預應力砼桁架T構橋梁剪力鉸及拉壓支座病理分析

劉海彎，李龍輝，謝 巍，陳 科

(長安大學公路學院，陜西西安710064)

洪塘大橋主跨為120 m預應力砼斜拉桁架T型結構，這是一種較為特殊的橋梁結構形式，綜合斜拉、桁架及T形剛構三種結構的受力特點［1－3］。兩個三角桁架中間經剪力鉸連接，主橋和引橋經拉壓支座連接，橋梁主墩是V型墩，基礎為鉆孔樁基礎。對該橋檢測發(fā)現(xiàn)，剪力鉸處發(fā)生錯臺，跳車現(xiàn)象嚴重，同時荷載反復作用下，拉壓支座也常破壞，造成桁架橫向剛度不足，桁架空間變位較大。本文采用大型有限元軟件Midas/civil2012對該橋進行了模擬分析(見圖1)。

圖1 洪塘大橋有限元模型

1 病害機理分析

在兩個桁架之間設置剪力鉸，減小了預應力砼斜拉桁架T構的超靜定次數(shù)和跨中彎矩，但增加了墩梁固結處的彎矩和推力，使行車性能差，汽車通過時剪力鉸兩側受不對稱荷載，引起剪力鉸錯臺，造成跳車，剪力鉸受到較大的沖擊力，在反復荷載作用下，易發(fā)生破壞。

拉壓支座既承受拉力又承受壓力［4］，但該橋修建于20世紀90年代，拉壓支座的設計承載力滿足汽－20荷載，對現(xiàn)在交通量增加、超載嚴重的現(xiàn)象已不能滿足。在橋梁運營20多年中，拉壓支座已更換了兩次，以提高拉壓支座處的承載能力。

剪力鉸和拉壓支座作為該橋當中的兩個特殊構件，經常發(fā)生不同程度的破壞，因此分析可能引起這兩種構件損傷的因素是很有必要的。經過綜合對比分析，選取預應力損失、剛度折損、基礎沉降及活載四種主要因素對兩種構件的敏感性進行分析。

1.1 單因素分析［5］

1.1.1 預應力損失對剪力鉸和拉壓支座影響

該橋的斜拉桁架是預應力混凝土結構，設計過程中預應力損失估計過低、過高都將影響橋梁結構使用，預應力損失過大，有效預應力降低，使結構剛度和承載力降低，撓度增大。而剪力鉸和拉壓支座受力復雜，容易出現(xiàn)病害，故研究預應力損失對這些部位的影響十分重要。

由圖2分析可知:剪力鉸Z向撓度，拉壓支座反力對預應力損失較敏感。預應力損失對橋梁下?lián)嫌绊戯@著，隨預應力損失增大，恒載與預應力效應差值增大，跨徑越大，下?lián)显矫黠@，剪力鉸部位的Z向撓度就會越大。拉壓支座處反力主要由恒載與預應力控制，預應力損失增大，恒載大于預應力效應，預應力使拉壓支座受拉，恒載使其受壓，隨預應力損失增加，拉壓支座處拉力減小。當預應力損失40%，拉壓支座的反力超過其設計承載能力值，支座發(fā)生破壞。

1.1.2 構件損傷對剪力鉸和拉壓支座的影響

混凝土構件受各種因素的影響易出現(xiàn)開裂、剝落、碳化、鋼筋銹蝕等現(xiàn)象，使結構剛度和承載力降低，變形增大，降低橋梁的使用性能，對剪力鉸和拉壓支座也會產生不同程度的影響。本文通過折減混凝土彈性模量來模擬構件的剛度損失。由圖3可知，剪力鉸Z向位移對剛度損失最敏感，隨剛度損失增加，跨中剪力鉸位置出現(xiàn)上撓現(xiàn)象。

圖2 預應力損失敏感性分析

圖3 剛度損失敏感性分析

1.1.3 基礎沉降對剪力鉸和拉壓支座的影響

預應力砼桁架T構是超靜定結構，當基礎發(fā)生整體沉降或不均勻沉降時，結構產生附加內力，引起橋梁上部結構變形，梁體開裂，甚至導致破壞。

由圖4看出，基礎整體沉降對預應力混凝土桁架T構橋拉壓支座反力和剪力鉸Z方向位移和剪力敏感，對拉壓支座X方向位移不敏感，即過大的基礎沉降將使這兩種構件發(fā)生破壞。

由圖5、圖6發(fā)現(xiàn):橋墩繞X軸轉動，拉壓支座X軸方向位移變化較小，但剪力鉸處位移變化較大，最大下?lián)?9.2 mm，其剪力變化也較大，最大為495.8 kN，已超出剪力鉸設計值;橋墩繞Y軸負方向轉動，拉壓支座X軸方向位移變化較大，梁的長度增加，可能造成伸縮縫抵死，拉壓支座反力變化較大，最大達到1 298.2 kN，已超出拉壓支座設計值，拉壓支座破壞，剪力鉸處位移變化較小。

1.1.4 活載對剪力鉸和拉壓支座的影響

洪塘大橋的設計依據(jù)是85規(guī)范，現(xiàn)橋梁設計采用04規(guī)范，04規(guī)范與85規(guī)范對比，04規(guī)范中公路－Ⅱ級與85規(guī)范中汽車－20級荷載的效應基本相當，而04規(guī)范中公路－Ⅰ級荷載比85規(guī)范汽車－超20級荷載效應平均提高約6% ～8%。公路－Ⅱ級車道荷載是公路－Ⅰ級的0.75倍。由于該橋修建時間早，荷載等級不高，現(xiàn)交通量增加，超載嚴重，使橋梁撓度增大，混凝土開裂、鋼筋銹蝕，剛度降低，因此對超載進行分析顯得十分必要。

