混合梁斜拉橋鋼混結合段脫空識別方法研究

朱亞林, 李端洲, 汪正興, 馬 馳

(合肥工業大學 土木與水利工程學院, 安徽 合肥 230009)

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混合梁斜拉橋鋼混結合段脫空識別方法研究

朱亞林, 李端洲, 汪正興, 馬 馳

(合肥工業大學 土木與水利工程學院, 安徽 合肥 230009)

為了有效地進行鋼混結合段脫空的識別,以甬江左線特大橋鋼混結合段為研究對象,文章提出了運用鋼板應變檢測法，即通過在可能出現脫空區域預埋應變片并監測應變片的方法來識別脫空；利用通用有限元程序ANSYS分別模擬底板和斜腹板單獨脫空時局部結構鋼板應變規律。通過結果分析得出:由同一列節點應變變化規律即可初步判定脫空破壞區域邊緣的大致位置,從而驗證了鋼板應變檢測法的可行性。

鋼混結合段;鋼板應變檢測;脫空現象

隨著國內橋梁工程技術的不斷發展,鋼混結合段組合結構已經被廣泛應用于各式斜拉橋中[1-2]。這種組合結構是在鋼結構和混凝土結構基礎上發展起來的一種新型結構,巧妙地運用了混凝土的抗壓性能和鋼結構的抗拉性能進行組合,具有承載力高、抗震性能強、施工簡捷等突出特點。但由于鋼混結合段結構復雜、材料不單一的特性,鋼板和混凝土極有可能出現脫空破壞。脫空問題是導致鋼混結合段失去承載性能的主要原因之一,如果不及時進行識別防護,鋼混結合段將會失去承載性能,甚至會導致安全事故的發生。其相關的研究理論及檢測技術的開發對橋梁工程的維護具有重要的指導意義。

目前,國內外針對脫空識別的方法有很多種,這些方法均不能完全適用。主觀識別法是一種原理簡單、操作簡便的脫空識別方法,主要通過人工對路面進行敲擊或外觀識別,根據經驗得出結構大致脫空范圍及程度。這種方法主觀性強,不能反映結構內部真實質量情況。其準確程度與操作人員的熟練程度有關,很有可能導致錯誤的判定。本文實例中混凝土收縮徐變及火車活載疲勞引起的脫空破壞,鋼板隆起距離約為10 μm,主觀上根本無法進行識別[3-5];鉆孔取樣法只能反映局部范圍內混凝土質量問題,容易以點代面導致誤判,不能準確反映整體脫空狀況。而且鉆孔取樣法屬于局部破損檢測法,多處鉆孔會對結構產生較大損傷,降低結構承載能力。鋼混結合段對鋼板與混凝土結構的要求比較嚴格,對于大范圍內鉆孔取樣這種損傷識別手段不可取[6-7];超聲波檢測法的優點是指向性好、穿透能力強,對平面型缺陷十分敏感。檢測使用的超聲波對人體和環境無害,設備輕便,便于攜帶,可進行現場檢測。缺點是只能檢測探頭可接觸構件的損傷,要求其表面有一定的光潔度,需要使用耦合劑填滿探頭和構件表面的空隙以保證充分的聲耦合。不適用于形狀復雜,表面粗糙工件的損傷探測,容易產生雜亂的反射波不易于檢測。鋼混結合段內部結構復雜,容易導致超聲波的折射及散射,因此超聲波檢測法在一定程度上也是不可取的[8-10]。

由于上述原因,本文以寧波甬江左線特大橋——大跨度鐵路鋼箱混合梁斜拉橋的鋼混結合段為例，采用鋼板應變檢測法,利用ANSYS軟件分別模擬底板和斜腹板單獨脫空時局部結構鋼板應變規律,并驗證鋼板應變檢測法的可行性,為同類橋梁的設計提供科學依據。

1 鋼板應變檢測法

由鋼混結合段脫空機理可知,當鋼板與混凝土之間受拉應力達到一定程度時,彼此之間將會導致脫空破壞現象;脫空后鋼板向外法向隆起,其脫空距離不足10 μm。一般情況下,為了識別結構是否發生脫空破壞,可直接利用位移傳感器檢測鋼板是否發生位移變化。但鑒于鋼混結合段結構處于懸空狀態且規模大,無法直接設置位移傳感器的支點,這給位移傳感器檢測脫空的方法帶來了巨大困難。因此,不能直接采用位移變化來識別結構的脫空狀態[10]。

鋼混結合段鋼板與混凝土之間由于剪力釘及彼此黏接力的存在使得整體結構共同受力變形[11]。鋼板比混凝土的剛度小且具有較強的塑性能力。當局部結構出現脫空破壞時,鋼板脫離混凝土的束縛,受力及變形增大,因此鋼板的應變將隨之產生突變。鋼板應變產生突變后,隨著脫空破壞不斷擴大,鋼板的應變將隨鋼板隆起距離的增大發生一定的變化。鋼板脫空過程如圖1所示，對圖1模型進行理論分析,通過結構力學方法求解,可求得鋼板應變隨隆起距離之間成正向線性關系。

