橋墩變位對預應力混凝土剛構連續(xù)T梁橋受力性能的影響分析

（陽光學院，福州 350015）

橋墩變位對預應力混凝土剛構連續(xù)T梁橋受力性能的影響分析

■李嘉維

（陽光學院，福州 350015）

結合環(huán)境振動測試和精細有限元模型，對一座橋墩變位的3×40m預應力混凝土剛構連續(xù)T梁橋的受力性能進行了分析。首先，介紹了該橋概況以及由于施工導致的橋墩變位情況。其次，在環(huán)境振動測試的基礎上，建立能反映當前狀況的基準有限元模型。最后，對該橋的正常使用性能進行了評估，并分析了橋墩偏位發(fā)展對橋梁受力性能的影響。結果表明，當前狀態(tài)下橋梁能夠滿足正常使用性能，但當扭轉偏位達到0.2°時，將引起主梁開裂。

剛構連續(xù)梁橋 環(huán)境振動測試 扭轉偏位 正常使用性能 開裂

1 工程背景

紅毛里I號分離式大橋為國家高速公路沈海線 (閩)羅寧高速公路K166改線工程，紅毛里I號分離式大橋全長1057m，橋面寬度：凈11.0m+2×0.5m防撞欄。該橋上部結構采用3×40m預應力混凝土T梁結構，每跨橋由5片T梁組成，主梁和橋墩固結。13號橋墩為2.2×6.5m矩形實心橋墩，平均墩高分別為42.939m，采用C40混凝土；14號橋墩為雙柱式圓形實心橋墩，平均墩高為28.316m，采用C30混凝土。該橋于2008年5月建成通車。圖1為紅毛里I號分離式大橋實景圖，圖2為14跨所在聯(lián)橋梁總體布置圖。

圖1 紅毛里I號分離式大橋實景圖

由于該橋施工時變更較多，梁體及下部結構存在不同程度的缺陷，橋墩變位便是其中之一。為了跟蹤測量紅毛里I橋14號墩偏位，在墩頂、墩底設置觀測點，實測結果見圖3?？梢钥闯?，14號墩1號測點最大水平位移達到0.132m，線傾斜度達到0.91%，已經(jīng)超過規(guī)范容許墩偏位范圍[1]。

圖2 第14跨所在聯(lián)總體布置圖

圖3 紅毛里I橋14號墩偏位示意圖

2 基于環(huán)境振動測試的基準有限元模型

2.1 環(huán)境振動測試和模態(tài)參數(shù)識別

橋梁振動的加速度信號由傳感器拾振，由采集儀采集大量的加速度信號。三個測試跨三個方向各有四個測站。采樣頻率500Hz，濾波300Hz。測試所得的數(shù)據(jù)用隨機子空間 (SSI)方法進行處理[2-3]，共得到豎向前4階，橫向前2階和縱向1階的頻率和振型。其中用MAC表示的實測動力特性和計算動力特性的相關程度。

式中， φa與φe分別代表計算與實測模態(tài)振型向量。

2.2 基準有限元模型

按結構的實際尺寸并考慮由于施工原因導致的橋墩偏位建立有限元模型 (橋墩偏位以實際測量結果為準)。全橋有限元模型共有單元20245個，節(jié)點31224個，如圖4和圖5。在有限元模型中，14號墩橋墩墩身及橫撐采用Beam4單元，其余均采用Solid45單元模擬，用Combin14單元模擬橋兩端支座[4]。

通過文獻［5］的方法進行有限元模型修正，得到基本材料參數(shù)如下： (1)T梁、橫隔板、現(xiàn)澆混凝土C55混凝土：彈性模量 E=4.4×104MPa，容重Dens= 24.5kN/m3，密度為2.55×103kg/m3，泊松比0.167； (2)承臺 C30混凝土：彈性模量E=3.6×104MPa，容重Dens=24.5kN/m3，密度為2.55×103kg/m3，泊松比0.167；(3)橋面板、橋墩墩身C40混凝土彈性模量E=4.0×104MPa，容重Dens=24.5kN/m3，密度為2.55×103kg/m3，泊松比0.167。根據(jù)實際位置施加約束，對主橋橋墩承臺底面節(jié)點固結，模擬實際的固結狀況；在橋梁兩端截面的節(jié)點豎向固結同時添加縱向和橫向彈簧約束，縱向彈簧剛度取2.2×106N/m，橫向彈簧剛度取8×108N/m，；橋面伸縮縫通過采用縱向，橫向彈簧單元模擬，縱向彈簧剛度取3×104N/m，橫向彈簧剛度取1×104N/m。

圖4 有限元模型空間圖

圖5 有限元模型平面圖

通過環(huán)境振動試驗和實驗模態(tài)分析，得到紅毛里I號大橋豎向4階、橫向2階及縱向1階的頻率和振型，有限元計算的頻率和MAC值也列于表1。可以看出，實測和計算頻率吻合較好，誤差基本在5%以內，實測和計算的振型也吻合良好，MAC值基本在90%以上。

表1 實測與計算動力特性比較

3 正常使用性能評估

利用基準有限元模型，計算紅毛里I號大橋在靜力荷載作用下各控制截面的應力及結構變形，從而確定橋梁結構實際工作狀態(tài)與設計期望值是否相符。

3.1 撓度驗算

紅毛里I號大橋邊跨主梁跨中在各個工況荷載作用下最大撓度值為10.76mm，中跨跨中主梁在各個工況荷載作用下，最大撓度值為5.60mm，考慮長期作用的影響，仍遠小于規(guī)范容許值L/600(66.7mm)，說明橋梁的整體剛度滿足要求[6-7]。

