基于損傷梁橋在控制荷載作用下的有限元分析

王剛 趙揚 趙士輝

0 引言

當(dāng)前，我國橋梁建設(shè)已趨于飽和，已建或建成后不久的橋梁均出現(xiàn)了不同病害。其中，由于當(dāng)時設(shè)計荷載不足，加之日后交通量增大、超載現(xiàn)象頻頻發(fā)生，許多橋梁在建成后不久引起不同程度、不同位置的受力裂縫較為常見。結(jié)合橋梁出現(xiàn)的類似病害，考慮相關(guān)的研究結(jié)論與理論尚較少，給養(yǎng)護部門帶來不便。針對此問題，為了更好的給其養(yǎng)護部門提供相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)及處理意見，對這方面的研究顯得非常有必要。

1 實橋簡介

洮兒河二號橋(舊)位于洮北區(qū)207省道K121+501處，橋梁全長為243 m，橋跨結(jié)構(gòu)(孔數(shù)×跨徑):13 m×17 m。上部結(jié)構(gòu)每孔采用5片工字梁，采用預(yù)制吊裝施工，梁高100cm，間距160cm，混凝土標(biāo)號25號。下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，雙柱式墩臺，柱頂設(shè)置鋼筋混凝土帽梁。支座采用鋼鉸支座。橋面橫向布置為 0.5 m(欄桿)+7.0 m(行車道)+0.5 m(欄桿)，總寬8 m，橋面鋪裝采用瀝青混凝土。該橋設(shè)計荷載:汽—15、掛—80，建成時間為1982年，主要病害是1/4L，1/2L有受力裂縫，3號～4號主梁之間微彎板處有縱向裂縫，在橋下底部觀測時發(fā)現(xiàn)行車作用下主梁變形過大。主梁截面及全橋截面尺寸如圖1，圖2所示。

圖1 計算截面尺寸（單位:cm）

圖2 主梁截面尺寸（單位:cm）

2 橋梁理論承載能力的計算

本研究只考慮橋梁在損傷后控制荷載作用下的有限元分析，故實際加載均使用老規(guī)范荷載。模擬過程如下:按照梁格理論，采用midas.civil進行模擬，共劃分157個梁單元。端橫隔按實際模擬，厚度h=0.2 m;縱向梁格以1 m為一個單元，跨中部分因無橫隔梁，故采用虛擬橫梁，橫梁梁格截面特性按板厚h=0.2 m，寬b=0.5 m取，間距1 m。支座邊界條件設(shè)置為簡支，主梁節(jié)點與支座節(jié)點設(shè)置梁端釋放約束(主梁節(jié)點與支座節(jié)點之間采用剛性連接)。橋面設(shè)置兩個車道，車道系數(shù)取1，掛車加載按一車道設(shè)置［1］，按汽—15，掛—80加載，承載能力按組合荷載計算。最后計算得到在掛車荷載綜合作用下42號單元J端，即1號梁跨中內(nèi)力為最大2018.97 kN·m，從而確定掛—80為該橋控制荷載。然后根據(jù)最大內(nèi)力影響線加載方法找出最不利的移動荷載位置。

3 橋梁實體模型

3.1 實體單元及控制荷載的模擬

整個模擬利用大型有限元軟件midas.fea進行，生成實體單元后共2213個單元，邊界條件為鉸支。其中，Ⅰ型主梁從左至右編號依次定義為1號～5號，Ⅰ型主梁與微彎板按固結(jié)處理，Ⅰ型主梁與微彎板組合橫截面生成平面單元，劃分50個網(wǎng)格單元，然后將該平面單元沿跨徑方向按支座長度、損傷位置等進行劃分均勻后生成空間實體單元，端橫隔板橫截面按在Ⅰ型主梁的實際坐標(biāo)位置與主梁節(jié)點共用，將兩邊主梁節(jié)點連成三維曲線，生成平面單元后擴展成實體單元。因midas.fea移動荷載的施加較為不便，故模擬時利用midas.civil移動荷載追蹤器找出位置后，控制荷載用等效節(jié)點載荷代換來完成。模型如圖3所示。

圖3 實體單元模型

3.2 損傷的模擬

因各主梁底部1/2L，1/4L處已有受力裂縫并出現(xiàn)損傷，為了方便的找出1/2L，1/4L處的破損位置，在建模時，主梁單元沿縱向尺寸為(0.2+8@1+2@0.3+8@1+0.2)m，(其中，0.2 m 為支座沿跨徑方向的長度)。參照有關(guān)培訓(xùn)資料，考慮模擬條件的局限性，本文將梁底相應(yīng)位置處節(jié)點分割，以期實現(xiàn)主梁橫向裂縫(1/4L，1/2L處損傷位置)、3號～4號梁微彎板間的縱向裂縫。

4 分析

4.1 各根主梁沿跨徑方向的主應(yīng)力分析

將控制荷載作用下，損傷橋梁與未損傷橋梁模型計算所得到的數(shù)據(jù)整理成圖。以下為計算后經(jīng)提取并整理好的未損傷與損傷橋梁每根主梁的主應(yīng)力對比分析，如圖4所示。

圖4 損傷與無損傷情況下橋梁各主梁的主應(yīng)力對比分析

從數(shù)據(jù)及圖形分析能夠得到如下結(jié)論:1)將1/2L，1/4L跨做損傷與未損傷模擬，每根主梁主應(yīng)力在跨徑方向上的分布趨勢相同。各根主梁主應(yīng)力在跨中位置，有損傷的要大于無損傷的，其中，1號主梁在橋跨1/2處有損傷位置承受的拉應(yīng)力較大，而且有突變現(xiàn)象，較明顯，有此明顯現(xiàn)象主要是因行車控制荷載作用下在此處產(chǎn)生最大內(nèi)力、裂縫位置有應(yīng)力集中現(xiàn)象造成的。2)各根主梁主應(yīng)力在支座位置及1/4L跨之間，有損傷與無損傷的情況相比，有損傷主梁承受的主應(yīng)力與無損傷主梁位置承受的應(yīng)力相差不大，在1/4L位置，損傷橋應(yīng)力要小于未損傷橋應(yīng)力。

