某連續(xù)剛構(gòu)橋主橋考慮損傷影響的有限元模擬

李敏峰 吳嬌媚 陳長華

(1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口 075000;2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司，重慶市 400067；3.河北省高速公路石黃管理處，河北 石家莊 052360)

0 引 言

橋梁運(yùn)營多年會出現(xiàn)不同程度的病害和損傷，為保證橋梁的正常使用，需對受損橋梁進(jìn)行檢測和必要的加固[1-5].本文根據(jù)某連續(xù)剛構(gòu)橋主橋的檢測結(jié)果，考慮運(yùn)營多年的橋梁損傷情況，建立合理的有限元損傷模型，為后續(xù)利用該模型進(jìn)行加固分析打下基礎(chǔ).

1 工程概況

1.1 主橋結(jié)構(gòu)

某連續(xù)剛構(gòu)橋于2000年通車.該橋上部結(jié)構(gòu)由主橋和引橋構(gòu)成，其中，主橋采用主跨140m的連續(xù)剛構(gòu)體系，其跨徑布設(shè)為78m+140m+78m；主橋0#橋臺采用箱型臺身、鉆孔樁基礎(chǔ)，1#、2#橋墩采用雙肢薄壁墩身、沉井基礎(chǔ)，3#橋墩采用薄壁墩身、鉆孔樁基礎(chǔ).主橋縱斷面示意如圖1所示，箱形橫斷面如圖2所示.

圖1 主橋縱斷面示意

圖2-1 箱梁跨中典型橫斷面(單位：cm)

圖2-2 箱梁支點(diǎn)典型橫斷面(單位：cm)

1.2 主要材料

(1)混凝土.

表1.1 混凝土

(2)預(yù)應(yīng)力鋼材.

縱橫向預(yù)應(yīng)力采用Фj15.24mm預(yù)應(yīng)力鋼絞線，公稱抗拉強(qiáng)度為Ry=1860MPa，張拉控制應(yīng)力采用0.75Ry，彈性模量Ey=2.0×105MPa；豎向預(yù)應(yīng)力采用直徑為32mm的40Si2MnMoV精軋螺紋粗鋼筋，極限屈服強(qiáng)度不少于750Mpa，張拉控制應(yīng)力采用極限屈服強(qiáng)度的0.9倍，彈性模量Ey=2.0×105MPa.

(3)普通鋼筋.

除特殊要求外，設(shè)計采用鋼筋為Ⅰ級、Ⅱ級兩種.

2 有限元模型的建立

采用Midas FEA仿真軟件建立該橋的有限元模型.

梁體采用實(shí)體六面體單元，鋼筋采用實(shí)體中的桿式鋼筋.

本構(gòu)模型為：混凝土選擇總應(yīng)變裂縫模型，裂縫模型選用旋轉(zhuǎn)裂縫，張拉函數(shù)及受壓函數(shù)均選擇彈性[6]；預(yù)應(yīng)力鋼絞線材料選用Midas FEA中的Strandl860材料，本構(gòu)模型為彈性；普通鋼筋則為自定義材料，本構(gòu)模型為彈性.

邊界條件為：墩底節(jié)點(diǎn)設(shè)置為固結(jié)，將墩底節(jié)點(diǎn)所有自由度進(jìn)行約束；邊跨支座為簡支，將豎向位移、橫向位移、繞縱向的轉(zhuǎn)動和繞豎向的轉(zhuǎn)動進(jìn)行約束.

模型示意如圖3所示.

圖3 橋梁有限元模型示意

3 有限元模型的的損傷模擬分析

橋梁在長期的運(yùn)營過程中發(fā)生了病害，受到一定程度的損傷，需要檢測并加固.為保證加固效果，需要在病害檢測結(jié)果的基礎(chǔ)上，掌握橋梁的實(shí)際受力狀態(tài)，進(jìn)而模擬橋梁現(xiàn)有的損傷狀態(tài)，對受損橋梁進(jìn)行加固分析更有實(shí)際意義.因此，需要對該連續(xù)梁橋的損傷狀態(tài)進(jìn)行有效模擬.

3.1 橋梁實(shí)際受力分析

該橋原設(shè)計是按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTJ023-85)[7]進(jìn)行的，設(shè)計荷載為汽-超20，驗(yàn)算荷載為掛-120；加固設(shè)計是按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG JGT3362-2018)[8]計算的，設(shè)計荷載為公路Ⅰ級荷載.

(1)荷載工況組合.

主要采用三種荷載組合來計算，組合情況見表3.1.