3.2 應變驗算

在汽車荷載作用下，14號墩墩頂截面最大的計算拉應變發(fā)生在為48με，表明負彎矩作用下墩頂截面不會產生開裂。在正彎矩作用下，邊跨跨中截面最大計算應變145με，中跨跨中截面計算應變?yōu)?05με。由于該橋為預應力混凝土梁橋，梁體內部有一定的壓應力儲備，因此，在預應力和汽車荷載共同作用下的應變不會超過C55混凝土的極限拉應變，橋梁強度滿足要求[6-7]。

綜合計算得出，在施工引起的橋墩偏位情況下，該橋仍然可以滿足梁的正常使用功能。

4 橋墩扭轉偏位對主梁受力影響分析

由于Solid45實體單元節(jié)點沒有扭轉自由度，14號橋墩扭轉偏位通過橋墩與梁連接的支座彈簧節(jié)點，以及墩身相應節(jié)點縱向偏轉相應位移來模擬。

以墩頂截面和中跨跨中截面為例，分析最大拉應變隨14號墩扭轉偏位的變化，如圖6所示?？梢钥闯?，14號墩發(fā)生扭轉偏位，在自重及設計車道荷載組合作用下，墩頂負彎矩截面和跨中正彎矩截面應變會發(fā)生較為明顯的變化。14號墩扭轉偏位每增大0.05°，應變大約增大100%。在14號墩扭轉偏位達到0.2°時，墩頂負彎矩截面最大拉應變達到650με，中跨跨中正彎矩截面最大拉應變達到818με。

圖6 最大拉應變隨14號墩扭轉偏位的變化

(1)墩頂截面抗裂驗算

計算得到預應力產生的壓應力為5.1MPa，得到墩頂截面可抵抗最大拉應變?yōu)?3.7με，梁端墩頂截面梁頂最大拉應變達到650με，說明墩頂主梁截面會出現(xiàn)拉應力，拉應變大小為606.3με，超過C55混凝土極限抗拉應變77.2με，因此T梁梁頂開裂[7-8]。

(2)跨中截面抗裂驗算

計算得到預應力產生的壓應力為24.9MPa，計算得到跨中截面可抵抗最大拉應變?yōu)?01.4με，中跨跨中截面梁底最大應變達到818με，說明中跨跨中截面會出現(xiàn)拉應力，扣除預應力效應后拉應變大小為116.6με，已超過C55混凝土極限抗拉應變77.2με，說明T梁跨中梁底將會開裂[7-8]。

5 結論

(1)由于施工原因，一座3×40m的剛構-連續(xù)梁橋的橋發(fā)生偏位，測量結果表明，最大水平位移達到0.132m，垂線傾斜度達到0.91%，超過規(guī)范容許墩偏位范圍。

(2)通過環(huán)境振動測試識別出了橋梁基本動力特性，共得到該豎向前4階，橫向前2階和縱向1階模態(tài)特性。其中，豎向基頻為 3.135Hz，橫向基頻為1.507Hz，縱向基頻為0.696Hz，一階模態(tài)阻尼比豎向為3.9%，橫向為4.0%，縱向為5.3%，介于一般橋梁結構臨界阻尼比1.0%~10.0%之間，屬于正常范圍。

(3)以施工已經(jīng)造成的扭轉偏位為基準建立有限元模型，并利用環(huán)境振動測試結果對橋梁有限元模型進行修正。橋梁理論模態(tài)與實驗模態(tài)比較吻合，表明所采用的計算參數(shù)和邊界條件是基本正確的，修正后的有限元模型能夠基本反映橋梁當前的真實狀態(tài)。

(4)根據(jù)基準有限元模型進行了橋梁的正常使用狀態(tài)分析，表明該橋滿足正常使用性能。但是如果扭轉進一步發(fā)展，則對結構整體受力極為不利。當14號墩扭轉偏位達到0.2°時，在自重及設計車道荷載組合作用下，墩頂截面以及中跨跨中截面應變均超過規(guī)范要求抗裂限值，說明邊跨及中跨跨中截面T梁梁底將會開裂。因此，需要對該橋的扭轉偏位進行定期觀察，掌握其發(fā)展趨勢，確保橋梁安全

［1］JTGF80／1—2004，公路工程質量檢驗評定標準［S］.

［2］De Roeck G，Peeter B. MACEC2.0-Modal Analysis on Civil Engineering Constructions.Belgium: Department of Civil Engineering ［D］.Catholic University of Leuven，1999.

［3］任偉新.環(huán)境振動系統(tǒng)識別方法的比較分析［J］.福州大學學報(自然科學版),2001.12,29(6):80-86.

［4］王新敏，李義強，許宏偉.ANSYS結構分析單元與 應用［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［5］魏錦輝,任偉新.基于響應面方法的橋梁靜動力有限元模型修正［J］.公路交通科技,2015,32(002):68-73.

［6］JTGD60-2004，公路橋涵設計通用規(guī)范［S］.

［7］JTGD62-2004，公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范［S］.

［8］JTG/TJ21-2011.公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程［S］.

福建省教育廳科技項目 (JA12041)和福建省重點交通科技項目