某高墩支座沉降下受損梁體的承載能力分析

王累

（四川公路工程咨詢監(jiān)理有限公司，四川 成都 610041）

一、工程概述

該橋梁上部結(jié)構(gòu)為（4×40+5×40+3×30+3×30+3×30+3×30）m預(yù)制T梁、連續(xù)箱梁，橋長725m，橋面設(shè)計為單向兩車道，總寬10.25m，其中行車道總寬9.25m。下部構(gòu)造橋臺采用肋橋臺、樁式橋臺，橋墩采用樁柱式矩形墩。該橋5號墩發(fā)生沉降，造成第5跨、第6跨橋面塌陷，簡支T梁梁體受損，如圖1所示。

圖1 橋墩沉降傾斜圖

二、橋梁主要病害

（一）梁體病害

根據(jù)現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)5號橋墩沉降，T梁梁體受損伴有大量細(xì)小裂縫，且第5跨、第6跨的梁體裂縫走向基本對稱并指向5號橋墩，因此本文針對第6跨的病害展開分析。第6跨梁體腹板存在斜裂縫(約45°，支座往跨中方向0m～10m范圍內(nèi))，共計167條；跨中附近區(qū)域梁體馬蹄側(cè)面存在斜裂縫(約45°)，共計39條。典型病害照片如圖2所示。

圖2 典型裂縫分布圖

（二）支座病害

根據(jù)現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)第6跨小里程側(cè)1～4#支座均存在部分脫空、剪切變形，同時1～4#T梁均存在移位現(xiàn)象，大里程側(cè)2～4#支座向上游側(cè)發(fā)生剪切變形3mm～4mm。

三、橋梁預(yù)拱度分析

為評估梁體線形狀況，給預(yù)應(yīng)力損失及梁體的技術(shù)狀況評價提供參考依據(jù)，在橋梁荷載加載前、卸載后，測量第6跨T梁梁底線形，分析加載前、卸載后梁底線形變化。（增加第8跨梁底線形作為對比跨）。

（一）測量方法

為測量本橋梁底的線形，在梁底黏貼徠卡全站儀L型小棱鏡，用全自動0.5s徠卡測量機器人測量棱鏡坐標(biāo)。

（二）測量位置

第8跨、第6跨測點位置：梁體兩端防落梁裝置位置處（距離支座約2m）、各橫隔板處共計7測點。梁底測點布置圖如圖3所示。

圖3 梁底測點位置

（三）測量結(jié)果

用徠卡0.5s測量機器人置于橋下視野通透處，在荷載加載前、卸載后測量每個測點，第6跨T梁梁底線形加載前、卸載后跨中預(yù)拱度測量數(shù)據(jù)如表1所示。測量數(shù)據(jù)顯示：6-1#、6-2#、6-3#梁卸載后較加載前的預(yù)拱度減小，6-4#梁預(yù)拱度無重大變化；6-1#、6-2#、6-3#梁較對比跨的預(yù)拱度減小，損失了部分預(yù)應(yīng)力和承載能力，其中6-1#、6-2#梁預(yù)拱度減小為負(fù)值，損失較大的預(yù)應(yīng)力和承載能力。

表1 梁體預(yù)拱度測量結(jié)果

四、橋梁建模分析

針對該橋第6跨采用有限軟件MIDAS/civil開展詳細(xì)計算分析工作。

（一）參數(shù)設(shè)置

該橋第6跨簡支T梁采用C50混凝土，荷載等級為城市-A級。橋梁從小里程面向大里程，橋墩頂橫橋向左偏0.40m，順橋向向大里程方向偏移0.10m，豎直方向最大沉降0.60m。

根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，5-1#～5-4#支座橫橋向左偏0.40m，順橋方向向大里程方向偏移0.10m，5-1#支座沉降0.6m，5-2#支座沉降0.5m，5-3#支座沉降0.4m，5-4#支座沉降0.3m。荷載組合選擇“自重+恒載+支座沉降荷載+鋼束一次+鋼束二次+收縮二次+徐變二次”[1]，分析運行程序，荷載組合的梁單元內(nèi)力圖如圖4所示，位移變形圖如圖5所示。

圖4 荷載組合下梁單元內(nèi)力圖

圖5 荷載組合下位移變形圖

（二）裂縫分析

矩形截面混凝土構(gòu)件在扭矩作用下，截面上將產(chǎn)生剪應(yīng)力流，截面扭心處剪力等于零，截面長邊外邊緣的中點處剪力最大。截面在剪力作用下將產(chǎn)生等值的主拉、主壓應(yīng)力及最大剪應(yīng)力，由于(τ／ft)＞(τ／fτ)＞(τ／fc)，因此混凝土的開裂是拉應(yīng)力達到抗拉強度(或拉應(yīng)變達到極限拉應(yīng)變)引起的[2]。因此，在截面長邊中點附近最薄弱處首先產(chǎn)生一條呈45°角方向的斜裂縫，然后迅速地以螺旋形向相鄰兩個面延伸，最后形成一個三面開裂一面受壓的空間扭曲破壞面，使結(jié)構(gòu)立即破壞，破壞帶有突然性，具有典型脆性破壞性質(zhì)，如圖6所示，其中開裂扭矩值為Tcr。

