某高速公路互通立交主線橋極限承載能力復核

劉 政

(駐馬店市宇暢路橋養護工程有限公司， 河南駐馬店 463000)

1 橋梁概況

某高速公路互通式立交主線橋上部結構為2×(6×20) m+(23+35+23) m+2×(6×20) m等高混凝土連續梁+連續剛構，下部橋墩為三柱式，橋臺為四柱式，鉆孔灌注樁基礎。全橋為5聯，橋面簡易連續，于6號、12號、15號、21號墩及兩橋臺處設置HXC-80A型伸縮縫。13號、14號墩固結，橋臺及連接墩采用TCYBF4200-28型球冠圓板橡膠支座，其余各墩采用GPZ抗震盆式橡膠支座。橋梁2004年建成通車。

該互通立交主線橋第三聯為預應力連續剛構形式，橋型較其它聯復雜，且結構組合采用了預制、一次現澆、二次現澆等成橋方式，而且2008年橋梁檢測中發現底板橫向裂縫較多，有些裂縫甚至發展至腹板頂，裂縫寬度0.1～0.15 mm。為全面了解橋梁的實際狀況和工作性能，對該互通式立交主線橋第三聯(23+35+23) m的連續剛構(以下簡稱橋梁)設計進行復核，判斷了橋梁的承載能力，提供該類現有橋梁的維護使用和加固改造工作借鑒。

1.1 計算方法

計算模型是實際橋梁結構物的物理抽象，應真實反映結構的幾何、物理特征,有限元分析模型見圖1。本報告在進行有限元建模時考慮了以下情況。

圖1 MIDAS有限元計算模型

橋梁計算模型邊界條件約束模擬的準確與否，對于有限元計算結果的準確性至關重要。本項目建立的橋梁結構計算模型，考慮了墩柱的彈性變形影響，將墩底固結；對于支座，在MIDAS/CIVIL 2006計算模型中，采用軟件中的節點間彈性連接、設置不同的剛度模擬支座彈性影響。

采用有限元方法進行結構計算，按照該橋梁設計圖紙對橋梁進行離散，建立橋梁結構全橋空間有限元計算模型，進行全橋整體結構分析。

利用橋梁專用軟件MIDAS/CIVIL 2006建立橋梁空間梁單元模型，梁單元截面采用AutoCAD繪制，再導入MIDAS/CIVIL 2006的截面特性計算器(SPC)精確求得截面特性，然后按“數值”方法輸入程序，預應力束采用預應力荷載施加，支座采用彈性連接模擬，全橋模型共計70個節點，51個單元。

1.2 材料特性

根據設計圖紙，該橋橋墩采用C40混凝土，其中12號和15號墩頂蓋梁采用C25混凝土，主梁采用C50混凝土。結構分析模型中將鋼筋混凝土梁考慮為勻質材料，其彈性模量由相應的混凝土和鋼筋的容重換算求得，具體等效方法如下：

Ne=Ns+Nc

σeAe=σsAs+σcAc

∵εe=εs=εc；Ac+As≈Ac

∴EeAe=EsAs+EcAc

整理以上各式得:

Ee= (EsAs+EcAc)/(As+Ac)

Ee=(EsAs+EcAc)/Ac=(As/Ac)×Es+Ec=ηAEs+Ec

式中：Ee為鋼筋混凝土的等效彈性模量；Ae為鋼筋混凝土的等效面積；Ec為混凝土的彈性模量；Ac為混凝土的面積；Es為鋼筋的彈性模量；As為鋼筋的面積；ηA為面積配筋率。

1.3 施工階段劃分

按圖紙給定的施工概略流程圖，共劃分5個施工階段。各階段的說明見表1。

表1 第三聯施工階段說明

1.4 計算工況

根據JTJ 021-89《公路橋涵設計通用規范》和JTJ 023-85《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》相關規定，本報告計算工況為：工況1：恒載；工況2：恒載+汽超-20；工況3：恒載+汽超-20+混凝土收縮徐變+整體升溫；工況4：恒載+汽超-20+混凝土收縮徐變+整體降溫；工況5：恒載+掛車-120。以上分析工況除工況1外均按規范規定考慮分項系數、安全系數、條件系數。

