基于實例溢洪道交通橋結構安全綜合評價分析

陳盛輝，胡堯峰，鄭漢種

(1.縉云縣水利局，浙江 縉云 321400；2.西華大學，四川 成都 610039；3.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020)

0 引言

溢洪道交通橋在日常的巡查監測和防汛工作中均起到了重要的作用，也可以作為交通道路通行車輛，是保證交通安全和水庫安全運行的重要結構[1]；陸揚[2]認為對橋車輛限速限載，可提高交通橋運行的安全性；王飛等[3]就水閘中工作橋兼做交通橋的工程為例，給出其安全評價的方法，并給出如何計算分析其在不同工況下的內力和構件強度，分析了該工作橋的安全現狀；陳浩帆[4]通過ABAQUS軟件對石門水庫壩頂交通橋進行靜動力分析。本工程溢洪道交通橋作為水庫樞紐的重要結構，其運行多年后結構老化、失穩破壞，輕則影響過往車輛的人身安全，重則可影響水庫大壩安全，因此對交通橋結構安全進行綜合評價有著積極的意義。

1 交通橋結構概況

該溢洪道交通橋采用三肋帶橫拉桿拱架形式。主拱圈凈跨L=22.85 m，凈矢高f=3.81 m，矢跨比f/L=1/6。橋全長25.5 m，橋面寬4.5 m，橋兩側均設置防護欄桿，欄桿高1 m，但經現場檢查發現，實際與原設計局部有些差別，交通橋現場見圖1，因此根據現場情況，繪制交通橋平面圖，如圖2所示。其中本橋荷載標準為舊汽-6設計，最大荷載重量為60 kN，材料為鋼筋混凝土結構，混凝土材料全部采用C20。

經現場檢查及檢測：主拱梁有多處裂縫及混凝土脫落現象，并有多處縱筋及箍筋露筋現象，未見貫穿性裂縫；拉桿多處表面混凝土脫落、裂縫等現象，1處貫穿性縱向裂縫。右側橋頭護欄柱子被撞斷；橋面板基本完整，混凝土強度推定值滿足原設計強度，橋梁架結構強度經監測滿足原設計強度要求，但所檢受力構件混凝土碳化深度值均在2 cm以上，碳化深度較深。

2 拱圈內力計算

根據原設計圖紙，主拱圈伸入橋墩0.2 m，錨固長度較小，根據現場橋梁情況并考慮橋梁多年運行情況，本次主拱圈驗算按等截面圓弧雙鉸拱計算[5]。主拱圈截面尺寸按0.2 m×0.3 m計算；立柱截面尺寸按0.2 m×0.3 m計算；橫系梁截面尺寸按0.15 m×0.2 m計算；主拱圈及副拱上部橋面梁板按填厚0.5 m，r=20 kN/m3計算；跨中部分拱圈與橋面板之間填筑按三角形梁荷載考慮，寬度同拱圈寬0.2 m，最高處按0.5 m考慮。

本工程橋面寬4.5 m，橫向布置3個主拱圈，本次取中間跨主拱圈計算，計算寬度取2.25 m。集中力P的計算跨度、立柱計算高度見圖3。

參考JTG D60—2004公路橋涵設計通用規范及國內相關文獻[6]，按路面上車輛所占的寬度，把車輛荷載換算成條狀均布土層，其厚度h0為：

(1)

2.1 計算工況

本次結構計算采用以下三種工況：

工況一：不考慮橋面車輛荷載，考慮橋面行人荷載2.5 kN/m2；

工況二：考慮橋面5 t車輛荷載；

工況三：考慮橋面10 t車輛荷載。

2.2 內力計算

交通橋主拱圈承受荷載主要有均布永久荷載(主拱圈自重、欄桿自重、橋板自重、橫系梁自重、腹拱自重)，均布可變荷載(人群荷載、車載)等。其中5 t汽車Q=50 kN，車帶長L=4.2 m，車帶寬b=2.6 m，則Q5 t汽車=50/(4.2×2.6)=4.58 kN/m2，對應Q10 t汽車=9.16 kN/m2。

根據不同工況下計算拱圈的內力，計算得拱圈的內力如表1所示。

表1 交通橋拱圈內力計算成果

根據得到的內力計算相應的壓應力，見表2。

表2 交通橋拱圈壓應力計算成果

通過計算得到：隨著荷載的增加，拱頂位置受荷載影響最大，本橋梁在僅考慮人群活載2.5 kN/m2且未考慮風荷載作用下主拱圈應力偏大，超出C20混凝土強度，已不滿足現行混凝土結構設計規范要求，建議對本橋進行加固處理。

