系桿有效力對(duì)系桿拱橋的敏感性分析

彭世恩 曹火勇 郝天之

文章利用Midas有限元軟件對(duì)系桿拱橋進(jìn)行建模計(jì)算分析，針對(duì)系桿拱橋在系桿有效力分別損失5%、10%、15%、20%、30%的情況下，分析對(duì)拱橋結(jié)構(gòu)中拱、橋墩和基礎(chǔ)的受力影響，探討系桿有效力對(duì)系桿拱橋結(jié)構(gòu)受力敏感性，對(duì)系桿拱橋加固設(shè)計(jì)施工和養(yǎng)護(hù)有一定參考價(jià)值。

系桿拱橋;有效力;敏感性

U448.22+5-A-21-070-4

0?引言

人們?cè)缙诮ㄔO(shè)一些系桿拱橋時(shí)，對(duì)其存在的缺點(diǎn)認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致系桿在后期運(yùn)營(yíng)和養(yǎng)護(hù)加固過(guò)程中存在諸多尚未解決的難題[1]。如系桿有效力在營(yíng)運(yùn)過(guò)程中損失，系桿后期備用索張拉、系桿銹蝕斷裂及更換，系桿運(yùn)營(yíng)階段有效力評(píng)估等問(wèn)題[2]。主要問(wèn)題是系桿有效力或預(yù)應(yīng)力損失到什么程度會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)帶來(lái)安全隱患[3]，系桿有效力損失后表現(xiàn)出什么形式時(shí)應(yīng)對(duì)系桿進(jìn)行補(bǔ)充或更換。

前期設(shè)計(jì)的系桿拱橋，系桿保護(hù)方式主要為系桿與保護(hù)鋼箱置于橋面板上，箱內(nèi)填塞瀝青麻絮和黃油，外部再包以混凝土成為永久防護(hù)。此種保護(hù)方式在后期營(yíng)運(yùn)一段時(shí)間后普遍存在密封不嚴(yán)、極易遭受周?chē)h(huán)境腐蝕和系桿有效力松弛等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)系桿會(huì)出現(xiàn)銹蝕、斷裂等情況，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)系桿有效力大小和系桿的病害情況的檢測(cè)存在較大難度。本文通過(guò)對(duì)系桿有效力損失值做計(jì)算分析和比較，分析拱橋結(jié)構(gòu)對(duì)其系桿有效力的敏感性，找出系桿有效力變化對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)受力的影響。從橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力和位移變化推導(dǎo)出系桿有效力的損失情況，以確定是否需要對(duì)其系桿有效力做補(bǔ)強(qiáng)。

1?工程背景

該橋?yàn)橹骺诪?～150 m鋼管混凝土下承式系桿拱，引橋?yàn)?～25 m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板，橋梁全長(zhǎng)366 m。設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)：汽—20，掛—100，人群荷載：3.5 kN/m2。由于長(zhǎng)期河對(duì)岸煤礦超限超載車(chē)輛較多和營(yíng)運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)，橋梁出現(xiàn)了一定程度的損傷，需對(duì)其維修加固，包括對(duì)系桿有效力的補(bǔ)強(qiáng)。

該橋系桿有效力損失包括系桿自身的松弛和鋼絞線的銹蝕損傷。鋼絞線銹蝕的主要原因?yàn)榉冷P體系密封性較差，保護(hù)混凝土箱內(nèi)有積水，導(dǎo)致拱橋系桿局部完全裸露于大氣中，系桿與水汽和大氣接觸發(fā)生嚴(yán)重銹蝕，局部存在鋼絞線斷裂等情況。

針對(duì)系桿有效力損失情況，現(xiàn)階段還沒(méi)有精確的方式進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估。故采用建模分析計(jì)算來(lái)確定橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力和系桿有效力大小的關(guān)系，從橋梁外觀表現(xiàn)出的變形和內(nèi)力變化推導(dǎo)出系桿實(shí)際有效力值。

2?結(jié)構(gòu)建模計(jì)算分析

本次計(jì)算采用成熟的有限元分析軟件Midas Civil做建模計(jì)算，其中單元1#～540#為主拱上下弦桿，單元541#～1040#為主拱斜桿和豎桿，單元1041#～1162#為主拱橫撐，單元1163#～1200#為吊桿，單元1700#～1755#為橋墩樁基，其余單位為系桿和橋面板。橋梁的有限元模型見(jiàn)圖1。

