，于砸擊荷載作用區域內單元長度細化為0.5 m，同跨其他部位單元長度取1 m，其他兩跨單元長度取2 m。共29 817個實體單元，5 855個預應力鋼筋單元。由于現場倒塌荷載砸擊的具體狀態無法準確確定，此次計算分析取倒塌的打樁機重量6 t，動荷系數約200[5]。砸擊荷載采用面荷載模擬，作用面積約(1.5×1.5)m2。結構損傷仿真分析有限元模型及計算荷載模擬參見圖9所示。

4.2 仿真分析結果與討論

在假定的砸擊荷載作用下，箱梁頂板理論受損區域大于實測受損區域，大致在(5.5×7.0)m2左右，頂板理論受損區域如圖10所示。受砸區同一箱室內邊、中腹板應力水平較大，其他箱室內腹板應力水平相對較小。其中，受砸擊影響最顯著部位位于中腹板與頂板交接區域，大致在(4.0×0.5)m2左右。底板受砸擊影響最顯著部位位于邊、中腹板交接區域，均在(1.5×1.5)m2左右。受損區域中心縱向位置與砸擊區域相同。

圖9 結構損傷仿真分析有限元模型

圖10 箱梁頂板理論損傷區域示意圖

5 結論

(1)橋面鋪裝與箱梁頂板砸擊面積大致為(1.5×1.5)m2，直接砸穿。A箱室約(4.0×4.0)m2區域頂板混凝土受沖擊破碎、劈裂、脫空。受砸區附近兩側縱向預應力筋錨固齒板混凝均在頂板連接處破碎，鋼筋露出。B箱室頂板混凝土形成(4.0×0.2)m2的劈裂區域，腹板與頂板交接處混凝土縱向開裂，腹板混凝土產生5條斜向裂縫。

(2)受砸區A箱室箱梁頂板3根縱向、3根橫向預應力鋼筋被砸外露，鋼筋局部下凹變形且波紋管破損。頂板主筋被砸彎、下凹變形嚴重。鋪裝層鋼筋網被砸斷、彎曲。

(3)砸穿區域附近橋面鋪裝多處位置有坑槽。約7.6 m非機動車道欄桿被砸斷，約5.7 m分隔墩欄桿被砸斷。

(4)在假定的砸擊荷載作用下，理論仿真分析頂、底板及腹板受損面積略大于實測結果。

[1]譚晟.高等級公路橋梁空心板開裂原因分析研究[D].成都：西南交通大學，2008.

[2]金玉泉.橋梁的病害及災害[D].上海：同濟大學，2006.

[3]黃穎.混凝土板橋病害原因分析及加固方法研究[D].西安：長安大學，2005.

[4]張勁泉，王文濤.橋梁檢測與加固手冊[M].北京：人民交通出版社，2007.

[5]Anil K.Chopra.結構動力學理論及其在地震工程中的應用[M].北京：清華大學出版社，2005.