鋼-混組合梁橋邊梁斷裂破壞修復方法研究

摘 要：鋼-混組合梁橋結合了鋼材和混凝土兩種材料的優點，具有質量輕、跨度大、施工難度低和經濟效益好等特點。疲勞破壞是鋼結構橋梁的一種典型病害，因此本文以某座鋼-混組合橋梁主梁的“工”形鋼梁疲勞斷裂事件為例，詳細闡述了該橋的臨時加固、計算和疲勞分析過程。本文采用有限元模型根據橋梁原設計圖紙、臨時加固方案和相關技術資料建模，對橋梁斷裂前后的受力狀況進行了分析，評價加固措施的有效性和其對橋梁力學性能的影響。然后，結合有限元應力結果和相關規范對該橋進行疲勞驗算，根據驗算結果對該類型橋梁的后續養護工作提出相關建議。

關鍵詞：鋼-混組合梁橋；疲勞破壞；有限元模型；加固方案

中圖分類號：U 44 " 文獻標志碼：A

鋼-混凝土組合梁是在鋼結構和混凝土結構基礎上發展起來的一種新型結構型式。它主要通過在鋼梁和混凝土翼緣板之間設置剪力連接件（栓釘、槽鋼、彎筋等），抵抗兩者在交界面處掀起及相對滑移，使其成為一個整體，并共同工作。與鋼筋混凝土梁相比，鋼-混凝土組合梁可以減輕結構質量，減少地震效應和截面尺寸，增加有效使用空間，節省支模工序和模板，縮短施工周期，提高梁的延性等。與鋼梁相比，它不僅可以減少用鋼量，還可以提高剛度、穩定性、結構抗火性和耐久性等[1]。

鋼-混凝土組合梁在我國城市立交橋梁中已得到廣泛應用，疲勞破壞作為橋梁鋼結構的典型病害，在日常的養護工作中多發于細部構造，例如肋板焊縫處。本文以某鋼-混組合梁“工”形鋼梁疲勞斷梁事件為案例，利用有限元模型對梁體斷裂前后進行力學性能分析，并結合規范對其疲勞性能進行驗算，評估鋼混組合梁的加固效果，期望本文研究成果可以為同類型橋梁的應急評估和搶險工作提供借鑒。

1 工程背景

案例橋梁走向為滬杭高速至徐浦大橋方向，全橋共33跨，總長為678.5m。上部結構為預應力鋼筋混凝土空心板梁、普通鋼筋混凝土連續箱梁及工字鋼梁。橋梁建于1998年，設計荷載為汽車-超20級，掛-120，限載總質量為49t，軸質量為14t。本次受損橋梁為21#孔跨越地鐵線的上下行線路，全橋共有6片主梁，5道中橫梁和2道端橫梁，中橫梁與端橫梁均采用焊接“工”形斷面，主梁梁高為1.68m，中橫梁梁高為1.4m，端橫梁梁高為1.68m。由于該橋跨越地鐵軌道，日常巡檢中未能全面覆蓋，因此在2023年3月的專項檢查中，橋梁養護部門發現該橋梁的工字鋼梁出現較為明顯的下翼緣板及腹板開裂現象。斷裂處長80cm，最大寬度為1.1cm，已貫通至腹板。斷裂位置距下翼緣板的橫向焊縫2cm。

鋼梁跨中處腹板出現豎向斷裂1處，裂縫長1.2m，最大寬度為9mm，斷裂處呈明顯的下寬上窄狀，并已向上發展至距上翼緣40cm處。斷裂位置距腹板斜焊縫50cm。

受損鋼梁為邊梁，且位置對應的橋面車道為重車道，根據現場檢查結果，判定鋼梁開裂的原因可能是長期重載交通的作用及振動或沖擊而產生的鋼梁疲勞損傷。

針對該梁，工程師提出在鋼梁開裂區域開孔，并利用高強螺栓錨固加固板的方案，具體施工流程如下。1）以腹板上緣裂縫終端為中心，打直徑30mm的止裂孔。2）臨時加固采用貼板栓接加固，對連接板表面進行除銹清理，安裝時涂層抗滑移系數不小于0.30。3）在開裂區域進行開孔，將螺栓預拉力設計為355kN，連接板與下翼緣板（腹板）相互壓緊后，應該從加固件中間向端部逐次鉆孔安裝，并擰緊螺栓。在開孔過程中，需要盡可能避免削弱鋼梁截面。