原橋系桿每肋采用124股15.24 mm高強(qiáng)鋼絞線，兩端用YM15-31群錨錨具錨固，橋梁系桿有效力損失程度未知。經(jīng)檢測(cè)單位打開(kāi)系桿箱后發(fā)現(xiàn)黃油流失嚴(yán)重，系桿鋼絞線存在銹蝕和斷裂情況，建議增加系桿有效力。為了解其橋梁系桿有效力的損失程度，通過(guò)建模分析推斷系桿有效力損失對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件受力和變形的敏感性。經(jīng)橋梁長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)系桿有效力損失程度假定分別為5%、10%、15%、20%、30%，計(jì)算該拱橋主拱特征截面內(nèi)力值、主拱位移、邊跨橋墩和橋墩樁基礎(chǔ)內(nèi)力、位移值等。

經(jīng)計(jì)算，該系桿拱橋成橋時(shí)系桿有效力為23 920 kN，此狀態(tài)下各項(xiàng)結(jié)構(gòu)指標(biāo)均趨于合理。當(dāng)系桿有效力損失率分別在5%、10%、15%、20%、30%情況下與最初狀態(tài)比較，主拱選擇特征斷面為拱腳、1/4拱跨和拱頂?shù)墓?jié)點(diǎn)和單元，橋墩和樁基選擇頂部、中部、底部三個(gè)特征節(jié)點(diǎn)和單元，分析數(shù)據(jù)為位移、內(nèi)力和應(yīng)力變化值。

3?結(jié)構(gòu)對(duì)系桿有效力的敏感性

（1）系桿有效力對(duì)位移的影響

主拱豎向撓度影響較為明顯位置在主拱上下弦各控制點(diǎn)，相對(duì)結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)在系桿有效力損失時(shí)均產(chǎn)生下?lián)?，拱頂位置下?lián)现底畲?，下?lián)现岛拖禇U力損失值基本呈線性變化趨勢(shì)。具體結(jié)果見(jiàn)圖2。

系桿有效力變化和拱上控制點(diǎn)、橋墩和樁基的控制點(diǎn)的水平位移變化值呈現(xiàn)出無(wú)規(guī)律性，如圖3所示。在橋墩和樁基控制節(jié)點(diǎn)處系桿有效力對(duì)其影響明顯，主要是系桿有效力能有效制約了橋墩和樁基變形。

（2）系桿有效力對(duì)內(nèi)力的影響

系桿拱橋拱上各控制截面上下弦單元桿件內(nèi)力變化見(jiàn)圖4，系桿有效力的損失引起的主拱上下弦桿件軸力變化較為明顯，同時(shí)變化幅度和系桿有效力損失基本呈線性關(guān)系。

系桿拱橋拱上各控制豎桿和斜桿的單元桿件在系桿有效力損失變化中，當(dāng)系桿有效力變化在15%以內(nèi)時(shí)，基本不受影響。系桿有效力變化進(jìn)一步加大時(shí)，在1/4拱跨位置的豎斜桿單元軸力值呈現(xiàn)急劇變化，但其余各控制截面的單位桿件相對(duì)影響較小。豎桿和斜桿內(nèi)力變化規(guī)律詳見(jiàn)下頁(yè)圖5。

系桿有效力變化對(duì)豎直橋墩豎向軸力不會(huì)產(chǎn)生影響，而對(duì)群樁基礎(chǔ)的樁基軸力在橋的內(nèi)外側(cè)影響較大。從圖6可以得知，群樁的樁基礎(chǔ)呈現(xiàn)線性變化關(guān)系，由于系桿有效力的減少，橋墩呈向外側(cè)傾斜的趨勢(shì)，導(dǎo)致橋內(nèi)側(cè)樁基軸向力減小，橋外側(cè)樁基軸向力增加。增加趨勢(shì)呈現(xiàn)線性變化，每增加5%的系桿有效力時(shí)，樁基軸力變化幅度在2 000 kN左右。

系桿力變化過(guò)程中，對(duì)拱上下弦桿和豎斜桿內(nèi)力彎矩值基本無(wú)影響。這主要是由于主拱承受拱軸力為主，而彎矩影響較小。從數(shù)據(jù)來(lái)看，基本內(nèi)力變化呈現(xiàn)出線性關(guān)系，表現(xiàn)形式見(jiàn)圖7、圖8。

系桿有效力變化對(duì)橋墩內(nèi)力影響較大，在20%范圍內(nèi)變化時(shí)，基本呈線性變化，即系桿有效力變化幅度為5%時(shí)，影響最大處的橋墩底部變化幅度為5 000 kN·m。但是當(dāng)系桿力變化達(dá)到30%時(shí)，橋墩底部的變化達(dá)到了60 000 kN·m，此時(shí)橋墩承載能力已經(jīng)出現(xiàn)降低，接近于破壞狀態(tài)（見(jiàn)圖9）。

