損傷組合梁橋控制荷載下的計算參數分析

王剛

(白城市公路管理處，吉林白城 137000)

Wang Gang(Baicheng Highway Management Office，Baicheng 137000，China)

損傷組合梁橋控制荷載下的計算參數分析

王剛

(白城市公路管理處，吉林白城 137000)

以吉林省洮白一級公路洮兒河一號舊橋為例，利用大型有限元軟件midas civil，計算了該橋的理論承載能力，結合試驗參數，并利用非線性軟件midas fea進行了上部結構的損傷模擬，研究了該橋損傷后在控制載荷作用下，正常使用狀態的各根主梁主應力、裂縫寬度、撓度等計算參數，從而判斷其受控狀態。

橋梁，承載能力，主應力，裂縫寬度，撓度

0 引言

當前，橋梁建設已趨于飽和，部分橋梁由于建設年限久遠、運營超限已出現各種病害，尤其結構裂縫較為常見，如何保證安全通行，掌握橋梁承載運營能力，已成為公路管理部門面臨的技術問題。為明確損傷橋梁運營狀態的技術參數，從而給養護工作提供明確的處理意見，針對此方面的分析顯得非常有必要。

1 橋梁概況

洮兒河一號舊橋位于S207省道K121+280 km處，橋梁全長為260 m，橋跨結構為15×16.8 m。上部結構為簡支工字形微彎板組合梁，梁高100 cm、間距160 cm，混凝土等級C25。下部結構為鉆孔灌注樁基礎，雙柱式墩臺，橡膠支座。橋面橫向布置為0.5 m+7.0 m+0.5 m，瀝青混凝土橋面鋪裝。設計荷載為:汽—15、掛—80，建成年代1968年，主梁截面及全橋截面尺寸如圖1，圖2所示。

圖1 計算截面尺寸（單位：cm）

圖2 主梁截面尺寸（單位：cm）

2 主要病害

各跨主梁底1/4L，1/2L均有橫向貫通受力裂縫，Bmax=0.35 mm，2-3號與3-4號主梁之間微彎板處均有縱向裂縫，行駛車輛通過時顛簸感較強。

3 橋梁理論承載能力的計算

此次選用病害較嚴重的第6跨做分析，采用midas civil進行模擬，按照梁格法基本原理［1］，將桿系劃分176個梁單元。其中，端橫隔厚度取h=0.2 m;縱向主梁以1 m為1個單元;跨中部分采用虛擬橫梁模擬，橫梁截面特性取h=0.2 m，b=0.5 m，@= 1 m;車道系數取1，掛車加載按一車道設置［2］，承載能力按組合荷載不利工況計算。通過計算得到在掛車荷載作用下1號梁跨中內力最大值為2 135.96 kN·m，最終確定掛—80為該橋控制荷載。

4 橋梁實體模型

4.1 實體單元及控制荷載的模擬

模擬利用非線性有限元軟件midas fea進行。其中，Ⅰ型主梁與微彎板組合邊界條件按剛結模擬，微彎板按平面單元處理，共劃分55個網格單元?？臻g實體單元按支座長度、損傷位置劃分后生成;端橫隔板與Ⅰ型主梁節點共用。控制荷載利用midas civil移動荷載追蹤器找出位置后用等效節點載荷代換來完成。

4.2 損傷的模擬

1)剛度折減。日常檢查中實測了梁體回彈模量，利用測得的主梁混凝土平均彈性模量2.0×104MPa與理論彈性模量對比，將混凝土彈性模量折減28%進行模擬。

2)裂縫模擬。考慮實體單元特性，裂縫之間無共用節點。結合既有橋梁裂縫損傷位置，建模時，將主梁底、微彎板處相應裂縫位置處節點分割，以期實現主梁橫向裂縫、微彎板間的縱向裂縫。

5 分析

5.1 主梁損傷前后主應力分析

將計算得到的數據，通過擬合曲線形式加以分析，如圖3所示。

圖3 損傷與無損傷情況下橋梁各主梁的主應力

從圖3能看出:各根主梁主應力在支座位置及1/4L跨之間，損傷橋應力要小于未損傷橋應力;而在跨中位置的拉應力，有損傷橋的主應力要大于無損傷橋的主應力，這是梁體中間區域由于損傷產生應力集中重新分配的原因導致。此外，受拉區集中在1/4L～1/2L之間，盡管在控制荷載作用下，梁體因剛度損傷所達到的主拉應力也小于混凝土抗拉強度標準值，說明損傷主梁體的裂縫，在控制荷載作用下未能形成受拉破壞裂縫，很大可能為超載所產生。

5.2 損傷后在控制荷載作用下各主梁的跨中裂縫寬度

通過計算控制荷載的實際作用效應，分析得到各根主梁在行車荷載作用下的最大裂縫寬度，數據如表1所示。

表1 各根主梁在行車荷載作用下的最大裂縫寬度

從表1可看出，在掛車控制載荷作用下，位于布置荷載附近的1號，2號，3號，4號主梁裂縫寬度均超過0.25 mm［3］，不能滿足正常使用狀態要求，且超標嚴重，其寬度已遠大于靜載時的既有值(0.35 mm)，說明在裂縫損傷情況下，控制荷載作用將對該橋裂縫破損有加劇破壞的趨勢。

5.3 損傷后在控制荷載作用下各主梁的跨中最大撓度

通過實體單元的計算分析，得到各根主梁在行車荷載作用下的最大撓度，數據如表2所示。

表2 各根主梁在行車荷載作用下的最大撓度

依據表2計算數據，能夠發現在控制荷載作用下各根主梁撓度均偏大，且位于荷載附近值偏高、荷載較遠處依次遞減。說明主梁橫向剛度基本符合線性分布規律，而在主梁損傷情況下對該橋豎向剛度有明顯影響。

6 結語

1)通過對損傷與未損傷梁橋的模擬計算，得出了在控制荷載作用下2種不同工況的主應力變化規律，闡述了不同工況下主應力分布原因。

2)主梁剛度、帶有裂縫的損傷對橋梁的正常使用極為不利，即使在不超限的情況下工作，跨中撓度、裂縫寬度均將超過規范允許值，有加劇破損的可能。實際運營中，若出現上述情況應及時限制交通，做加固或改建處理。

［1］ ［英］E·C·漢勃利.橋梁上部構造性能(E.C.漢勃利) ［M］.北京:人民交通出版社，1982.

［2］ JTG D260—2004，公路橋涵設計通用規范［S］.

［3］ JTG H11—2004，公路橋涵養護規范［S］.

Analysis of calculation parameters of damaged composite beam bridge under controlled load

In this paper，a number of old bridge in Jilin province Tao highway Taoerhe White Bridge as an example，the theory of bearing capacity is calculated by using finite element software midas civil，combined with the test parameters and the simulation of the upper structure damage by using nonlinear software midas fea，on the bridge after injury in the control of loads，the main beams the normal state of principal stress，crack width and deflection calculation parameters，and determine its controlled state.

bridge，load capacity，principal stress，crack width，deflection

Wang Gang
(Baicheng Highway Management Office，Baicheng 137000，China)

U443.1

A

1009-6825(2016)35-0187-02

2016-09-30

王 剛(1982-)，男，工程師