式中ft：混凝土抗拉強度設(shè)置值；

wt：截面受扭塑性抵抗矩。

T形的鋼筋混凝土純扭構(gòu)件，當(dāng)b＞h，b＞hf時，結(jié)構(gòu)的第一條斜裂縫出現(xiàn)在腹板側(cè)面的中部，其破壞形態(tài)和規(guī)律性與矩形截面純扭構(gòu)件相似。

圖6 純扭構(gòu)件應(yīng)力狀態(tài)及裂縫圖

在梁與支座之間相互約束中，控制轉(zhuǎn)動變形的力矩即稱為約束力矩。約束力矩繞構(gòu)件橫截面水平軸轉(zhuǎn)動的平面內(nèi)力矩，產(chǎn)生彎曲變形；而繞構(gòu)件長度方向水平軸轉(zhuǎn)動的扭矩，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。

從梁單元內(nèi)力圖和位移變形圖可以看出，T梁產(chǎn)生正扭矩，梁體受扭后形成約45°斜向裂縫，跟現(xiàn)場實測形成的裂縫方向一致；同時梁體受正扭矩后會使T梁的預(yù)拱度值減小，跟預(yù)拱度分析結(jié)果一致。

五、橋梁荷載試驗

（一）荷載工況

第6跨靜載試驗包括以下內(nèi)容：

工況一：跨中截面在最大正彎矩中載下的豎向撓度橫向分布，跨中截面、支點截面（距支座1m處，下同）在最大正彎矩中載下的應(yīng)力橫向分布和裂縫觀測；

工況二：跨中截面在最大正彎矩偏載下的豎向撓度橫向分布，跨中截面、支點截面在最大正彎矩偏載下的應(yīng)力橫向分布和裂縫觀測。

（二）結(jié)果分析

該橋第6跨T梁撓度測試結(jié)果分析如表2所示，各工況主測截面校驗系數(shù)在0.44～0.82之間。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》），結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)小于1.0時，表明結(jié)構(gòu)的實際狀況要好于理論狀況。最大相對殘余變位為12.70%，滿足《規(guī)程》規(guī)定的相對殘余變位不大于20%。

分析T梁之間的撓度值和校驗系數(shù)，可以看出6-1#、6-2#梁相比6-3#、6-4#梁的撓度數(shù)值較大，校驗系數(shù)偏高，結(jié)構(gòu)安全儲備較小，說明6-1#、6-2#梁的承載能力削弱，驗證了預(yù)拱度分析的結(jié)果。

在最大試驗荷載作用下各控制截面應(yīng)變觀測結(jié)果如表3所示，各工況主測截面校驗系數(shù)在0.42～0.82之間。根據(jù)《規(guī)程》，結(jié)構(gòu)校驗系數(shù)小于1.0時，表明結(jié)構(gòu)的實際狀況要好于理論狀況。相對殘余應(yīng)變絕對值最大為10.00%，滿足《規(guī)程》規(guī)定的相對殘余應(yīng)變不大于20%。

表2 撓度測試結(jié)果分析

表3 應(yīng)變測試結(jié)果分析

分析T梁之間的應(yīng)變值和校驗系數(shù)，6-1#、6-2#梁相比6-3#、6-4#梁的應(yīng)變數(shù)值較大，校驗系數(shù)偏高，結(jié)構(gòu)安全儲備較小，說明6-1#、6-2#梁的承載能力削弱，與預(yù)拱度分析結(jié)果一致。

六、結(jié)語

本文以某橋為工程背景，分析了橋梁支座沉降和梁體預(yù)拱度變化，探究了產(chǎn)生裂縫的原因，通過橋梁荷載試驗對該橋梁開展了安全評估。結(jié)果表明：從預(yù)拱度分析，6-1#、6-2#、6-3#梁卸載后較加載前的預(yù)拱度減小，6-4#梁預(yù)拱度無重大變化；從理論分析結(jié)合建模分析，梁體受扭后形成約45°斜向裂縫，跟現(xiàn)場實測形成的裂縫方向一致，同時梁體受正扭矩后會使T梁的預(yù)拱度值減小，跟預(yù)拱度分析結(jié)果一致；從荷載試驗分析，梁體受損后整體承載能力滿足荷載城市-A級的正常使用要求，驗證了預(yù)拱度分析的結(jié)果。