（3）系桿有效力對(duì)應(yīng)力的影響

主拱上下弦在系桿有效力變化過(guò)程中，對(duì)于主拱應(yīng)力影響變化幅度較小，隨系桿有效力變化而應(yīng)力隨之增加，變化最大的拱腳下弦處在系桿有效力20%變化幅度內(nèi)，下弦應(yīng)力的變化基本呈線性，即系桿有效力損失變化幅度為5%時(shí)，應(yīng)力值的變化為1 MPa。其余各特征位置也呈現(xiàn)相應(yīng)變化，系桿有效力變化幅度達(dá)到30%時(shí)，除在拱腳位置的下弦影響很大外[4]，其余部分呈線性變化的情況（如圖10所示）。

拱豎斜桿應(yīng)力隨系桿有效力變化影響大，但變化幅度呈現(xiàn)無(wú)規(guī)則性，變化最大幅度出現(xiàn)在拱頂豎桿，如圖11所示。

系桿有效力變化對(duì)拱橋群樁基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)樁基底應(yīng)力影響大，在20%系桿有效力變化中應(yīng)力呈線性變化，而系桿有效力變化5%時(shí)橋內(nèi)側(cè)樁基應(yīng)力變化幅度為2 MPa（如圖12所示）。

通過(guò)對(duì)系桿力變化對(duì)結(jié)構(gòu)的敏感性分析，建立模型數(shù)值計(jì)算，基本判斷該橋的系桿損失為15%左右，對(duì)該橋的承載能力有很大削弱，后續(xù)對(duì)該橋做了封閉交通后增補(bǔ)系桿有效力的維修加固處治。

4?結(jié)語(yǔ)

對(duì)于早期修建的系桿拱橋，由于系桿箱內(nèi)病害發(fā)生，將導(dǎo)致其系桿有效力出現(xiàn)降低的情況。本文以跨度為150 m下承式系桿拱橋?yàn)榛A(chǔ)，通過(guò)有限元軟件計(jì)算建模，針對(duì)系桿拱橋在系桿有效力分別損失5%、10%、15%、20%、30%的情況下，對(duì)拱橋結(jié)構(gòu)中拱、橋墩和基礎(chǔ)的受力影響進(jìn)行敏感性分析，得出了以下結(jié)論：

（1）對(duì)主拱上下弦各控制點(diǎn)豎向撓度影響較為明顯，拱頂位置下?lián)献畲螅境尸F(xiàn)線性變化趨勢(shì)，但主拱、橋墩和樁基控制點(diǎn)水平位移呈非線性變化，所以系桿有效力損失表現(xiàn)在下?lián)系那闆r可作為一個(gè)重要指標(biāo)判斷。

（2）上下弦桿件軸力變化較為明顯，變化幅度呈線性變化。對(duì)群樁基礎(chǔ)的樁基軸力橋的內(nèi)外側(cè)影響較大，群樁的樁基礎(chǔ)、橋墩內(nèi)力影響呈現(xiàn)線性變化。橋墩有向外側(cè)傾斜的趨勢(shì)，導(dǎo)致橋內(nèi)側(cè)樁基軸向力減小，橋外側(cè)樁基軸向力增加。由于主拱主要以承受拱軸力為主，對(duì)主拱上下弦桿和豎斜桿內(nèi)力彎矩值基本無(wú)影響，對(duì)系桿主拱各控制截面豎桿和斜桿的單元桿件影響很小。豎直橋墩豎向軸力基本不會(huì)產(chǎn)生影響，拱橋群樁基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)樁基底應(yīng)力受系桿有效力變化影響幅度較大。

（3）隨著系桿有效力的變化，橋梁局部構(gòu)件受力受到影響且呈線性變化趨勢(shì)，所以可從橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形、變位情況推導(dǎo)系桿有效力變化范圍，確定系桿有效力的損失情況，判斷對(duì)系桿有效力是否應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)[5]，為后期增加系桿有效力和結(jié)構(gòu)加固施工、養(yǎng)護(hù)提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳寶春.鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工[M].北京：人民交通出版社，1999.

[2]康孝先，胡?江，彭世恩，等.大跨徑飛燕式系桿拱橋系桿更換關(guān)鍵技術(shù)研究[J].預(yù)應(yīng)力技術(shù)，2017（6）：15-21.

[3]郝天之，張玉新，李世深.連續(xù)PC剛構(gòu)橋下?lián)献冃蚊舾幸蛩胤治鯷J].西部交通科技，2009（12）：71-74.

[4]張?明，汪?宏，耿?波.中承式鋼管混凝土系桿拱橋拱腳應(yīng)力分析[J].西部交通科技，2012（4）：27-32.

[5]毛?錚.某剛性吊桿系桿拱橋病害分析及加固對(duì)策研究[J].西部交通科技，2018（6）：122-126.