圖1 鋼板脫空過程

為了驗證鋼板應變檢測法的可行性,利用有限元軟件來模擬其檢測過程。模擬過程中所有應變均取沿脫空擴大方向垂直于脫空邊緣的鋼板應變。具體內容如下:

(1) 對某一脫空結構，其結構示意圖如圖2所示,陰影部分為脫空區域。由鋼混結合段脫空規律可知,鋼板與混凝土之間的脫空均從邊緣開始,并隨時間逐漸增大脫空區域。根據脫空區域到邊緣的距離s來設置工況模擬脫空過程。

(2) 在鋼板中心點未脫空的前提下,分別設置a、b2個點來代表脫空點和未脫空點。a點距離脫空邊緣0.15 m,b點位于鋼板中心。在不同工況下,通過這2個點來反映脫空過程中脫空區域與未脫空區域的應變規律。

(3) 沿脫空邊緣垂直方向設置一列節點。通過這一列節點來反映不同工況下沿脫空方向各節點應變變化規律,用來驗證某點在脫空前后應變突變情況,并初步估計脫空區域大小。

圖2 脫空結構示意圖

2 工程背景

大橋設計為鐵路鋼混混合梁斜拉橋,半漂浮體系,全長909.1 m,主跨以468 m鋼混混合梁跨越甬江,邊跨及部分中跨主梁為三向預應力混凝土箱梁,其余中跨主梁為鋼箱梁。中間通過鋼混結合段連接,鋼混分界點位于主跨側距索塔中心24.5 m處,采用了階梯狀填充混凝土前后承壓板式鋼混接頭。整個結合段長14.05 m,包含3 m頂底腹板變厚混凝土箱梁過渡段、2 m混凝土橫隔梁、4.05 m頂底腹板變厚鋼混過渡段、5 m頂底板U(V)肋加焊變高T肋過渡段共4個部分,鋼混結合段結構形式如圖3所示。混凝土均采用C60補償收縮混凝土。

圖3 鋼混結合段結構形式

采用ANSYS建立鋼混結合段有限元模型如圖4所示,其中混凝土采用8節點實體單元Solid45模擬,鋼板采用4節點板殼單元Shell181模擬。預應力鋼筋、剪力釘、PBL剪力鍵采用等效剛度的方法模擬。鋼板與混凝土連接形式屬于面面接觸大規模結構,采用共節點的方法實現連接。利用有限單元生死關系將鋼板底層混凝土單元殺死來模擬脫空破壞結構。邊界條件是通過ANSYS中提供的約束方程在鋼箱梁遠端截面的形心位置建立1個主節點,將其和鋼梁端截面的節點添加剛性區域,鋼混結合段混凝土遠端采用固結約束,在結構的縱截面上施加對稱約束。

圖4 鋼混結合段有限元模型

3 工程實例

甬江左線特大橋鋼混結合段各板均可能存在一定的脫空破壞現象,且其脫空位置及面積各不相同,不同脫空區域彼此影響較復雜。通過模擬,脫空均是從各板交界處產生(邊界處基本都會有脫空)并不斷向板中心蔓延,在同一方向上基本均勻。相比之下,底板上蓋板與斜腹板脫空比較明顯且速度快;底板上蓋板沿脫空方向基本處于受壓狀態,應力應變變化明顯;斜腹板基本處于受拉狀態,應力應變變化不明顯。綜合考慮,選取這2個具有代表性的區域,利用ANSYS分別模擬底板和斜腹板單獨脫空時局部結構鋼板應變規律,并驗證鋼板應變檢測法的可行性,其中應變方向均規定為從邊緣向中心(垂直于各板交界)。

3.1 底板脫空識別

3.1.1 計算模型及工況

鋼混結合段底板位于4.05 m頂底腹板變厚鋼混過渡段。根據上文分析及現場勘查結果可知,底板脫空在施工及活載長期運營過程中均會發生局部脫空破壞現象,脫空區域主要位于底板與橫隔梁交界處。分別采取脫空區域離邊緣的距離s為0，0.3，0.6，…，1.8 m來模擬,通過運用橋梁工程計算MidasCivil 有限元軟件建立全橋有限元模型,并從中提取結合段結構最不利內力荷載組合,共分為3種工況,即分別在小里程端的最大軸力,大里程端的最大彎矩和最大剪力3種情況下的荷載內力組合,其中小里程端是指結合段混凝土端截面,大里程端是指結合段鋼梁端截面,見表1所列,內力荷載組合是通過主節點施加在鋼箱梁端,結構的自重可通過重力加速度施加。局部脫空有限元模型如圖5所示,圖5中淺色部分為混凝土,深色部分為鋼板。

圖5 脫空識別局部有限元模型

工況軸力/kN彎矩/(kN·m)剪力/kN無活載-223710-223709-223708最大軸力-251753-251752-251751最大彎矩-251752-251751-251750

3.1.2 底板a、b點的應變變化

通過計算,底板各工況下a、b點應變值如圖6、圖7所示,在不同荷載作用下,各點的應變規律基本保持一致,即應變的變化規律與荷載大小無關;鋼板脫空距離從0～0.3 m時,a點出現突變;隨著脫空距離s的不斷增大,鋼板隆起距離相應增大,脫空后的a點與未脫空b點應變緩慢遞增并保持一定規律;這些結果均滿足上述鋼板應變檢測的理論分析。