2 有限元模型介紹

2.1 整體模型

本文利用ABAQUS-CAE有限元軟件[3]建立整橋的空間有限元模型，利用三維實體有限元模型對橋梁邊梁開裂情況進行仿真模擬，探究邊梁開裂前后，立交橋整體的受力狀態和內力變換情況，評估橋梁結構的安全性能。為進一步探索橋梁臨時修復加固方案細部模型的安全性和有效性，本文根據臨時加固方案，建立了加固區域的足尺精細化分析模型，分析螺栓的開孔對橋梁結構的受力影響。為了建模及分析的便捷性，主梁鋼板采用3D面結構，建立混凝土橋面板采用3D體結構，除此之外，研究還對橫隔板、橫肋以及底板預應力錨固齒塊等細部結構進行了建模。模型網格劃分方式采用規整化網格劃分的方式，主梁端部、跨中、橫隔板以及縱肋單元的網格尺寸為50mm，全橋總單元數約44萬個，總節點數約46萬個。

2.2 局部模型

根據臨時加固設計方案，對梁體鋼板和加固鋼板進行開孔，大量開孔會導致鋼板截面削弱以及產生大量局部損傷，且當梁體受荷時，螺栓孔附近會出現應力集中現象。因此，為研究采用該加固方案時的真實應力情況，須對臨時加固區域進行精細化仿真模擬。

在局部模型中，須考慮加固板件和梁體的空間位置和接觸關系，因此，主梁加固板件采用3D體結構。局部模型按照鋼梁臨時加固工程設計圖，其縱向尺寸為5m，兩側邊界與裂縫的距離分別為2m和3m。采用自動實體網格劃分的方式對網格進行劃分，為了能夠精細化分析螺栓開孔的局部應力狀況，本模型在加固區域采用尺寸為1～5mm的單元進行劃分，越靠近螺栓孔尺寸越小。在非加固區域采用尺寸為20mm的單元進行劃分。空間有限元模型如圖1所示。

2.3 材料參數

鋼-混組合橋主要包括混凝土橋面板和鋼主梁。因此，本次計算模型中主要包括混凝土和鋼兩種材料，混凝土等級為C50，其彈性模量為35000MPa，泊松比為0.2。鋼主梁和加固板材料均為Q345鋼材，其彈性模量為20000MPa，泊松比為0.3，其工字鋼底板寬為800mm，厚度為35mm。腹板高為1600mm，厚度約為20mm。加固鋼板同樣采用Q345鋼材，主梁腹板加固連接板厚度為14mm，底板加固連接板厚度為24mm。

2.4 荷載和約束

根據《城市橋梁設計規范》（CJ 11—2011）[2]，該橋梁的設計荷載為城—A荷載，本次數值模擬分為正常使用、邊梁斷裂和臨時加固3種計算工況。正常使用工況其邊梁完好；邊梁斷裂工況是根據實際斷裂位置和高度切割出對應的裂縫來模擬橋梁的帶傷工作狀態；臨時加固計算工況則是在邊梁斷裂工況的基礎上，模擬錨固加固板修復方案。

實體模型的支座約束與實際橋梁設計方案保持一致，所有支座均約束豎向約束，其中3#和4#支座按固定鉸支承處理，9#和10#只釋放縱向約束，固定鉸一側的其他支座（1#、2#、5#、6#支座）只釋放橫向約束，另一側的其他支座（7#、8#、11#、12#支座）釋放橫向和縱向約束。

2.5 螺栓模擬

螺栓錨固鋼板臨時加固方案是否有效不僅取決于能否恢復橋梁正常的整體工作狀態，還需要保證螺栓孔開孔數量以及位置的合理性，避免造成次生病害。因此，本研究對螺栓的開孔點位、數量以及連接方式進行了仿真模擬，研究局部鋼板開孔后的真實受力性能，并評估其安全性。

局部模型螺栓的模擬共分為以下3個部分。1）螺栓模擬：螺栓模擬采用ABAQUS內置的connector單元，根據螺栓的中心位置對單元節點進行排布，并利用tie約束連接梁體和加固板的螺栓孔位。2）鋼板接觸模擬：由于加固鋼板與梁體鋼板之間存在摩擦作用，因此在局部模型中，須在兩者之間設置“接觸”模型，接觸性質采用硬接觸，罰函數的摩擦系數取0.3。3）螺栓預緊力模擬：螺栓預緊力利用均布荷載均勻加載在加固鋼板上。

