水閘結構中預應力空心面板交通橋安全評估

(1.南京水利科學研究院材料結構研究所 江蘇 南京 210024) (2.河海大學水利水電學院 江蘇 南京 210098)

水閘結構中預應力空心面板交通橋安全評估

喻江1,2胡少偉1陸俊1董茂干1

(1.南京水利科學研究院材料結構研究所江蘇南京210024) (2.河海大學水利水電學院江蘇南京210098)

山東某水閘結構中預應力交通橋服役多年，其路面出現鋪裝裂縫、破損及龜裂等病害，影響安全運行，亟需對該水閘結構中涉及的預應力空心面板交通橋進行安全評估。根據交通橋現場情況，采取外觀裂縫原位測驗、裂縫深度探測、結構安全仿真及動車模型分析的手段，對其預應力空心面板交通橋進行安全評估。評估表明，目前預應力空心面板交通橋承載能力滿足要求，瀝青鋪裝層出現縱向、橫向裂縫，不滿足運行要求。本文評估方法為水閘結構中交通橋的安全評價和后期維護加固提供了參考價值。

水閘結構；空心面板交通橋；雷達探測；動車模型

一、工程概況

預應力空心面板交通橋以其結構型式優美、受力特性優良、節能節材等諸多優點，不僅被運用于我國橋梁工程，還被廣泛運用于水工結構工程等建設中，成為工程結構中不可或缺的有效結構型式之一[1-3]。

山東某水閘結構為大(I)型水閘工程，自建成運行至今，發揮了巨大的防洪效益、生態效益、經濟效益和社會效益。與閘室相連的交通橋采用到預應力空心面板結構，該橋共有36跨，橋長648m，分為9聯：9×4×18=648m，聯與聯之間和橋臺處采用D60伸縮縫。單跨跨徑18m，每跨9塊面板(包括8塊中板，1塊邊板)，單塊面板寬1.24m，厚0.9m，板與板之間用鉸縫連接。橋面鋪裝為現澆100mm厚C40現澆混凝土和50mm厚瀝青混凝土。根據水利部《水閘安全鑒定管理辦法》(水建管(2008)214號)文件要求，對于已建成的該節制閘交通橋，考慮到采用的是預應力空心面板型式，其運行至今的時間里，因路面長期受到人群、汽車等動荷載的作用，尤其是重型貨運車輛作用，導致路面出現明顯的裂縫，不能滿足安全運行規程。因此，針對交通橋出現的問題開展專項檢測工作，亟需對其進行安全評價。

二、外觀裂縫原位測驗

(一)原位測驗組織

外觀裂縫原位測驗技術路線如圖1和圖2所示。按照《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》[4]的規定，采取攝影、敲擊、尺量等方法，測驗36跨空心面板交通橋外觀缺陷，詳細記錄并描述表面缺陷、剝落露筋等情況，記錄破損類型的數量、部位與范圍，對其進行統計分析。

圖1 外觀裂縫原位測驗技術路線

圖2 1段交通橋面板編號

(二)測驗分析與評定

通過對交通橋36跨預應力空心面板外觀裂縫原位測驗分析，得到如下評定結論：交通橋瀝青路面的板-板連接處(伸縮縫除外)出現不同程度的橫向裂縫和斜裂縫，橫向裂縫貫通整個路面，斜裂縫圍繞橫向裂縫向兩邊展開，呈燕尾狀分布，裂縫寬度在0.1mm～0.6mm之間；靠近上游端約4m位置處，1跨、2跨、3跨、4跨、5跨、6跨、7跨、10跨、11跨、12跨、13跨、14跨、15跨、16跨、20跨、22跨、25跨均出現不同長度的縱向裂縫，其中，1跨、2跨、3跨、4跨、5跨、6跨、7跨、12跨、13跨、14跨縱向貫通，剩余跨段縱向裂縫長度在3m～12m之間，3段、4段、出現2條平行縱向裂縫，12段出現3條平行縱向裂縫。裂縫寬度在0.2mm～0.4mm之間；18段、19段、21段、24段、26段、27段、28段、29段、33段交通橋路面破壞比較嚴重，縱、橫向裂縫相互交錯，出現大面積龜裂區，31段、32段甚至出現不同面積的坑洞，嚴重影響交通通行；對人行道調查表明，36跨每段均出現多條不同裂縫寬度的橫向貫穿裂縫，裂縫條數分布如圖3所示。

根據《公路橋涵養護規范》(JTGH11-2004)[5]中技術評定標準，該交通橋被劃分到三類橋，亟需修補及加固，以確保安全。

圖3 交通橋人行道主裂縫條數統計圖

三、裂縫深度探測

(一)關鍵技術

本次交通橋裂縫深度探測關鍵技術分為路面缺陷判別技術、面板裂縫深度判別技術和預應力筋判別技術3個部分。當交通橋路面存在裂縫或變形錯位，雷達波同相軸將出現錯斷、扭折或紊亂狀，以此判別路面缺陷；面板內部混凝土一旦存在欠密實區，必然導致介電常數發生改變，雷達波同相軸混亂或彎曲分布，相比均勻密實區波幅變化明顯，波組特征發生明顯改變，以此判別裂縫深度；當電磁波傳播到預應力鋼筋界面時，鋼筋對電磁波具有屏蔽性，電磁波在鋼筋界面發生全發射，以此來判別預應力筋狀態[6-9]。

