系桿有效力對系桿拱橋的敏感性分析

彭世恩 曹火勇 郝天之

文章利用Midas有限元軟件對系桿拱橋進行建模計算分析，針對系桿拱橋在系桿有效力分別損失5%、10%、15%、20%、30%的情況下，分析對拱橋結構中拱、橋墩和基礎的受力影響，探討系桿有效力對系桿拱橋結構受力敏感性，對系桿拱橋加固設計施工和養(yǎng)護有一定參考價值。

系桿拱橋;有效力;敏感性

U448.22+5-A-21-070-4

0?引言

人們早期建設一些系桿拱橋時，對其存在的缺點認識不足，導致系桿在后期運營和養(yǎng)護加固過程中存在諸多尚未解決的難題[1]。如系桿有效力在營運過程中損失，系桿后期備用索張拉、系桿銹蝕斷裂及更換，系桿運營階段有效力評估等問題[2]。主要問題是系桿有效力或預應力損失到什么程度會對橋梁結構帶來安全隱患[3]，系桿有效力損失后表現(xiàn)出什么形式時應對系桿進行補充或更換。

前期設計的系桿拱橋，系桿保護方式主要為系桿與保護鋼箱置于橋面板上，箱內填塞瀝青麻絮和黃油，外部再包以混凝土成為永久防護。此種保護方式在后期營運一段時間后普遍存在密封不嚴、極易遭受周圍環(huán)境腐蝕和系桿有效力松弛等現(xiàn)象，嚴重時系桿會出現(xiàn)銹蝕、斷裂等情況，在運營過程中對系桿有效力大小和系桿的病害情況的檢測存在較大難度。本文通過對系桿有效力損失值做計算分析和比較，分析拱橋結構對其系桿有效力的敏感性，找出系桿有效力變化對整個橋梁結構受力的影響。從橋梁結構構件受力和位移變化推導出系桿有效力的損失情況，以確定是否需要對其系桿有效力做補強。

1?工程背景

該橋為主孔為1～150 m鋼管混凝土下承式系桿拱，引橋為8～25 m預應力混凝土空心板，橋梁全長366 m。設計荷載標準：汽—20，掛—100，人群荷載：3.5 kN/m2。由于長期河對岸煤礦超限超載車輛較多和營運時間較長，橋梁出現(xiàn)了一定程度的損傷，需對其維修加固，包括對系桿有效力的補強。

該橋系桿有效力損失包括系桿自身的松弛和鋼絞線的銹蝕損傷。鋼絞線銹蝕的主要原因為防銹體系密封性較差，保護混凝土箱內有積水，導致拱橋系桿局部完全裸露于大氣中，系桿與水汽和大氣接觸發(fā)生嚴重銹蝕，局部存在鋼絞線斷裂等情況。

針對系桿有效力損失情況，現(xiàn)階段還沒有精確的方式進行檢測評估。故采用建模分析計算來確定橋梁結構構件受力和系桿有效力大小的關系，從橋梁外觀表現(xiàn)出的變形和內力變化推導出系桿實際有效力值。

2?結構建模計算分析

本次計算采用成熟的有限元分析軟件Midas Civil做建模計算，其中單元1#～540#為主拱上下弦桿，單元541#～1040#為主拱斜桿和豎桿，單元1041#～1162#為主拱橫撐，單元1163#～1200#為吊桿，單元1700#～1755#為橋墩樁基，其余單位為系桿和橋面板。橋梁的有限元模型見圖1。

原橋系桿每肋采用124股15.24 mm高強鋼絞線，兩端用YM15-31群錨錨具錨固，橋梁系桿有效力損失程度未知。經檢測單位打開系桿箱后發(fā)現(xiàn)黃油流失嚴重，系桿鋼絞線存在銹蝕和斷裂情況，建議增加系桿有效力。為了解其橋梁系桿有效力的損失程度，通過建模分析推斷系桿有效力損失對橋梁結構各構件受力和變形的敏感性。經橋梁長期運營系桿有效力損失程度假定分別為5%、10%、15%、20%、30%，計算該拱橋主拱特征截面內力值、主拱位移、邊跨橋墩和橋墩樁基礎內力、位移值等。

經計算，該系桿拱橋成橋時系桿有效力為23 920 kN，此狀態(tài)下各項結構指標均趨于合理。當系桿有效力損失率分別在5%、10%、15%、20%、30%情況下與最初狀態(tài)比較，主拱選擇特征斷面為拱腳、1/4拱跨和拱頂?shù)墓?jié)點和單元，橋墩和樁基選擇頂部、中部、底部三個特征節(jié)點和單元，分析數(shù)據(jù)為位移、內力和應力變化值。

3?結構對系桿有效力的敏感性

（1）系桿有效力對位移的影響

主拱豎向撓度影響較為明顯位置在主拱上下弦各控制點，相對結構初始狀態(tài)在系桿有效力損失時均產生下?lián)希绊斘恢孟聯(lián)现底畲螅聯(lián)现岛拖禇U力損失值基本呈線性變化趨勢。具體結果見圖2。

系桿有效力變化和拱上控制點、橋墩和樁基的控制點的水平位移變化值呈現(xiàn)出無規(guī)律性，如圖3所示。在橋墩和樁基控制節(jié)點處系桿有效力對其影響明顯，主要是系桿有效力能有效制約了橋墩和樁基變形。

