某桁腹式PC組合梁橋的病害分析

朱曉棟

（上海市政交通設(shè)計研究院有限公司，上海市 200030）

某桁腹式PC組合梁橋的病害分析

朱曉棟

（上海市政交通設(shè)計研究院有限公司，上海市 200030）

深圳市某大學(xué)南北校區(qū)連接通道主橋采用了雙層橋面桁腹式PC組合梁結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)，橋梁墩梁固結(jié)，下部結(jié)構(gòu)采用空間放射性鋼管混凝土組合橋墩。橋梁在通車前檢測發(fā)現(xiàn)橋面板橫橋向開裂嚴重，在荷載試驗下結(jié)構(gòu)側(cè)傾震動明顯。為查清病害產(chǎn)生原因，采用精細化空間梁格模型對該新型結(jié)構(gòu)進行了空間結(jié)構(gòu)分析。空間靜力分析結(jié)果表明：恒荷載和活荷載作用下結(jié)構(gòu)頂?shù)装鍛?yīng)力水平均較低，溫度、收縮徐變二次效應(yīng)對結(jié)構(gòu)混凝土頂板產(chǎn)生較大的應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)頂板開裂嚴重；空間動力分析結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)一階主振型為側(cè)向扭轉(zhuǎn)，且頻率較低，表明了結(jié)構(gòu)側(cè)向扭轉(zhuǎn)剛度較低。

桁腹式PC組合梁；病害；空間梁格；應(yīng)力分析；側(cè)向扭轉(zhuǎn)剛度

0 引言

鋼-混凝土組合桁架梁橋最常見的方式是混凝土橋面板和鋼桁架的上弦桿通過剪力連接件相連，共同參與受力，桁架上、下弦處的橫梁和平聯(lián)不是必須的，混凝土橋面板可以替代其作用[1]。而桁腹式PC組合梁與常規(guī)的鋼桁架組合梁最大不同點在于：桁腹式PC組合梁的頂?shù)装寮仁侵苯映惺軜蛎婧奢d的結(jié)構(gòu)又必須作為桁腹結(jié)構(gòu)的上下弦桿和平聯(lián)，頂?shù)装遄鳛檎w結(jié)構(gòu)必要的構(gòu)件組成之一，其若破壞將直接導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)成為機動的結(jié)構(gòu)。

本文分析的橋梁采用了鋼管混凝土桁架腹桿+PC混凝土頂?shù)装宓蔫旄故浇M合結(jié)構(gòu)，根據(jù)其特點進行精細化空間研究分析，并分析結(jié)構(gòu)病害原因，以期對該類型橋梁設(shè)計提供一定的幫助和建議。

1 工程概況

本工程位于深圳某大學(xué)校園內(nèi)，起點位于大學(xué)北校區(qū)，由北向南上跨城市快速路后通過定向匝道接入南校區(qū)內(nèi)。橋梁共分為三聯(lián)，其中第一聯(lián)為（3.5 m+25 m+40 m+40 m+50 m+47.5 m+62.5 m+ 30 m+3.5 m）=302 m雙層橋面桁腹式PC組合連續(xù)梁橋，橋梁上層橋面為機動車道，雙向兩車道，總寬10 m；下層橋面為人行道，總寬7 m；第二聯(lián)和第三聯(lián)分別為（19.5 m+25 m+25 m）和4×25 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁。主橋總體布置見圖1和圖2。

圖1 主橋總體布置圖（單位：m）

圖2 主橋橫斷面布置圖（單位：m）

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

上部結(jié)構(gòu)采用單幅雙層布置，總高4.0 m。頂板總寬10.0 m，單側(cè)懸臂長度2.0 m，頂板厚度0.2～0.5 m。底板總寬7 m，鋼桁腹橫橋向中心距6 m，腹桿處1 m寬度范圍內(nèi)厚度為0.5 m，其余腹桿間5 m為0.25 m的等厚段。

鋼桁腹節(jié)間距5 m，斜腹桿豎向投影凈高3 m，與水平面夾角55.4°，采用Φ426×16 mm鋼管，內(nèi)部填充C50微膨脹混凝土。腹桿與頂板、底板采用雙肢鋼板T-PBL連接鍵加焊接栓釘?shù)倪B接方式。鋼桁腹節(jié)點與頂?shù)装暹B接節(jié)點處，頂?shù)装逶O(shè)置1.0 m（寬）×0.5 m(高)的橫肋，上部斷面見圖3。

