南塢大橋?yàn)?zāi)后安全性評(píng)定

張中俊 蓋軼婷

0 引言

我國幅員遼闊，也是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)的國家，而作為城市間、區(qū)域間的紐帶——公路，其功能的特殊性決定了必須穿越大量的復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造，因此受地質(zhì)災(zāi)害影響的幾率也較大。本文以受滑坡體沖擊的南塢大橋結(jié)構(gòu)安全鑒定為背景，對(duì)該橋病害產(chǎn)生的成因以及安全性進(jìn)行科學(xué)分析評(píng)價(jià)。

1 病害現(xiàn)狀

南塢大橋上部結(jié)構(gòu)為三聯(lián)先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)組合箱梁橋，跨徑組合：(5×25+5×25+5×25)m。橋面系為雙幅分離式布置，單幅截面由四個(gè)預(yù)應(yīng)力小箱梁組成，橋面寬為：0.5 m(防撞護(hù)欄)+10.75 m(行車道)+0.5 m(防撞護(hù)欄)。上部梁高142.4 cm，下部采用直徑150 cm的雙柱式墩，墩高在11.623 m～20.9 m，U形橋臺(tái)，樁基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅰ級(jí)。大橋全貌見圖1。

該橋在建設(shè)過程中南側(cè)山體曾出現(xiàn)過滑坡地質(zhì)災(zāi)害，滑坡體對(duì)8號(hào)段橋跨區(qū)域產(chǎn)生了較大沖擊。橋梁完工后發(fā)現(xiàn)8號(hào)A墩柱內(nèi)側(cè)有9條可見半環(huán)橫向裂縫，裂縫最大寬度值為0.59 mm，最大長度為2.6 m;外側(cè)墩有8條可見半環(huán)橫向裂縫，裂縫最大寬度值為0.26 mm，最大長度為2.1 m，上述裂縫均超出規(guī)范限制。

2 病害成因分析

為明確病害成因，本文采用大型數(shù)值分析程序ANSYS對(duì)南塢大橋進(jìn)行了分析。

2.1 數(shù)值分析

1)樁土模擬—土彈簧單元。樁土作用歷來就是上下部聯(lián)合分析的難點(diǎn)，本文采用Link10單元來模擬。該單元獨(dú)一無二的雙線性剛度矩陣特性使其成為一個(gè)軸向僅受拉或僅受壓桿單元。使用只受壓選項(xiàng)時(shí)，如果單元受拉力作用，剛度就消失。因此本文采用該單元對(duì)樁基與其周圍土體的相互作用進(jìn)行模擬［1］。

2)樁基模擬。樁基模擬采用Beam4單元，該單元是一種可用于承受拉、壓、彎、扭的單軸受力單元。這種單元在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上有六個(gè)自由度：x，y，z三個(gè)方向的線位移和繞x，y，z三個(gè)軸的角位移，可用于計(jì)算應(yīng)力硬化及大變形的問題。通過一個(gè)相容切線剛度矩陣的選項(xiàng)來考慮大變形(有限旋轉(zhuǎn))的分析。

3)墩、蓋梁模擬。由于要對(duì)墩柱及其周圍一定范圍的裂縫進(jìn)行細(xì)致分析，而混凝土開裂后的非均勻性及各向異性的特點(diǎn)，應(yīng)用有限元來模擬混凝土的力學(xué)性質(zhì)是一個(gè)極為復(fù)雜的問題。ANSYS中的實(shí)體單元Solid65具有自動(dòng)判斷拉裂與壓碎的功能，因此本文采用該單元對(duì)墩、蓋梁進(jìn)行模擬。該單元為八個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度，即x，y，z三個(gè)方向的線位移;還可對(duì)三個(gè)方向的含筋情況進(jìn)行定義［2］。

在用Solid65模擬混凝土?xí)r還要確定以下材料參數(shù)：

1)彈性模量(Ec);2)軸向極限抗壓強(qiáng)度;3)軸向抗拉強(qiáng)度; 4)泊松比;5)開口裂縫剪力傳遞系數(shù);6)閉合裂縫剪力傳遞系數(shù); 7)軸向受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。

剪力傳遞系數(shù)βt(開口、閉合)表示開裂面的狀態(tài)。其取值范圍為0.0～1.0，0代表光滑的裂縫，無剪應(yīng)力傳遞，1代表粗糙的裂縫，剪力完全傳遞。有關(guān)資料顯示其值取0.05～0.25較為合適。本文通過試算發(fā)現(xiàn)，其取值對(duì)收斂性有一定影響，對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大，所以為計(jì)算收斂，分別取值0.2及0.5。對(duì)于1)，2)，3)參數(shù)由實(shí)測(cè)或換算得到，泊松比取0.2，7)可根據(jù)實(shí)測(cè)值套用清華模型的本構(gòu)關(guān)系得到［3］。