2 橋梁空間結構分析

有限元計算結果表明：橋梁正截面抗彎的最危險截面有四處：(1)邊跨13號墩左側13 088 mm處截面，即邊跨最大正彎矩處；(2)中跨跨中截面，即中跨最大正彎矩處；(3)13號墩頂，即最大負彎矩處；(4)14號墩右側5 500 mm處，即變截面的小端。以上四截面在橋梁營運過程中可能受到的最大彎矩詳見表2。

表2 橋梁抗彎的最危險截面及該截面所承受的最大彎矩 kN·m

橋梁斜截面抗剪的最危險截面有三處：(1)12號墩頂右側3 mm處，即最大正剪力處；(2)14號墩頂，即最大負剪力處；(3)左側5 500 mm處，變截面小端。以上三截面在橋梁營運過程中可能承受的最大剪力詳見表3。

表3 橋梁抗剪的最危險截面及該截面所承受的最大剪力 kN

3 截面承載能力驗算

前面通過MIDAS/CIVIL 2006對橋梁進行了空間結構計算，得到了橋梁受力的最危險截面，下面依據(JTJ 023-85)《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》對其進行承載能力進行驗算。

承載能力是指結構或構件達到最大承載能力，或達到不適于繼續承載的變形的極限狀態。對應于結構或結構件達到最大承載能力或不適于繼續承載的變形，它包括結構件或連接因強度超過而破壞，結構或其一部分作為剛體而失去平衡(傾覆或滑移)，在反復荷載下構件或連接發生疲勞破壞等。當結構或結構構件出現下列狀態之一時，應認為超過了承載能力極限狀態:(1)整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡(如傾覆,滑移等);(2)結構構件或連接因超過材料強度而破壞(包括疲勞破壞)，或因過度的塑性變形而不適于繼續承載;(3)結構轉變為機動體系;(4)結構或結構構件喪失穩定(如壓屈等);(5)地基喪失承載能力而破壞(如失穩等)。

3.1 正截面強度驗算

由于該剛構橋為預應力混凝土梁橋，按照預應力構件對其進行強度校核。構件所能承受的最大彎矩為：

預應力混凝土梁的受壓區高度x，應滿足：

x≤ξjyh0

x≥2a′

將各個危險截面用上式計算，得到最大承載能力列于表4。

表4 橋梁抗彎的最危險截面及該截面所承受的最大彎矩 kN·m

3.2 斜截面強度驗算

預應力混凝土梁的斜截面抗剪強度公式為：

Qk=0.048mμkRgkbh0

Qw=0.068RywΣAywsinα

用上式對各個危險截面進行驗算，得到最大承載能力列于表5。

表5 橋梁抗剪的最危險截面及該截面所承受的最大剪力 kN

3.3 承載能力驗算結果匯總

整理以上計算結果，匯總列于表6、表7。

表6 正截面承載能力校核 kN·m

表7 斜截面抗剪承載能力校核 kN·m

注:14號墩頂截面抗剪強度，(14143.77-13540.84)/13540.84 = 4.453%<5%,認為滿足！

由表6、表7可以看出，結構正截面抗彎和斜截面抗剪承載能力滿足規范要求。

4 結論

通過對該高速公路互通式立交主線橋第三聯設計進行承載力復核計算，得到如下結論：

結構正截面抗彎和斜截面抗剪承載能力均滿足規范要求。因此，該高速公路互通式立交主線橋第三聯在正常的設計荷載作用下和所計算范圍內及假定的前提條件下，正截面抗彎和斜截面抗剪承載能力能夠滿足要求，該橋仍能繼續使用。