圖4 墩結構整體沉降

圖5 墩繞X軸轉動

由圖7可知，汽車超載40%時相當于荷載等級提高到汽車－超20。同時超載對拉壓支座的反力影響較大，對剪力鉸影響較小。但剪力鉸錯臺時，車輛在錯臺處跳車，超載將進一步加大錯臺，故超載對拉壓支座和剪力鉸都有較大影響。

圖6 墩繞Y軸負方向轉動

圖7 汽車超載敏感性分析

1.2 多因素病害成因分析

經上述分析:引起剪力鉸錯臺主要因素有預應力損失、混凝土剛度降低和基礎變位(整體沉降、繞X軸轉動和繞Y軸轉動)，導致拉壓支座拉壞可能因素有混凝土剛度降低、墩繞X軸轉動和超載。若將這些因素進行排列組合計算，計算量較大，通過數(shù)理統(tǒng)計法用正交表計算會大大減小計算量。

1.2.1 剪力鉸處剪力正交試驗設計［2］

將影響剪力鉸錯臺因子進行正交試驗設計，因子有5個，設計正交表，因變量為剪力鉸剪力，其水平的確定通過大量計算得出。

表1 剪力鉸錯臺水平因素表

將上述5個變量因子每次分別單獨變化一個水平，與其他因子的水平組合成16個實驗組進行計算，16組實驗組合情況不予具體闡述。

利用SPSS軟件對正交試驗的數(shù)據(jù)進行處理，分析對比這些因素對剪力鉸錯臺水平的影響程度的大小。在SPSS中首次計算時取誤差為0，計算結果無統(tǒng)計量和顯著水平，將極差最小的預應力損失百分比作為誤差估計，重新計算(見表2)得到:預應力損失百分比P=0.058，在顯著水平α=0.05上無統(tǒng)計意義，但在顯著水平α=0.1上有統(tǒng)計意義。同理，基礎整體沉降量、橋墩繞X軸方向轉動角度、橋墩繞Y軸負方向轉動角度在顯著水平α=0.05上有統(tǒng)計意義，對實驗結果影響顯著。

表2 第二次主體間效應的檢驗

通過SPSS計算得到，對剪力鉸影響程度的大小為:混凝土剛度損失百分比＞基礎整體沉降量＞橋墩繞X軸方向轉動角度＞預應力損失百分比橋墩＞繞Y軸負方向轉動角度。每個因素的最佳水平是基礎整體沉降量3 cm，橋墩繞X軸方向轉動0.2度，橋墩繞Y軸負方向轉動0.05度，混凝土剛度損失15%，剪力值為576.1 kN，超過其抗剪設計值500 kN。

1.2.2 拉壓支座反力正交試驗設計［2］

根據(jù)以上單因素敏感性分析得知造成拉壓支座破壞的因素有3個，選擇正交表，進行正交試驗，其中水平確定是通過大量計算得出。

表3 拉壓支座破壞水平因素表

將上述3種影響因子每次只選一個因子改變一個水平，與其他因子水平組合成影響效應較大的9組水平，計算拉壓支座處的反力值。

選取支座處反力值時選擇1#桁架上游側數(shù)據(jù)，在SPSS中首次計算取誤差為0，計算結果無統(tǒng)計量和顯著水平，將極差最小的預應力損失百分比作為誤差估計，重新計算(見表4)得到:混凝土剛度損失百分比，橋墩繞Y軸負方向轉動角度均在顯著水平α=0.05上有統(tǒng)計意義，對實驗結果均影響顯著。

通過SPSS計算得到，對拉壓支座反力影響大小為:橋墩繞Y軸負方向轉動角度＞混凝土剛度損失百分比。每個因素的最佳水平是橋墩繞Y軸方向轉動0.2度，混凝土剛度損失15%，拉壓支座最大反力為－1 065.2 kN，超過其抗拉設計值400 kN。

2 小結

本文對可能導致預應力混凝土斜拉桁架T構病害的因素歸納，經單因素和正交實驗設計分析預應力損失、構件損傷、基礎不均勻沉降和活載對混凝土桁架T構橋病害的影響，最后經過極差分析得出各主要病害影響因素排序和最佳水平組合。

表4 第二次主體間效應的檢驗

預應力砼斜拉桁架T構的剪力鉸和拉壓支座對于結構的受力十分重要。剪力鉸的設置減小了結構的超靜定次數(shù)，使得結構受力更合理，但因其容易發(fā)生病害造成跳車，影響行車舒適性。拉壓支座在各荷載作用下，容易發(fā)生破壞，使得結構內力重分布，影響結構安全。因此，設計時應特別注意剪力鉸和拉壓支座的優(yōu)化。

［1］ 漆光榮，林增官，于堅.預應力混凝土斜拉式桁架T構橋介紹［J］.公路，1992(1):18－24.

［2］ 正交試驗設計［EB/OL］.［2012－4－27］.http://wiki.mbalib.com/wiki/正交試驗設計.

［3］ 邱峰.預應力混凝土斜拉桁架橋結構分析與設計研究［D］.武漢:華中科技大學，2006.

［4］ 馮東瀛，馮克敏.球型拉壓測力支座研究設計［C］//第八屆全國結構工程學術會議論文集，1999:244－249.

［5］ 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范:JTG－D62－2004［S］.北京:北京人民交通出版社，2004.