3 計算結果分析

3.1 應力

3種工況下最大主拉應力如圖2所示。各工況最大主拉應力值分別為155.9MPa、219.8MPa和93.5MPa，它們的最大主應力值均不超過270MPa，其主應力滿足《公路鋼結構橋梁設計規范》（JTG D64—2015）[3]的要求。邊梁的最大主應力為129.9MPa，出現在邊梁斷裂工況的靠內側梁體的下翼緣板處，在進行臨時修復加固后，鋼梁主體的主應力最大值變為68.73MPa，與未發生斷裂時的鋼梁應力狀況基本一致，修復鋼板的最大主應力為60.44MPa，這表明修復加固措施能夠有效恢復結構的整體受力性能，并且加固板并未出現應力超限的情況。但是整體模型并未考慮螺栓的開孔等局部措施對結構的影響，因此需要輔以局部分析模型，對其進行研究。

3.2 支座反力

在車道荷載作用下，邊梁斷裂后，在約束1側，與正常使用狀態相比，1#梁的支座反力急劇下降，支座出現負反力，存在支座脫空風險。4#梁處的支座反力會從105kN增至307.931kN，支座反力增幅接近100%。在約束2側，6#梁的約束2側的支座反力從177.86降至67kN，同樣存在支座脫空的風險。中部的2#、3#和4#支座反力均會增加約60kN左右。

對臨時加固工況來說，無論是車道還是車輛荷載，支座反力基本與正常使用狀態保持一致，最大誤差只有37kN，50%的支座反力誤差在10kN以下，證明臨時修復加固措施效果顯著，能夠使橋梁恢復整體正常工作狀態。

因此，當邊梁斷裂后，1#和6#邊梁均存在支座脫空風險，易引起重大安全事故，中部梁體支座所承受的荷載會增加，有可能超過支座的極限承載力，導致支座發生破壞，同時，采用螺栓錨固板加固的方法能夠有效地恢復橋梁的工作性能，說明加固方案總體有效。

3.3 局部模型結果

在車道荷載作用下，臨時加固區域鋼梁和加固板的主應力結果如圖3所示。根據梁體主應力圖可以看到，在下翼緣板緊鄰裂縫的兩排螺栓孔位處，會出現應力集中現象，產生超過559MPa的主拉應力，根據加固板主應力圖，底部下層加固板在裂縫區域，會出現超過348MPa的應力集中區域。

梁體主應力超限區域主要集中在裂縫附近區域的螺栓孔位處，鋼板主應力超限區域同樣集中在裂縫附近區域。因此，需要對裂縫附近的螺栓區域進行持續性監測，防止鋼板局部開裂使臨時加固結構發生破壞，導致加固措施失效。

4 結論

本研究利用空間有限元模型對某鋼-混組合橋梁從整體到局部的不同工況下梁體的受力狀況進行了仿真分析，重點研究了橋梁受力狀態在發生斷裂以及臨時加固前后，在車道荷載作用下的變化規律，分析了橋梁結構安全存在的潛在風險，得出以下主要結論。1）在車道和重車荷載作用下，梁體在各種工況的總體主拉應力均滿足《公路鋼結構橋梁設計規范》要求，但是根據加固區域局部模型的精細化分析結果，其螺栓開孔區域會產生應力集中現象，出現超限應力，可能會導致梁體和加固板開裂破壞。2）在荷載作用下，邊梁發生斷裂后，其邊梁支座會出現負反力，容易出現支座脫空現象，當橋梁偏載較大時，極有可能發生橋梁安全事故，危及行車安全。

參考文獻

[1]聶建國，余志武.鋼-混凝土組合梁在我國的研究及應用[J].土木工程學報，1999（2）：3-8.

[2]住房和城鄉建設部. 城市橋梁設計規范：CJ 11—2011[S].北京：人民交通出版社，2011：31-32.

[3]中交公路規劃設計院有限公司.公路鋼結構橋梁設計規范：JTG D64—2015[S].北京：人民交通出版社，2015：8-9.