3 數值模擬

根據設計圖紙與現場詳細情況，數值模型共劃分97 252個三維實體單元和27 999個節點，交通橋數值分析模型如圖4所示。

3.1 本構模型

該交通橋主要為鋼筋混凝土結構，鋼筋混凝土有限元模型根據鋼筋的處理方式分為三種，即分離式、整體式和組合式。

當不考慮混凝土和鋼筋二者之間的滑移時，三種模型都可以，本次模擬采用整體式模型。本次計算主要是查看交通橋各部件受力情況，因此計算過程中選用各向同性彈性模型來對結構變形進行數值模擬研究。

3.2 材料屬性

考慮到實際現役橋梁已經營運20多年，模型的材料性質一方面參考原設計，另一方面還要根據現場檢測情況進行修正，主拱圈由拱肋、橋板、拱波以及橫拉桿組合而成，均選用均質材料，材料的各個參數如下：

混凝土材料彈性模量E=2.8×104MPa，泊松比μ=16，容重γ=23 kN/m3。

3.3 工況和邊界條件

為了能反映交通橋正常運行狀況，并結合現場交通橋的裂縫等問題，分兩種工況進行模擬，以交通橋行走2 t車輛荷載至橋中央為工況一，以交通橋行走5 t車輛荷載至橋中央為工況二[7]。邊界條件：數值模擬時，岸坡處及支墩底部假定為固端約束。

3.4 計算結果

3.4.1 應力分析

兩種工況下的最大主應力云圖見圖5，最小主應力云圖見圖6。

從圖5，圖6中可以看出：

1)大部分結構最大主應力基本表現為壓應力，局部表現為拉應力，主要出現在兩側拱圈和橋板中間位置；主拱圈兩側的拉應力較大，在工況一運行條件下拉應力最大值為20.4 MPa，而工況二拉應力最大值達到29.3 MPa；壓應力值均不大，最大值出現在拱腳位置。

2)最小主應力分布趨勢與最大主應力分布趨勢相反，整體模型中絕大部分表現為拉應力，局部表現為壓應力，壓應力主要集中拱頂和拱頂上部橋板位置，且在拱頂位置的壓應力最大，工況一運行條件下的值達到13.0 MPa，而工況二下的壓應力值達到18.3 MPa。

3)不同工況下，拱圈位置受到的影響最大，拱圈兩側位置為拉應力，拱頂位置為壓應力。

3.4.2 位移分析

模型總位移云圖如圖7所示，X向位移云圖如圖8所示，Y向位移云圖如圖9所示，Z向位移云圖如圖10所示。

1)從位移云圖中可以看出，模型位移分布集中在交通橋中部，其他位置位移值均較小；在工況一下拱頂位移表現最大為1.2 cm，而工況二下位移最大為1.8 cm，很明顯在5 t車載作用下，交通橋已經產生過大變形。

2)X向位移分布集中在兩側主拱圈和腹拱位置，左側位置向左方向變形，右側位置向右方向變形。Y向位移較小，位移值在0 mm～0.2 mm之間，位移分布集中在主拱圈位置。

3)從位移云圖中可以看出，兩種工況下模型Z向的位移分布規律和總位移規律相似，Z向最大位移出現的位置、大小和總位移相等，說明此處主要發生的是沉降位移，X向、Y向的位移很小，這從X向、Y向位移云圖中得到證實。

4)工況一模型主要部位的Z向位移值在0 mm～12 mm之間，而X向位移值在0 mm～1.8 mm之間，Y向的位移值在0 mm～0.2 mm之間。Z向的位移值比X向、Y向的位移值大了一到兩個數量級，這同樣較好的說明了從總位移云圖中表現為沉降位移所控制這一規律。

5)而工況二下的模型主要部位的Z向位移值在0 mm～18 mm之間，而X向位移值在0 mm～2.5 mm之間，Y向的位移值在0 mm～0.3 mm之間，相比工況一下的，承受較大車載下，豎向位移有較大程度的增大。

4 結語

根據現場觀測、數值模擬應變結果分析，交通橋質量評價結論如下：

1)交通橋外觀質量較差，存在多處開裂、混凝土脫落、露筋等現象，并且橫向拉桿存在一處貫穿性裂縫。

2)兩端拱腳應變變化規律基本一致；在小型車載作用下拱頂應變最大值為1.2 cm左右，而在中型車載作用下，拱頂應變達到1.76 cm。

3)本橋梁在僅考慮人群活載2.5 kN/m2且未考慮風荷載作用下主拱圈應力偏大，已不滿足現行混凝土結構設計規范要求。綜合現場檢查檢測結果，溢洪道交通橋外觀質量較差，承載能力不足，且已出現較大裂縫，存在較大的安全隱患，建議對本橋進行限載2 t，并進行維修加固。