圖6 底板a點應變變化曲線

圖7 底板b點應變變化曲線

3.1.3 沿脫空方向各節點應變變化

已知鋼混結合段脫空破壞均從板邊緣開始并逐漸向板中間延伸。為了確定鋼板脫空區域的大小,在底板橫隔板處沿脫空方向共設置13個節點,每個節點間距為0.15 m。以最大軸力荷載組合為荷載工況,分別在不同脫空距離下分析同列各節點應變值變化規律，結果如圖8所示。

圖8 底板同列節點應變變化曲線

圖8中,在最大軸力荷載組合作用下,脫空距離為0.6 m和1.2 m,比0 m時脫空區域鋼板應變有明顯突變;同一列節點在脫空區域邊緣(距板邊緣為0.6 m和1.2 m)鋼板應變有明顯突變。因此,通過觀察同一列節點應變變化規律即可初步判定脫空破壞區域邊緣的大致位置。

3.2 斜腹板脫空識別

3.2.1 計算模型及工況

鋼混結合段斜腹板位于結構風嘴孔處,經分析可知其脫空區域主要位于斜腹板與頂板及斜底板交界處,從邊緣開始脫空不斷向板中間擴大。本文利用ANSYS模擬其與頂板交界處鋼板在不同工況下應變規律，分別采取脫空區域離邊緣的距離s為0,0.3,0.45,0.6,…,1.05 m來模擬,荷載工況見表1所列。局部脫空有限元模型如圖9所示。

圖9 斜腹板局部脫空有限元模型

3.2.2 斜腹板a、b點的應變變化

通過計算,斜腹板在各工況下a、b點應變值由圖10、圖11所示,在不同荷載作用下,各點的應變規律基本保持一致,即斜腹板應變的變化規律與荷載大小無關;鋼板脫空距離為0～0.3m時,a點出現突變,脫空后a點及b點的應變變化比較均勻;這些結果與底板的應變變化規律一致，且滿足鋼板應變檢測法的理論分析。

圖10 斜腹板a點應變變化曲線圖11 斜腹板b點應變變化曲線

3.2.3 沿脫空方向各節點應變變化

已知鋼混結合段脫空破壞均從板邊緣開始并逐漸向板中間延伸。為了確定鋼板脫空區域的大小,在斜腹板橫隔板處沿脫空方向共設置13個節點,每個節點間距為0.15 m。以最大軸力荷載組合為荷載工況,分別在不同脫空距離下分析同列各節點應變值變化規律，結果如圖12所示。

圖12 斜腹板同列節點應變變化曲線

圖12中,在最大軸力荷載組合作用下,脫空距離為0.45 m和0.9 m,比0 m時鋼板應變有明顯變化;同一列節點在脫空區域邊緣(距板邊緣為0.45 m和0.9 m)鋼板應變有明顯突變。因此,通過觀察同一列節點應變變化規律即可判定脫空破壞區域邊緣的大致位置。

4 結 論

本文主要是針對鋼混結合段鋼板與混凝土的脫空現象進行識別研究,提出了鋼板應變檢測法,通過在可能出現脫空的區域預埋應變片并監測應變值變化的方法來識別脫空。結合理論分析及有限元模擬的方法,以底板和斜腹板為例驗證了鋼板應變檢測法的可行性。得出如下結論:

(1) 脫空區域與未脫空區域應變值不同,兩者之間存在一個突變點,即為脫空點。

(2) 在不同荷載作用下,脫空與非脫空區域各點的應變規律基本保持一致,即應變的變化規律與荷載大小無關。

(3) 鋼板脫空后,脫空區域點出現突變,隨著脫空距離s的不斷增大,鋼板隆起距離相應增大。

(4) 在最大軸力荷載組合作用下,脫空相比非脫空區域鋼板應變有明顯突變。

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(責任編輯 馬國鋒)

Study of identification method of steel-concrete joint section void of hybrid girder cable-stayed bridge

ZHU Yalin, LI Duanzhou, WANG Zhengxing, MA Chi

(School of Civil and Hydraulic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

An effective analysis mode is used to the steel-concrete joint section void identification. Taking the steel-concrete joint section of the Yongjiang River Left Line Bridge as the study object, this paper proposes the way of void identification using the steel strain detection method, namely embedding the strain gauge in the potential void region and monitoring it to identify the strain gauge interface separation. By using the finite element program ANSYS, the partial structural void of steel bottom flange and inclined web can be simulated respectively. The results show that the approximate location of the edge of void destruction region can be preliminarily determined by the strain variation law of nodes in the same column, thus verifying the feasibility of the strain detection method.

steel-concrete joint section; steel strain detection; void phenomenon

2016-01-15；

2016-03-09

國家自然科學基金資助項目(51409076);安徽省自然科學基金資助項目(1408085QE89)

朱亞林(1979-),女,安徽廬江人,博士,合肥工業大學副教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.07.015

U442.54

A

1003-5060(2017)07-0933-05