基于Midas Civil的橋梁承載力檢算分析

唐穎林,湯 維

(北京九通衢檢測技術股份有限公司河北分公司 石家莊市 050000)

1 工程概況

某橋為一座南北走向的十七跨先簡支后連續預應力混凝土小箱梁橋,全橋共分4聯,全長530.6m,跨徑組合為2.0m×(30.0m+40.0m+30.0m)+6.0m×30.0m+5.0m×30.0m,由北向南。橋面總寬為25.0m,橋寬布置如下:0.25m欄桿基座+1.75m人行道+21.0m車行道+1.75m人行道+0.25m欄桿基座。0#臺、3#墩、6#墩、12#墩、17#臺位置橋面設有型鋼伸縮縫裝置。該橋正立面及結構見圖1和圖2。

圖1 橋梁正面

圖2 橋梁立面

2 檢算參數取值

橋梁承載能力檢算依據《城市橋梁檢測與評定技術規范》(CJJ/T 233-2015)[1],選取受力最不利孔跨的最不利梁。結合外觀檢測及無損檢測結果,此次橋梁承載能力檢算選取第1聯邊跨(第1孔)、中跨(第2孔)2#小箱梁。

2.1 結構尺寸

該橋上部結構為預應力混凝土小箱梁;下部結構橋墩為蓋梁柱式墩,樁基礎。主要構件結構尺寸如下:

(1)跨徑:第1聯(30m+40m+30m)。

(2)橋面布置:0.25m(欄桿)+1.75m(人行道)+21m(行車道)+1.75m(人行道)+0.25m(欄桿)=25m。

(3)預應力混凝土小箱梁尺寸:梁高2.01m,梁底寬1.005m,梁間距3.1m,濕接縫寬0.7m,頂底板及腹板厚0.18m,翼緣邊厚0.183m,根部厚0.255m。

2.2 技術標準

檢算荷載:城市-A級。橋梁結構沖擊系數1.134。

2.3 材料

2.3.1混凝土

根據回彈結果,梁體混凝土強度推定值大于C60,考慮混凝土分項系數,模型建立時,設計抗壓強度取26.5 MPa,抗拉強度取1.96 MPa。

2.3.2鋼筋

普通鋼筋:鋼筋強度采用《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)[2]中的R235、HRB335鋼筋強度,箍筋設計強度為195 MPa,主筋取280MPa。

預應力鋼筋:鋼絞線采用φs15.2低松弛鋼絞線,標準強度fpk=1860MPa,彈性模量Ep=1.95×105MPa。

2.4 主要荷載取值

(1)結構自重:主梁、二期鋪裝層及護欄均為混凝土結構,重度26kN/m3。

(2)混凝土收縮徐變:按年平均相對濕度70%產生的效應考慮。

(3)車輛荷載:城-A級。

(4)整體溫度:根據規范考慮橋梁施工,按照升溫25℃,降溫25℃計算。

(5)梯度溫度:根據《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60—2015)[3]計算。該橋的檢算荷載指標見表1。

表1 檢算荷載指標

3 承載能力檢算

根據《城市橋梁檢測與評定技術規范》(CJJ/T 233-2015)相關規定,此次橋梁承載能力檢算采用《城市橋梁設計規范(2019年版)》(CJJ 11-2011)[4]中的城-A級荷載標準計算作用效應值。首先按照設計規范對原橋結構進行結構驗算,然后引入材料性能分項系數,損傷、鋼筋銹蝕、約束條件變異等不利影響值以及結構截面實測值進行實際承載力檢算[5-6]。橋梁承載能力檢算方法見式1:

γ0S=R(fm,am,fad)

(1)

式1中,γ0為結構的重要性系數;S為荷載效應函數;R(fm,am,fad)為抗力效應函數;fm為材料性能實測值,計算抗力時,應除以材料性能分項系數;am為構件幾何參數的實測值;fad為損傷、鋼筋銹蝕、約束條件變異等對結構產生的不利影響附加值。

3.1 橋梁結構計算模型

該橋理論計算采用Midas Civil 2021計算軟件,按照梁格法建立空間整體模型進行計算分析。檢算模型如圖3～圖5所示。

圖3 計算模型圖(30m+40m+30m)

圖4 主梁橫斷面

圖5 試驗孔控制斷面位置示意圖(單位:cm)

3.2 橋梁原結構驗算

橋梁原結構驗算依據設計圖紙進行建模,按照《城市橋梁設計規范(2019年版)》(CJJ 11-2011)中的城-A級荷載標準進行設計荷載效應計算。橋梁施工階段荷載、下部結構不均勻沉降取值均參照設計規范。選擇第1聯邊跨(第1孔)、中跨(第2孔)受力最不利2#梁進行承載能力極限狀態和正常使用極限狀態下的結構驗算[7-8]。檢算控制斷面3個,各控制斷面具體位置及說明如下:

(1)J1斷面:第1孔最大正彎矩斷面,距0#橋臺13.13m;

(2)J2斷面:第2孔跨中斷面;