雷達的探測縱向分辨率為：

Δh=v/(8f)～v/(4f)

(1)

式中：v為波速，f為頻率。

雷達的探測水平分辨率為：

(2)

式中：z為垂距。

當儀器設備一定的條件下，決定探測深度的主要因素為地表電阻率和工作頻率，基于導電介質中電磁波的衰減系數與工作頻率呈正比。因此，雷達的探測深度估計式為：

(3)

表1 介電常數和速度參數表

(二)探測結果分析

交通橋典型裂縫深度探測解釋剖面圖(選取1段面板1/4跨)如圖4所示。

圖4 1段面板1/4跨橫向探測解釋剖面圖

通過對交通橋路面裂縫深度探測分析，顯示900MHz高頻天線的有效探測深度達1.5cm，路面層的厚度在10cm，預應力混凝土空心面板的空腔在雷達探測剖面圖中反映明顯。探測結果表明，交通橋路面瀝青層與面板之間膠結不充分，局部脫空；瀝青層內部存在不密實，松散異常，與瀝青路面產生的各類裂縫相對應。

四、結構安全仿真

(一)數值建模方法

對于工程結構仿真模擬分析中，常見的離散方法有：有限差分法(FDM)、有限體積法(FVM)和有限單元法(FEM)[10-12]。其中，有限單元法的最大優點就是，對于不規則的幾何區域問題，能夠具有很好的適應性。本次安全仿真分析采用FEM法。

(二)本構模型

根據目前國內外對混凝土材料的研究，用來建立該種材料應力-應變關系的模型有：彈性理論模型、塑性理論模型、粘彈性理論模型、塑性斷裂理論模型，以及損傷力學理論模型等。在本次結構安全仿真中，鋼筋混凝土材料采用Sargin改進公式[13]，其表達式為：

(4)

式中：k3=1，fc=26.80MPa，A=E0/Es=1.41，D=0.8，ε0=0.002。

鋼筋混凝土材料輸入參數見表2。

表2 鋼筋混凝土材料參數一覽表

鋼絞線材料為雙線性應力-應變曲線模型，本構關系表達式為：

(5)

式中：fy表示鋼絞線屈服應力，εy表示屈服應變。

鋼絞線材料輸入參數見表3所示。

表3 鋼絞線材料參數一覽表

鋼墊塊本構關系采用雙線性隨動強化模型(BKIN)，該種模型使用一個雙線性來表示應力-應變曲線關系，關系中有兩個斜率，一個表示彈性斜率，另一個表示塑性斜率。并采用Von Mises屈服準則，以及推薦強化模型，應力-應變曲線關系表達式為：

(6)

式中：fy表示鋼材屈服應力，εy表示屈服應變。

鋼墊塊輸入參數見表4所示。

表4 鋼墊塊參數一覽表

(三)數值仿真分析

結合該節制閘當前工作運營實際情況，選取任一段預應力空心面板(跨度×寬度×高度：18.00m×1.24m×0.90m)(并列9塊)進行結構安全分析，建立模型如圖5所示，安全仿真結果見表5。

圖5 8段全面板結構網格模型

項目類別X向Y向Z向總空心面板最大變形(mm)0.9190.0580.37911.808發生部位靠近左端跨中端部跨中最小變形(mm)-0.927-0.251-11.8080.056發生部位靠近右端端部跨中端部最大正應力(MPa)10.6318.45324.611/發生部位右端部筋處右端部筋處右端部筋處最小正應力(MPa)-24.431-11.699-27.294/發生部位左端部筋處右端部筋處左端部筋處瀝青鋪裝層最大變形(mm)0.9180.0190.37811.785發生部位彎筋轉折部位跨中端部跨中最小變形(mm)-0.927-0.251-11.7840.535發生部位彎筋轉折部位端部跨中端部最大正應力(MPa)5.0411.6431.286/發生部位右端部右端部跨中底最小正應力(MPa)-10.623-2.438-1.358/發生部位跨中左端部跨中頂預應力筋最大變形(mm)0.7670.0330.49511.765發生部位彎筋轉折部位跨中端部跨中最小變形(mm)-0.805-0.199-11.7650.219發生部位彎筋轉折部位端部跨中端部最大正應力增量(MPa)45.71010.63619.234/發生部位跨中右端部右端部最小正應力增量(MPa)-47.312-11.092-20.633/發生部位端部左端部右端部

通過對表5分析，集中荷載跨中作用時，空心面板整體最大變形發生在跨中位置，達11.808mm，最小變形發生在端部，達0.056mm；x向最大正應力發生在右端部與預應力筋連接部位，達10.631Mpa，x向最小正應力發生在左端部與預應力筋連接部位，達-24.431Mpa(偏大)，推斷為該處應力集中導致。

