云南某橋梁結構檢測技術研究與ANSYS模擬分析

潘 昆

1 工程概況

該大橋位于云南省曲靖市，是連接曲靖市南北的咽喉要道，在交通運輸中起到至關重要的地位。該橋為桁架拱橋，橋梁全長455 m，橋面寬 22.5 m。共分 13孔，每孔跨徑35 m。橋梁上部結構形式為斜桿式鋼筋混凝土桁架拱。主梁混凝土設計標號不詳，受力主筋相當于Ⅰ級光圓鋼筋。原設計荷載等級約相當于汽車—20級、掛車—100。

上部結構由12片桁架梁分兩段預制安裝，拱矢跨比為f/L=1/8，桁架梁間距為2.02 m。桁架與桁架上弦設橫隔板和橫拉桿聯系，下弦用挖空隔板連接，其他設剪刀撐加強橫向穩定。均采用預制橫系構件焊接和焊接后澆灌接頭混凝土。每孔桁架兩端現澆聯系梁，架設復孔板。桁架與桁架間鋪設預制微彎板，在復孔板和微彎板上鋪設鋼筋網。

2 橋梁檢查

2.1 橋梁外觀檢查

拱肋:拱肋整體狀況較好。第1孔的4號、6號拱肋和第13孔的8號拱肋在拱頂截面附近的下緣發生橫向受彎開裂，裂縫寬度約2 mm～5 mm，自底邊向上延伸5 cm～10 cm。其他拱肋拱頂未見開裂;橫系梁:第4孔墩頂處邊肋橫梁因滲水導致混凝土受腐脫落、鋼筋外露銹蝕。第8孔墩頂處1號、2號肋之間橫梁處有一明顯斜裂縫，寬度1 cm，長度40 cm。其余橫系梁未見開裂、鋼筋銹蝕現象;腹桿:腹桿狀況較好，除第1孔9號肋個別斜腹桿受彎開裂，其他腹桿均無開裂現象;剪刀撐:第5孔5號、6號肋之間剪刀撐根部開裂明顯寬度為0.5 mm的通縫，第6孔3號、4號肋之間剪刀撐根部開裂寬度0.2 mm，長度20 cm。其余各孔未見有開裂現象;墩臺檢查:橋梁墩身狀況較好，除了部分混凝土表面的溫度裂縫和收縮裂縫外，并未見有大的受力裂縫及大的破損。

2.2 橋梁內部結構測試

2.2.1 混凝土碳化情況測試

本次檢測采用現場鉆孔，然后噴酚酞試劑的方法來測試原橋混凝土碳化深度。檢測結果表明，橋梁各構件混凝土碳化程度嚴重，碳化深度均大于6 mm，主拱圈和直腹桿的碳化深度分別為25 mm，27 mm，基本達到受力鋼筋的位置，鋼筋易受到有害物質的侵害;橋臺和主墩的碳化深度均大于30 mm，說明橋臺和主墩的混凝土品質較差，密實度不好，等級較低。

2.2.2 混凝土抗壓強度測試

主拱圈混凝土的平均強度為36.2 MPa，直腹桿混凝土的平均強度為34.8 MPa，斜腹桿混凝土的平均強度為38.3 MPa，剪刀撐混凝土的平均強度為 32 MPa，橋臺混凝土的平均強度為26.5 MPa，主墩混凝土的平均強度為24.3 MPa。

根據推算出的混凝土強度值，由經驗公式可估算出混凝土的實際彈性模量為:主拱圈 E=30.1 MPa，直腹桿 E=30.9 MPa，斜腹桿 E=30.3 MPa，剪刀撐 E=25 MPa，橋臺 E=21.7 MPa，橋墩E=18.2 MPa。

3 原結構設計內力計算

3.1 橫向分布計算

為準確把握橋梁在活載作用下的受力狀態，利用ANSYS建立空間桿系模型，使用直接法計算桁架拱橋的橫向分布系數，計算得到了拱頂截面的橫向分布影響線和橫向分布系數，見圖1，表1。

表1 拱頂橫向分布系數

表2 汽車荷載作用最不利彎矩及最不利軸力

3.2 活載內力計算

根據各截面內力影響線(見圖 2)，按照汽車—20、掛車—100、人群3.5 kN/m2計算拱頂、拱腳截面在活載作用下的最不利內力，計算時不計汽車沖擊力。表2為活載最不利內力計算結果。

4 靜力荷載試驗

4.1 加載原則及加載車輛

實際加載時，采用的車輛為6臺中國長春一汽重型車廠生產的FAW 解放型翻斗汽車，單車總重300 kN，車輛特性參數見表3。

表3 加載車輛參數

4.2 與活載設計內力比較

按上述加載工況和試驗加載載位進行荷載加載，得到各控制截面試驗荷載的內力。

將計算出的在試驗荷載作用下的控制截面內力與設計活載作用下的控制截面內力進行比較，結果見表4。

表4 活載設計內力與試驗內力的比較

從表4中可以看出，各控制截面的試驗荷載產生的效應與設計荷載產生的效應的比值，即試驗荷載效率系數在0.86～1.04之間，滿足試驗荷載效率系數0.85＜η＜1.05的試驗要求。

4.3 靜力荷載試驗結果及分析

1)撓度測試及結果分析。

由兩種工況下撓度實測值與理論值的比較結果可以看出，在試驗荷載的作用下，各測試截面的實測撓度均與理論撓度相近，校驗系數在0.79～0.95之間，且實測的各截面撓度值均小于《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》中關于梁式橋豎向撓度允許限值[f]≤l/600的要求，說明該橋實際剛度足夠，整體變形、完整性滿足設計要求，其工作性能較好，承載能力有一定的富余。

當試驗荷載卸除后，控制截面的撓度基本恢復為試驗前的初始狀態，殘余撓度很小，最大為6.28%，遠遠小于20%，說明在試驗過程中結構始終處于良好的彈性工作狀態。

2)應變測試結果及分析。

在試驗荷載的作用下，各測試截面的實測應變值均與理論應變值相近，校驗系數在0.79～0.94之間，說明在試驗荷載作用下，結構的強度能夠滿足使用要求。

從應變實測值與理論值的比較結果可以看出，各測試截面在試驗荷載作用下的相對殘余變形很小，最大值為8.33%，遠遠小于20%。說明結構處于良好的彈性工作狀態。

3)應變測試結果及分析。

在試驗荷載作用下，主梁原有裂縫未發展，未見有新裂縫產生，說明結構處于彈性工作狀態。

5 結語

通過對該大橋的主要受力部位，如拱肋、微彎板、橫系梁、腹桿、剪刀撐等部位進行全面細致的外觀檢查，對裂縫的分布、結構外形、混凝土強度、混凝土碳化深度及鋼筋銹蝕情況進行測量，以及通過靜荷載作用下的應力及撓度測試等試驗后，對試驗結果進行分析，得到以下結論:

1)通過外觀檢查，除個別孔出現滲水、鋼筋外露銹蝕、混凝土受腐情況外，整體狀況良好。

2)經過超聲—回彈綜合法檢測后，發現主拱圈混凝土強度和墩柱混凝土強度均滿足設計要求和使用要求，經鋼筋銹蝕試驗可知該橋上部結構鋼筋狀況良好。

3)在汽—20，掛—100級靜態試驗荷載作用下，橋梁反映出來的撓度特征表明，試驗孔上部結構的實際豎向剛度滿足現有汽—20，掛—100設計要求。

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