(3)J3斷面:連續墩1#墩墩頂負彎矩位置。

3.2.1承載能力極限狀態驗算

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)相關規定,結構的重要性系數取1.0。

(1)正截面抗彎承載力極限狀態檢算

正截面抗彎承載力極限狀態檢算結果如表2所示,1-2#梁、2-2#梁最不利彎矩組合效應包絡圖及效應值和抗力值見圖6。

表2 正截面抗彎極限承載力檢算表

注:圖中,Mn(max)為結構最大抗力;Mn(min)為結構最小抗力;rMu(max)為設計荷載下最大效應;rMu(min)為設計荷載下最小效應。

由表2和圖6可知,該橋第1聯上部結構在城-A級設計荷載組合作用下產生的彎矩效應包絡值均小于原設計結構抗力值。彎矩效應組合最大值位于中跨跨中截面,最大值為14119.9 kN·m,對應結構抗力為14350.6kN·m,結構安全系數為1.02;彎矩效應組合最小值位于墩支點截面,為-8841.6 kN·m,對應結構抗力為-11764.7kN·m,結構安全系數為1.33。結果表明,該橋上部結構的結構抗力滿足城-A級設計荷載基本組合作用下的效應設計值,且具有一定安全儲備。

綜上所述,該橋上部結構受力最不利1-2#梁、2-2#梁的抗彎承載能力滿足城-A級設計荷載的使用要求。

(2)斜截面抗剪承載力極限狀態檢算

斜截面抗剪承載力極限狀態檢算結果如表3所示,1-2#梁、2-2#梁最不利彎矩組合效應包絡圖及效應值和抗力值如圖7所示。

表3 斜截面抗剪極限承載力檢算表

注:圖中Vn(min)為結構最小抗力;Vn(max)為結構最大抗力;rVd(min)為設計荷載下最小效應;rVd(max)為設計荷載下最大效應。

由表3和圖7可知,該橋第1聯上部結構在城-A級設計荷載組合作用下產生的剪力效應包絡值遠小于原設計結構抗力值。剪力效應組合極值位于墩支點位置,極值為-2262.3kN,對應結構抗力為-4214.5kN,結構安全系數為1.86。結果表明,該橋上部結構的結構抗力滿足城-A級設計荷載基本組合作用下的效應設計值,且安全儲備較大。

故該橋上部結構受力最不利1-2#梁、2-2#梁的抗剪承載能力滿足城-A級設計荷載等級的使用要求。

3.2.2正常使用極限狀態檢算

根據《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG 3362-2018)第6.3.3條,在作用(荷載)短期效應組合下,A類預應力混凝土預制構件應符合σtp≤0.7ftk的要求:其中,σtp為構件抗裂驗算截面邊緣混凝土的法向拉應力;ftk為混凝土的抗拉強度標準值。

抗裂檢算結果如表4所示。

表4 抗裂性能檢算結果表

由表4可知,該橋上部結構在正常使用極限狀態下,截面邊緣混凝土法向拉應力小于混凝土的抗拉強度標準值,表明在正常使用荷載作用下,結構混凝土不會開裂。故該橋上部結構受力最不利1-2#梁、2-2#梁在正常使用極限狀態下的抗裂性能滿足城-A級設計荷載等級的使用要求。

3.3 橋梁實際承載能力檢算

3.3.1橋梁結構檢算修正值

根據《城市橋梁檢測與評定技術規范》(CJJ/T 233-2015)相關規定,結合橋梁外觀檢測、材質無損檢測及橋梁自振頻率測試結果與評定,實際承載能力檢算修正系數取值情況如下:

(1)經現場調查,該橋自重未發生變異情況,不考慮自重調整與修正。

(2)根據橋梁外觀檢測情況,檢算箱梁截面損傷主要考慮材料風化、碳化、物理與化學損傷以及鋼筋銹蝕造成的有效截面損失。此次橋梁承載能力檢算取截面折減系數為0.989。

(3)根據橋梁外觀檢測及橋梁材質無損檢測情況,此次橋梁承載能力檢算中,鋼筋截面折減系數取0.99。

3.3.2承載能力極限狀態檢算

(1)正截面抗彎承載力極限狀態檢算

正截面抗彎承載力極限狀態檢算結果如表5所示。

表5 正截面抗彎極限承載力檢算表

從表5可知,綜合考慮橋梁缺損狀況、混凝土強度、結構自振特性等指標,以及橋梁結構質量狀況衰退惡化影響和材料物理、化學損傷引起的結構、鋼筋有效截面損失等因素,經過修正后的結構抗力均大于城-A級設計荷載組合效應設計值。結果表明,該橋上部結構受力最不利1-2#梁、2-2#梁經檢算系數修正后的抗彎承載能力滿足城-A級設計荷載等級的使用要求。

(2)斜截面抗剪承載力極限狀態檢算

斜截面抗剪承載力極限狀態檢算結果如表6所示。

表6 斜截面抗剪極限承載力檢算表

從表6可以看出,綜合考慮橋梁缺損狀況、混凝土強度、結構自振特性等指標,以及橋梁結構質量狀況衰退惡化影響和材料物理、化學損傷引起的結構、鋼筋有效截面損失等因素,經過修正后的結構抗力均大于城-A級設計荷載組合效應設計值。結果表明,該橋上部結構受力最不利1-2#梁、2-2#梁經檢算系數修正后的抗剪承載能力滿足城-A級設計荷載等級的使用要求。

3.3.3正常使用極限狀態檢算

抗裂檢算結果見表7。

表7 抗裂性能檢算結果表

由表7可知,該橋上部結構受力最不利1-2#梁、2-2#梁在正常使用極限狀態下的抗裂性能滿足城-A級設計荷載等級的使用要求。

4 結論

通過對衡山路跨隴海立交橋第1聯邊跨、中跨受力最不利梁進行承載能力檢算,可知該橋上部結構小箱梁承載能力滿足城-A級荷載等級使用要求。通過研究可知,Midas Civil軟件在橋梁的承載力檢算方面具有較高的準確性和可靠性。希望文章的檢算分析過程能為同類型工程實踐提供參考。