圖3 主橋斷面構(gòu)造尺寸（單位：mm）

上部結(jié)構(gòu)采用三向預(yù)應(yīng)力設(shè)計，頂板橫向預(yù)應(yīng)力采用Φs15.20-5鋼絞線，底板橫向預(yù)應(yīng)力采用Φs15.20-3鋼絞線，橋墩兩側(cè)受拉力較大的腹桿布置一束Φs15.20-3鋼絞線。橋梁頂?shù)装蹇v向預(yù)應(yīng)力鋼束均采用Φs15.20-9鋼絞線，每個頂板支點上緣設(shè)置17束，橫向間距0.4 m。跨中底板設(shè)置8束，橫向間距0.6 m。縱向鋼束見圖4。

圖4 主橋斷面預(yù)應(yīng)力布置（單位：mm）

下部結(jié)構(gòu)0號臺采用坐板式擴大基礎(chǔ)橋臺，橋墩采用4肢空間放射形鋼管混凝土V形墩，立柱為Φ800×16 mm鋼管,內(nèi)部填充C50微膨脹混凝土。墩頂鋼管橫橋向間距6 m，順橋向間距為5 m，立柱鋼管墩底縱橫間距均為2.5 m。立柱頂部設(shè)置4根Φ351×12 mm鋼管系梁。基礎(chǔ)采用4根1.2 m直徑?jīng)_孔樁，承臺為4.7 m×4.7 m矩形承臺，承臺厚度1.5 m，橋墩高度在5～8 m之間。

除0號橋臺外，橋墩均采用墩梁固結(jié)的無支座設(shè)計，鋼管混凝土立柱與與上部結(jié)構(gòu)底板采用雙肢鋼板T-PBL連接鍵加焊接抗剪栓釘?shù)膭傂赃B接方式。

3 病害情況

主橋在2015年6月開始進行施工，2016年6月施工完畢。施工完畢拆除支架后對主體結(jié)構(gòu)進行檢測時發(fā)現(xiàn)，頂板結(jié)構(gòu)橫橋向開裂嚴重（由于橋面鋪裝已施工完畢，外觀檢測的裂縫均為頂板下緣），全橋頂板共計發(fā)現(xiàn)207條橫向裂縫，裂縫寬度超過0.2 mm的共計8條，橫向貫通的裂縫55條，裂縫分布沿順橋向均勻布置，墩頂位置相對密集。結(jié)構(gòu)底板未發(fā)現(xiàn)明顯的開裂現(xiàn)象。

為檢驗橋梁的成橋受力狀況，在2016年7月進行了荷載實驗，根據(jù)相關(guān)檢測實驗規(guī)范，采用了5輛38 t重的汽車隊62.5 m橋跨進行了四級偏心加載，在加載到三級荷載（四輛試驗車輛）時，觀測到橋面欄桿、護欄、護欄和鋼桁腹桿存在明顯的橫向晃動，且側(cè)傾明顯，故終止荷載試驗。

4 結(jié)構(gòu)分析

由于桁腹式組合梁腹桿的不連續(xù)性，其截面受力不完全滿足平截面假定，因此不能采用單一的梁單元來建模分析。從截面組成來看，桁腹式PC組合梁本身可以分解為3個組成部分：頂板、桁架腹桿、底板，整個斷面可以離散為“板”和“梁”的混合體系。

板單元計算結(jié)果不能很方便的指導(dǎo)配筋設(shè)計，而空間梁格模型就是基于“板梁”混合體系，將頂?shù)装咫x散為十字交叉的空間正交梁格，板厚在斷面上變化均演變?yōu)榫植靠v橫梁的梁高變化，這樣整個結(jié)構(gòu)均為梁單元體系，其結(jié)果可以直接與規(guī)范的條文進行適應(yīng)對比。

計算采用精細化空間梁格模型進行結(jié)構(gòu)分析，既可滿足整體受力分析，又可以滿足橫向受力分析的要求[2]。通過對于連接節(jié)點的細化模擬，還可以得到桁腹桿的端部內(nèi)力和應(yīng)力，滿足節(jié)點端部設(shè)計要求。

4.1 空間模型的建立

采用Midas Civi 2015建立空間梁格模型，頂板和底板采用密集型空間網(wǎng)格狀梁格，網(wǎng)格間距最大不超過0.25 m。腹桿及下部結(jié)構(gòu)單元受力較為明確，單元劃分的長度相對大點。全橋共建立193 405個單元，98 939個節(jié)點，空間模型如圖5。

