某高速公路互通立交主線橋極限承載能力復(fù)核

2019-09-03 09:33:06劉政

四川建筑 2019年2期

劉政

(駐馬店市宇暢路橋養(yǎng)護(hù)工程有限公司，河南駐馬店 463000)

1 橋梁概況

某高速公路互通式立交主線橋上部結(jié)構(gòu)為2×(6×20) m+(23+35+23) m+2×(6×20) m等高混凝土連續(xù)梁+連續(xù)剛構(gòu)，下部橋墩為三柱式，橋臺(tái)為四柱式，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。全橋?yàn)?聯(lián)，橋面簡(jiǎn)易連續(xù)，于6號(hào)、12號(hào)、15號(hào)、21號(hào)墩及兩橋臺(tái)處設(shè)置HXC-80A型伸縮縫。13號(hào)、14號(hào)墩固結(jié)，橋臺(tái)及連接墩采用TCYBF4200-28型球冠圓板橡膠支座，其余各墩采用GPZ抗震盆式橡膠支座。橋梁2004年建成通車。

該互通立交主線橋第三聯(lián)為預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)形式，橋型較其它聯(lián)復(fù)雜，且結(jié)構(gòu)組合采用了預(yù)制、一次現(xiàn)澆、二次現(xiàn)澆等成橋方式，而且2008年橋梁檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)底板橫向裂縫較多，有些裂縫甚至發(fā)展至腹板頂，裂縫寬度0.1～0.15 mm。為全面了解橋梁的實(shí)際狀況和工作性能，對(duì)該互通式立交主線橋第三聯(lián)(23+35+23) m的連續(xù)剛構(gòu)(以下簡(jiǎn)稱橋梁)設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)核，判斷了橋梁的承載能力，提供該類現(xiàn)有橋梁的維護(hù)使用和加固改造工作借鑒。

1.1 計(jì)算方法

計(jì)算模型是實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)物的物理抽象，應(yīng)真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的幾何、物理特征,有限元分析模型見圖1。本報(bào)告在進(jìn)行有限元建模時(shí)考慮了以下情況。

圖1 MIDAS有限元計(jì)算模型

橋梁計(jì)算模型邊界條件約束模擬的準(zhǔn)確與否，對(duì)于有限元計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。本項(xiàng)目建立的橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，考慮了墩柱的彈性變形影響，將墩底固結(jié)；對(duì)于支座，在MIDAS/CIVIL 2006計(jì)算模型中，采用軟件中的節(jié)點(diǎn)間彈性連接、設(shè)置不同的剛度模擬支座彈性影響。

采用有限元方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算，按照該橋梁設(shè)計(jì)圖紙對(duì)橋梁進(jìn)行離散，建立橋梁結(jié)構(gòu)全橋空間有限元計(jì)算模型，進(jìn)行全橋整體結(jié)構(gòu)分析。

利用橋梁專用軟件MIDAS/CIVIL 2006建立橋梁空間梁?jiǎn)卧Ｐ停簡(jiǎn)卧孛娌捎肁utoCAD繪制，再導(dǎo)入MIDAS/CIVIL 2006的截面特性計(jì)算器(SPC)精確求得截面特性，然后按“數(shù)值”方法輸入程序，預(yù)應(yīng)力束采用預(yù)應(yīng)力荷載施加，支座采用彈性連接模擬，全橋模型共計(jì)70個(gè)節(jié)點(diǎn)，51個(gè)單元。

1.2 材料特性

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，該橋橋墩采用C40混凝土，其中12號(hào)和15號(hào)墩頂蓋梁采用C25混凝土，主梁采用C50混凝土。結(jié)構(gòu)分析模型中將鋼筋混凝土梁考慮為勻質(zhì)材料，其彈性模量由相應(yīng)的混凝土和鋼筋的容重?fù)Q算求得，具體等效方法如下：

Ne=Ns+Nc

σeAe=σsAs+σcAc

∵εe=εs=εc；Ac+As≈Ac

∴EeAe=EsAs+EcAc

整理以上各式得:

Ee= (EsAs+EcAc)/(As+Ac)

Ee=(EsAs+EcAc)/Ac=(As/Ac)×Es+Ec=ηAEs+Ec

式中：Ee為鋼筋混凝土的等效彈性模量；Ae為鋼筋混凝土的等效面積；Ec為混凝土的彈性模量；Ac為混凝土的面積；Es為鋼筋的彈性模量；As為鋼筋的面積；ηA為面積配筋率。

1.3 施工階段劃分

按圖紙給定的施工概略流程圖，共劃分5個(gè)施工階段。各階段的說明見表1。

表1 第三聯(lián)施工階段說明

1.4 計(jì)算工況

根據(jù)JTJ 021-89《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》和JTJ 023-85《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定，本報(bào)告計(jì)算工況為：工況1：恒載；工況2：恒載+汽超-20；工況3：恒載+汽超-20+混凝土收縮徐變+整體升溫；工況4：恒載+汽超-20+混凝土收縮徐變+整體降溫；工況5：恒載+掛車-120。以上分析工況除工況1外均按規(guī)范規(guī)定考慮分項(xiàng)系數(shù)、安全系數(shù)、條件系數(shù)。

2 橋梁空間結(jié)構(gòu)分析

有限元計(jì)算結(jié)果表明：橋梁正截面抗彎的最危險(xiǎn)截面有四處：(1)邊跨13號(hào)墩左側(cè)13 088 mm處截面，即邊跨最大正彎矩處；(2)中跨跨中截面，即中跨最大正彎矩處；(3)13號(hào)墩頂，即最大負(fù)彎矩處；(4)14號(hào)墩右側(cè)5 500 mm處，即變截面的小端。以上四截面在橋梁營運(yùn)過程中可能受到的最大彎矩詳見表2。

表2 橋梁抗彎的最危險(xiǎn)截面及該截面所承受的最大彎矩 kN·m

橋梁斜截面抗剪的最危險(xiǎn)截面有三處：(1)12號(hào)墩頂右側(cè)3 mm處，即最大正剪力處；(2)14號(hào)墩頂，即最大負(fù)剪力處；(3)左側(cè)5 500 mm處，變截面小端。以上三截面在橋梁營運(yùn)過程中可能承受的最大剪力詳見表3。

表3 橋梁抗剪的最危險(xiǎn)截面及該截面所承受的最大剪力 kN

3 截面承載能力驗(yàn)算

前面通過MIDAS/CIVIL 2006對(duì)橋梁進(jìn)行了空間結(jié)構(gòu)計(jì)算，得到了橋梁受力的最危險(xiǎn)截面，下面依據(jù)(JTJ 023-85)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)其進(jìn)行承載能力進(jìn)行驗(yàn)算。

承載能力是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件達(dá)到最大承載能力，或達(dá)到不適于繼續(xù)承載的變形的極限狀態(tài)。對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)件達(dá)到最大承載能力或不適于繼續(xù)承載的變形，它包括結(jié)構(gòu)件或連接因強(qiáng)度超過而破壞，結(jié)構(gòu)或其一部分作為剛體而失去平衡(傾覆或滑移)，在反復(fù)荷載下構(gòu)件或連接發(fā)生疲勞破壞等。當(dāng)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，應(yīng)認(rèn)為超過了承載能力極限狀態(tài):(1)整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分作為剛體失去平衡(如傾覆,滑移等);(2)結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接因超過材料強(qiáng)度而破壞(包括疲勞破壞)，或因過度的塑性變形而不適于繼續(xù)承載;(3)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系;(4)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件喪失穩(wěn)定(如壓屈等);(5)地基喪失承載能力而破壞(如失穩(wěn)等)。