4.2 損傷后在控制荷載作用下各主梁跨中裂縫寬度及相應(yīng)撓度

4.2.1 損傷后在控制荷載作用下各主梁的跨中裂縫寬度

本次研究假設(shè)該橋材料為線彈性結(jié)構(gòu)計算，故裂縫寬度的數(shù)值也為線彈性材料在荷載作用下的裂縫寬度。經(jīng)過控制荷載的實際作用，通過midas.fea軟件實際分析得到各根主梁在行車荷載作用下的最大寬度，以供養(yǎng)護參考，數(shù)據(jù)整理如表1所示。

表1 各主梁跨中裂縫最大寬度 mm

結(jié)合《公路橋梁養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》［2］承重結(jié)構(gòu)在車載作用下跨中裂縫最大不允許超過0.5mm，可知在掛車控制載荷作用下，位于掛車車道附近的1號，2號，3號主梁均裂縫超限，說明主梁剛度將有所下降，4號，5號縫寬未超限。但因上述車載的布置只是為了得到該橋內(nèi)力的控制荷載而考慮，人為的將車道定于左幅。而實際行駛中掛車行駛在右幅，所以在控制荷載作用下，該橋各根主梁跨中裂縫均超限。即說明在損傷情況下，理論的控制荷載作用將對該橋裂縫破損有加劇破壞的趨勢。

4.2.2 損傷后在控制荷載作用下各主梁的跨中最大撓度

經(jīng)過控制荷載的實際作用，通過midas.fea軟件實際分析得到各根主梁在行車荷載作用下的最大撓度，以供養(yǎng)護參考，數(shù)據(jù)整理如表2所示。

表2 各主梁跨中最大撓度 cm

參照預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范，主梁的最大撓度不應(yīng)超過計算跨徑的L/600，可知1號，2號梁在跨中損傷時控制荷載作用下最大撓度將超過規(guī)范允許值，3號梁因處于行車道中間，在損傷后撓度未超過規(guī)范數(shù)值，同理，如掛車作用右車道位置，4號，5號梁跨中撓度也將超過規(guī)范允許數(shù)值。即說明只要在損傷情況下，理論的控制荷載作用將對該橋剛度有明顯影響，如果未加固的情況下，在超限荷載作用下對該橋的抗彎性能將會有更大的折損。

綜上分析，若橋梁因超載或其他原因發(fā)生如上損傷，即便是在理論的控制荷載作用下，對該橋的破壞也是十分明顯的。因此若從長遠(yuǎn)角度考慮，為使橋梁結(jié)構(gòu)不受損壞，設(shè)計部門一定要盡量提高橋梁的設(shè)計等級，此外路政部門加大超載車輛的控制、處罰力度，也是使橋梁不受損害的重要手段。

4.3 微彎板有縱向裂縫下的橫、豎向剪應(yīng)力研究

為了更好的研究微彎板有裂縫作用下的剪應(yīng)力分布，本次特意選取裂縫長度方向的端部、中部、尾部，不利車載作用的所有位置及無裂縫狀態(tài)下的位置查看應(yīng)力，將裂縫長度方向的橫向、豎向剪應(yīng)力數(shù)據(jù)提取整理，如圖5所示。

圖5 縱縫方向?qū)?yīng)的橫豎向剪應(yīng)力

經(jīng)研究數(shù)據(jù)得到如下規(guī)律:在縱向裂縫損傷情況下，沿裂縫長度范圍內(nèi)，靠近車后輪載荷的裂縫橫向剪應(yīng)力最大，相對車前輪載荷的裂縫橫向剪應(yīng)力相對略小，而裂縫的兩端部橫向剪應(yīng)力相等(不是最大)，基本呈波浪形式。豎向剪應(yīng)力明顯要大于同一位置的橫向剪應(yīng)力，距車載較遠(yuǎn)的端部出現(xiàn)最大負(fù)剪應(yīng)力，是對應(yīng)的橫向剪應(yīng)力的近40倍，其他位置相對降低，在接近裂縫長度1/3位置出現(xiàn)最大正剪應(yīng)力。

結(jié)合數(shù)據(jù)分析得到如下結(jié)論，在控制荷載作用下及微彎板有縱向裂縫情況下，產(chǎn)生的橫豎剪應(yīng)力因數(shù)值較小，對整個橋面不構(gòu)成加劇損傷破壞的影響。

5 結(jié)語

1)通過損傷與未損傷梁橋模擬分析，得出了兩種工況下各主梁沿跨徑方向的主應(yīng)力分布趨勢、損傷與未損傷位置主應(yīng)力誰大誰小的結(jié)論。

2)該橋在設(shè)計控制荷載不超限的情況下行駛，如跨中有損傷，跨中撓度、裂縫寬度均將超過規(guī)范允許范圍，有加劇破損的影響。

3)得出了橋面微彎板有縱向裂縫情況下的橫向、豎向剪應(yīng)力分布規(guī)律，通過計算數(shù)據(jù)證明在控制荷載作用下該剪應(yīng)力對其不構(gòu)成加劇損傷的影響。

［1］ JTG D260-2004，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范［S］.

［2］ JTG H11-2004，公路橋涵養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］ 張 鑫，江光炫.某反修橋加固設(shè)計加固原理［J］.山西建筑，2010，36(9):332-333.