（2）系桿有效力對內力的影響

系桿拱橋拱上各控制截面上下弦單元桿件內力變化見圖4，系桿有效力的損失引起的主拱上下弦桿件軸力變化較為明顯，同時變化幅度和系桿有效力損失基本呈線性關系。

系桿拱橋拱上各控制豎桿和斜桿的單元桿件在系桿有效力損失變化中，當系桿有效力變化在15%以內時，基本不受影響。系桿有效力變化進一步加大時，在1/4拱跨位置的豎斜桿單元軸力值呈現(xiàn)急劇變化，但其余各控制截面的單位桿件相對影響較小。豎桿和斜桿內力變化規(guī)律詳見下頁圖5。

系桿有效力變化對豎直橋墩豎向軸力不會產生影響，而對群樁基礎的樁基軸力在橋的內外側影響較大。從圖6可以得知，群樁的樁基礎呈現(xiàn)線性變化關系，由于系桿有效力的減少，橋墩呈向外側傾斜的趨勢，導致橋內側樁基軸向力減小，橋外側樁基軸向力增加。增加趨勢呈現(xiàn)線性變化，每增加5%的系桿有效力時，樁基軸力變化幅度在2 000 kN左右。

系桿力變化過程中，對拱上下弦桿和豎斜桿內力彎矩值基本無影響。這主要是由于主拱承受拱軸力為主，而彎矩影響較小。從數(shù)據(jù)來看，基本內力變化呈現(xiàn)出線性關系，表現(xiàn)形式見圖7、圖8。

系桿有效力變化對橋墩內力影響較大，在20%范圍內變化時，基本呈線性變化，即系桿有效力變化幅度為5%時，影響最大處的橋墩底部變化幅度為5 000 kN·m。但是當系桿力變化達到30%時，橋墩底部的變化達到了60 000 kN·m，此時橋墩承載能力已經出現(xiàn)降低，接近于破壞狀態(tài)（見圖9）。

（3）系桿有效力對應力的影響

主拱上下弦在系桿有效力變化過程中，對于主拱應力影響變化幅度較小，隨系桿有效力變化而應力隨之增加，變化最大的拱腳下弦處在系桿有效力20%變化幅度內，下弦應力的變化基本呈線性，即系桿有效力損失變化幅度為5%時，應力值的變化為1 MPa。其余各特征位置也呈現(xiàn)相應變化，系桿有效力變化幅度達到30%時，除在拱腳位置的下弦影響很大外[4]，其余部分呈線性變化的情況（如圖10所示）。

拱豎斜桿應力隨系桿有效力變化影響大，但變化幅度呈現(xiàn)無規(guī)則性，變化最大幅度出現(xiàn)在拱頂豎桿，如圖11所示。

系桿有效力變化對拱橋群樁基礎內側樁基底應力影響大，在20%系桿有效力變化中應力呈線性變化，而系桿有效力變化5%時橋內側樁基應力變化幅度為2 MPa（如圖12所示）。

通過對系桿力變化對結構的敏感性分析，建立模型數(shù)值計算，基本判斷該橋的系桿損失為15%左右，對該橋的承載能力有很大削弱，后續(xù)對該橋做了封閉交通后增補系桿有效力的維修加固處治。

4?結語

對于早期修建的系桿拱橋，由于系桿箱內病害發(fā)生，將導致其系桿有效力出現(xiàn)降低的情況。本文以跨度為150 m下承式系桿拱橋為基礎，通過有限元軟件計算建模，針對系桿拱橋在系桿有效力分別損失5%、10%、15%、20%、30%的情況下，對拱橋結構中拱、橋墩和基礎的受力影響進行敏感性分析，得出了以下結論：

（1）對主拱上下弦各控制點豎向撓度影響較為明顯，拱頂位置下?lián)献畲螅境尸F(xiàn)線性變化趨勢，但主拱、橋墩和樁基控制點水平位移呈非線性變化，所以系桿有效力損失表現(xiàn)在下?lián)系那闆r可作為一個重要指標判斷。

（2）上下弦桿件軸力變化較為明顯，變化幅度呈線性變化。對群樁基礎的樁基軸力橋的內外側影響較大，群樁的樁基礎、橋墩內力影響呈現(xiàn)線性變化。橋墩有向外側傾斜的趨勢，導致橋內側樁基軸向力減小，橋外側樁基軸向力增加。由于主拱主要以承受拱軸力為主，對主拱上下弦桿和豎斜桿內力彎矩值基本無影響，對系桿主拱各控制截面豎桿和斜桿的單元桿件影響很小。豎直橋墩豎向軸力基本不會產生影響，拱橋群樁基礎內側樁基底應力受系桿有效力變化影響幅度較大。

（3）隨著系桿有效力的變化，橋梁局部構件受力受到影響且呈線性變化趨勢，所以可從橋梁結構構件變形、變位情況推導系桿有效力變化范圍，確定系桿有效力的損失情況，判斷對系桿有效力是否應補強[5]，為后期增加系桿有效力和結構加固施工、養(yǎng)護提供參考依據(jù)。

參考文獻：

[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋設計與施工[M].北京：人民交通出版社，1999.

[2]康孝先，胡?江，彭世恩，等.大跨徑飛燕式系桿拱橋系桿更換關鍵技術研究[J].預應力技術，2017（6）：15-21.

[3]郝天之，張玉新，李世深.連續(xù)PC剛構橋下?lián)献冃蚊舾幸蛩胤治鯷J].西部交通科技，2009（12）：71-74.

[4]張?明，汪?宏，耿?波.中承式鋼管混凝土系桿拱橋拱腳應力分析[J].西部交通科技，2012（4）：27-32.

[5]毛?錚.某剛性吊桿系桿拱橋病害分析及加固對策研究[J].西部交通科技，2018（6）：122-126.