表3.1 荷載工況組合

混凝土正截面壓應(yīng)力及斜截面主壓應(yīng)力驗(yàn)算取正常使用狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)組合2進(jìn)行驗(yàn)算，混凝土斜截面抗裂驗(yàn)算取正常使用狀態(tài)短期組合3進(jìn)行驗(yàn)算[6].

(2)計算控制截面.

根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，擬定加載控制截面如圖4所示.

圖4 加載控制截面

(3)計算結(jié)果比較.

表3.2 85規(guī)范計算結(jié)果

表3.3 18規(guī)范計算結(jié)果

計算結(jié)果表明，該連續(xù)橋計算結(jié)果分別滿足85規(guī)范和18規(guī)范的要求，并具有一定的安全儲備.

3.2 考慮結(jié)構(gòu)損傷的模型修正

根據(jù)該連續(xù)梁橋的檢測結(jié)果可知，該橋跨中下?lián)稀⒖缰谐霈F(xiàn)受彎裂縫、腹板斜裂縫等，原因是預(yù)應(yīng)力損失，有效預(yù)應(yīng)力不足；另外，裂縫可能導(dǎo)致混凝土部分截面退出工作，進(jìn)而導(dǎo)致梁體剛度有損，不能充分發(fā)揮作用.因此，從三個方面考慮結(jié)構(gòu)損傷：

(1)混凝土強(qiáng)度值.

由該橋檢測報告可知，各構(gòu)件混凝土的回彈強(qiáng)度推定值大于設(shè)計值，說明該橋混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計要求，因此該橋中，混凝土強(qiáng)度值不考慮折減.

(2)預(yù)應(yīng)力損失.

預(yù)應(yīng)力損失分為時效預(yù)應(yīng)力損失和瞬時預(yù)應(yīng)力損失.時效預(yù)應(yīng)力損失在橋梁的長期運(yùn)營過程中持續(xù)產(chǎn)生效應(yīng)，是影響結(jié)構(gòu)撓度的主要因素.擬將實(shí)體模型的全橋縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的張拉力大小按梯度折減，分別為折減10%、15%、20%、25%、30%來分析原橋的預(yù)應(yīng)力損失狀況.

(3)梁體剛度.

由于裂縫的存在，擬對梁體剛度進(jìn)行一定程度的折減，分別為折減10%和20%.

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考慮上述結(jié)構(gòu)損傷的情況，建立起損傷模型的情況見表3.4.

表3.4 損傷模型

根據(jù)上述折減工況設(shè)定進(jìn)行損傷模型計算，得出各種折減工況下關(guān)鍵截面的撓度，采用撓度擬合方法判斷對橋梁實(shí)際損傷狀態(tài)的模擬的合理性.

3.3 損傷模型的撓度計算結(jié)果分析

經(jīng)對損傷模型進(jìn)行計算，得到主跨跨中A-A截面在各折減工況下的計算結(jié)果見表3.5.

表3.5 撓度計算結(jié)果/mm

由檢測報告知，A-A截面的高程降低8.9cm.而GK10中，有效預(yù)應(yīng)力折減25%，同時梁體剛度折減20%時，A-A截面的下?lián)现禃r9.01cm，與實(shí)際檢測結(jié)果接近.因此，采用該工況設(shè)定的損傷模型進(jìn)行后續(xù)加固計算較為合理.

4 結(jié) 論

本文擬對某在役連續(xù)剛構(gòu)橋主橋進(jìn)行有限元模擬，模型考慮結(jié)構(gòu)運(yùn)營多年的損傷情況，主要對混凝土強(qiáng)度、預(yù)應(yīng)力折減和梁體剛度折減這三個參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通過對比中跨跨中截面的撓度的有限元計算值和實(shí)際檢測結(jié)果的實(shí)測值，選出相對合理的有限元計算模型，為后續(xù)加固分析打下基礎(chǔ).從上文中，得到以下結(jié)論：

采用Midas FEA建立有限元模型，結(jié)合橋梁的實(shí)際情況進(jìn)行材料、邊界條件和結(jié)構(gòu)單元的模擬.

結(jié)合實(shí)際檢測結(jié)果，主要就混凝土強(qiáng)度、有效預(yù)應(yīng)力和梁體剛度三個主要參數(shù)考慮結(jié)構(gòu)損傷比較合理.

通過中跨跨中截面的撓度擬合情況，判斷混凝土強(qiáng)度無折減，有效預(yù)應(yīng)力折減25%，同時梁體剛度折減20%時，計算模型的撓度下降值為9.01cm，實(shí)測結(jié)果為8.9cm，二者更為接近，故認(rèn)為該模型相對準(zhǔn)確，可采用該模型進(jìn)行后續(xù)加固分析.