此外，樁與土彈簧采用線單元?jiǎng)澐郑詹捎糜成渚W(wǎng)格劃分，蓋梁采用自用網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

2.2 荷載模擬及工況

1)荷載。恒載：上部結(jié)構(gòu)恒載對(duì)蓋梁的作用采用整體分析模型得出。滑坡體土壓力荷載：按p=α·γ·H得出。2)工況。由于該橋目前尚未通車，因此對(duì)病害的分析采用以下兩個(gè)工況進(jìn)行：工況一：未安裝箱梁，僅考慮墩柱蓋梁自重及滑坡體土壓力荷載;工況二：上部結(jié)構(gòu)安裝箱完成，增加箱梁及上部結(jié)構(gòu)二期荷載的作用。

2.3 數(shù)值分析結(jié)果

1)未安裝箱梁時(shí)的墩柱分析。由圖3可見，在側(cè)向土壓力作用下，8號(hào)墩柱的外側(cè)出現(xiàn)橫向裂縫，向外側(cè)偏位約0.706 cm，計(jì)算最大拉應(yīng)力為4.31 MPa，混凝土已經(jīng)開裂，與現(xiàn)場(chǎng)外觀檢查相符。此外，分析表明8號(hào)A墩在樁墩結(jié)合處內(nèi)側(cè)也出現(xiàn)了拉應(yīng)力超限現(xiàn)象。2)安裝箱梁時(shí)的墩柱分析。工況二的分析過程分兩步進(jìn)行，首先建立全橋整體模型，主要是為了得到上部主梁的支反力，以及主梁對(duì)下部結(jié)構(gòu)變位的彈性約束(該作用在第二步將以彈簧剛度的方法施加到蓋梁上)。其次，建立細(xì)部實(shí)體模型，將第一步得到的力邊界條件及約束施加到模型上。

安裝箱梁后8號(hào)墩柱在側(cè)向滑坡體壓力作用下，計(jì)算最大拉應(yīng)力為3.48 MPa，同樣墩柱混凝土出現(xiàn)開裂，橫向位移為0.769 cm。因此滑坡體是導(dǎo)致墩柱橫向裂縫的主要原因。

3 實(shí)橋試驗(yàn)及裂縫擴(kuò)展分析

為對(duì)該橋安全性進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，本文針對(duì)該橋的病害進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)。經(jīng)加載效率分析得出，試驗(yàn)荷載車輛共需總重30 t(自重+砂石料)工程車六輛，按8號(hào)A墩反力最不利位置布載，布載位置見圖4。裂縫擴(kuò)展觀測(cè)采用標(biāo)距為12 cm的應(yīng)變計(jì)進(jìn)行［4］，由靜態(tài)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)TDS602進(jìn)行信號(hào)處理。

裂縫寬度變化由觀測(cè)應(yīng)變值換算得出，試驗(yàn)荷載作用下部分裂縫擴(kuò)展結(jié)果見表1。由表1看出，試驗(yàn)荷載作用下，裂縫寬度有所增長，且卸載后部分?jǐn)?shù)值不可恢復(fù)，說明在設(shè)計(jì)荷載作用下，上述裂縫處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

表1 裂縫擴(kuò)展 mm

4 結(jié)語

本文對(duì)受滑坡災(zāi)害的橋梁進(jìn)行了數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場(chǎng)加載試驗(yàn)，對(duì)病害成因及目前結(jié)構(gòu)的安全性進(jìn)行了全面分析。分析得出，滑坡體土壓力是病害產(chǎn)生的主要原因，目前結(jié)構(gòu)存在的裂縫寬度已超出規(guī)范限制，且為不穩(wěn)定裂縫，建議進(jìn)行加固處理。

［1］ 任 偉，宋一凡，趙小星.在役橋梁混凝土樁基安全性評(píng)價(jià)方法［J］.中外公路，2008，28(2)：129-132.

［2］ 陸新征，江見鯨.利用ANSYS Solid 65單元分析復(fù)雜應(yīng)力條件下的混凝土結(jié)構(gòu)［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2003，33(6)：22-24.

［3］ 任 偉，趙 煜，欒好發(fā).粘貼鋼板加固持荷RC梁承載力數(shù)值分析方法［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2007，7(6)：96-100.

［4］ 李德寅.結(jié)構(gòu)模型實(shí)驗(yàn)［M］.北京：科學(xué)出版社，1996.