瀝青鋪裝層最大變形發生在跨中位置，達11.785mm，最小變形發生在端部，達0.535mm；x向最大正應力發生在右端部與預應力筋連接部位，達5.041Mpa，x向最小正應力發生在左端部與預應力筋連接部位，達-10.623Mpa。

預應力筋最大變形發生在跨中位置，達11.765mm，最小變形發生在端部，達0.219mm；x向最大正應力增量發生在跨中部位，達45.710Mpa，x向最小正應力增量發生在端部，達-47.312Mpa。

(四)動車模型分析

根據對交通橋現場原位測驗情況，發現在4面板、5面板，與6面板之間的瀝青鋪裝層表面普遍出現縱向裂縫，該部分恰好為車輛行駛頻率高的通道，初步診斷該種裂縫為車輛行駛而導致。因此，通過模擬汽車的4個輪胎傳力于4面板、6面板跨中位置處，來推演汽車動荷載作用下的預應力混凝土空心面板結構的運營狀態。模擬小車參數見表6。

表6 小車模擬參數一覽表

集中荷載包括兩部分，一部分為小車的自重荷載10.00噸，另一部分為外加動荷載，見圖6所示。

圖6 外加動荷載時程曲線

圖7 全面板結構小車動載網格模型

項目類別X向Y向Z向總空心面板最大變形(mm)1.010.0190.57514.752最小變形(mm)-1.339-0.268-14.7510.082最大正應力(MPa)11.36311.71318.766/最小正應力(MPa)-20.468-14.333-26.041/瀝青鋪裝層最大變形(mm)1.0430.0540.57314.741最小變形(mm)-1.342-0.245-14.7400.532最大正應力(MPa)6.7712.6590.625/最小正應力(MPa)-18.788-8.019-3.620/預應力筋最大變形(mm)0.9290.0110.71814.748最小變形(mm)-1.245-0.279-14.7460.130最大正應力增量(MPa)55.45823.33668.316/最小正應力增量(MPa)-55.064-36.360-115.05/

對表8進行分析表明，小車作用時，空心面板整體最大變形發生在跨中位置，達14.752mm，最小變形發生在端部，達0.082mm；x向最大正應力發生在右端部與預應力筋連接部位，達11.363Mpa，x向最小正應力發生在左端部與預應力筋連接部位，達-20.468Mpa。

瀝青鋪裝層最大變形發生在跨中位置，達14.741mm，最小變形發生在端部，達0.532mm；x向最大正應力發生在右端部與預應力筋連接部位，達6.771Mpa，x向最小正應力發生在左端部與預應力筋連接部位，達-18.788Mpa。小車輪胎作用位置發生應力集中。

預應力筋最大變形發生在跨中位置，達14.748mm，最小變形發生在端部，達0.130mm；x向最大正應力增量發生在跨中部位，達55.458Mpa，x向最小正應力增量發生在端部，達-55.064Mpa。

五、結論

通過對山東某水閘結構中預應力空心面板交通橋進行外觀裂縫原位測驗、裂縫深度探測、結構安全仿真及動車模型分析幾個方面的安全評估，得到如下結論：

1.交通橋存在橋面鋪裝裂縫、破損及龜裂現象，該交通橋被劃分到三類橋，亟需修補及加固，以確保安全。

2.通過裂縫深度雷達探測表明，交通橋路面瀝青層存在多處不密實病害，位置與路面裂縫相對應，進一步體現了原位測驗與雷達探測存在的緊密關聯。

3.結構安全仿真分析表明，單塊空心面板結構協同作用下的承載能力能夠滿足交通要求，汽車作用部位瀝青鋪裝層與相鄰面板部位瀝青鋪裝層結構變形相差很大，不能滿足結構與結構之間的力傳遞，從而導致瀝青層出現縱向開裂、橫向開裂等病害。

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SafetyAssessmentforPrestressedTrafficBridgewithHollow-panelinSluiceStructures

HUShao-wei1,YUJiang1,2,LUJun1,DONGMao-gan1

(1.DepartmentofMaterialsandStructuralEngineering,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210024,China) (2.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Due to influences of pavement crack,damage and crack on the surface of deck pavement,its safety assessment is necessary to be performed for prestressed traffic bridge with hollow-panel in sluice structures during its service in Shandong province.According to the actual situation of traffic bridge,four kinds of diagnostic techniques,including in-situ test for the crack appearance,crack depth detection,structure safety simulation,and dynamic vehicle model analysis,are used for safety evaluation.Through this kind of standardized safety assessment,it is shown that its carrying capacity meets the requirement for prestressed traffic bridge with hollow-panel,while its asphalt pavement cannot meet the requirement of the operation.The proposed assessment method provides a powerful reference for safety evaluation and later maintenance reinforcement for the prestressed traffic bridge in sluice structures.

sluice structures;traffic bridge with hollow-panel;radar detection;dynamic vehicle model

國家杰出青年基金(51325904)；水利部公益性行業科研專項經費項目(201501036)；中央級公益性科研院所基本科研業務費專項項目(Y417012)

喻江(1989-)，男，重慶人，博士研究生，從事水工結構病害診斷研究。