圖5 全橋有限元模型

4.2 使用荷載頂?shù)装鍛?yīng)力分析

根據(jù)空間模型計算結(jié)果，按位置輸出頂?shù)装迨褂煤奢d單向應(yīng)力如下表1～表4所示。

表1 頂板使用荷載單項應(yīng)力 MPa

表2 頂板使用荷載單項應(yīng)力 MPa

表3 底板使用荷載單項應(yīng)力 MPa

表4 底板使用荷載單項應(yīng)力 MPa

分析結(jié)果顯示，頂板由于溫度次應(yīng)力占所有拉應(yīng)力的20%～54%，收縮徐變次應(yīng)力占所有拉應(yīng)力的11%～36%。底板由于溫度和收縮徐變產(chǎn)生的次效應(yīng)則比例較低。

4.3 成橋狀態(tài)下頂?shù)装宓膽?yīng)力分析成橋階段各位置的頂?shù)装鍛?yīng)力如表5和表6。根據(jù)分析結(jié)果可知，成橋狀態(tài)下：

（1）頂板大部分位置的拉應(yīng)力均超過C60混凝土抗拉強度設(shè)計值1.96 MPa，最大達到9.3 MPa。

（2）底板的薄弱點位于預(yù)應(yīng)力錨固點后方，主要由預(yù)應(yīng)力局部效應(yīng)引起。

4.4 發(fā)正常使用階段頂?shù)装蹇沽羊炈?/p>

根據(jù)前述計算結(jié)果，將活載效應(yīng)與各使用荷載單項進行組合，得到正常使用階段頂?shù)装蹇沽羊炈闳绫?-表8。

表5 頂板成橋狀態(tài)應(yīng)力 MPa

表6 底板成橋狀態(tài)應(yīng)力 MPa

表7 短期效應(yīng)組合頂板抗裂驗算匯總表 MPa

表8 短期效應(yīng)組合底板抗裂驗算匯總表

根據(jù)組合結(jié)果，短期效應(yīng)作用下：

（1）頂板截面沿順橋向均出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力均超過規(guī)范的限值。

（2）底板截面上緣、下緣沿順橋向,在近支點和錨后均出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)力均為預(yù)應(yīng)力錨后局部應(yīng)力。

4.5 動力特性分析

動力特性分析采用多重Ritz向量法，將結(jié)構(gòu)的二期荷載其他附屬荷載均轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)質(zhì)量，結(jié)構(gòu)的自重由程序按集中質(zhì)量法轉(zhuǎn)換為質(zhì)量。結(jié)構(gòu)的前8階振型結(jié)果見表9。

表9 結(jié)構(gòu)前8階振型參數(shù)列表

動力特性分析結(jié)果表明：振型1～振型5均為上部結(jié)構(gòu)主梁側(cè)扭，其頻率介于0.87 Hz～1.91 Hz；振型1～8自振頻率均小于3，其中振型8為豎向主振型，自振頻率為2.79 Hz。

5 結(jié)語

（1）結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果基本驗證了成橋檢測的結(jié)果，即頂板沿順橋向開裂嚴重。

（2）結(jié)構(gòu)采用了墩梁固結(jié)的體系且結(jié)構(gòu)剛度較大，頂板溫度、收縮徐變次應(yīng)力占比較大，跨中無預(yù)應(yīng)力鋼束區(qū)域則是由上述次效應(yīng)疊加預(yù)應(yīng)力次效應(yīng)產(chǎn)生拉應(yīng)力。

（3）振型模態(tài)1～5均為結(jié)構(gòu)主梁扭轉(zhuǎn)，頻率介于0.87 Hz～1.91 Hz，主梁側(cè)向扭轉(zhuǎn)剛度較弱。

（4）振型1～8頻率均小于3，其中振型8為豎向主振型，自振頻率為2.79 Hz，模態(tài)1～模態(tài)8的基頻均不滿足人行天橋?qū)Y(jié)構(gòu)基頻的要求。

[1]邵長宇．梁式組合結(jié)構(gòu)橋梁[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[2]黃華琪，張建東，劉釗．鋼桁腹式混凝土組合箱梁橋的空間梁格模型[J]．現(xiàn)代交通科技，2011，8（6）：27-30.

[3]JTG D62-2004，《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[S].

U445.7+1

B

1009-7716（2017）08-0212-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.066

2017-05-01

朱曉棟（1981-），男，江蘇東臺人，工程師，從事橋梁工程設(shè)計工作。