梁體損傷對橋梁結(jié)構(gòu)受力性能影響分析

朱 麗

(朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司原平分公司 山西原平 034100)

鐵路橋梁跨越公路線路是重要的立體交通形式，由于公路通行車輛超高、超速，車輛撞擊橋梁梁體現(xiàn)象時有發(fā)生。汽車撞擊將導(dǎo)致梁體出現(xiàn)混凝土剝落、橫隔板斷裂、鋼筋或鋼絞線斷裂等嚴(yán)重病害，對橋梁結(jié)構(gòu)安全運(yùn)營產(chǎn)生一定影響，本文以某座受到車輛撞擊梁體混凝土剝落、鋼絞線斷裂橋梁為研究對象，對比橋梁完整狀態(tài)與存在損傷狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力計(jì)算結(jié)果以及現(xiàn)場靜動態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，分析梁體損傷對橋梁結(jié)構(gòu)靜動力性能影響程度，為今后類似情況下應(yīng)急處置及維修加固提供技術(shù)依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 研究背景

某鐵路橋梁，上跨高速公路，橋梁上部結(jié)構(gòu)為單線32m普通高度預(yù)應(yīng)力混凝土梁（主梁圖號為：專橋2059），主梁梁高2.56m，兩片T梁通過橫隔板連接，整孔共布置9道橫隔板，橫隔板間距4.0m。主梁采用500號混凝土，主梁共有13束鋼筋束，每束由5根預(yù)應(yīng)力鋼絞線組成，預(yù)應(yīng)力鋼絞線為7Φ5鋼絲組成。由于橋下通行車輛超高，撞擊梁體，造成梁體在距小里程梁端5.4m位置處混凝土破損、鋼筋外露，混凝土破損深度達(dá) 20mm。梁體底板鋼束中有 1束存在外露斷裂現(xiàn)象。梁體損傷位置如圖 1所示，梁體損傷情況如圖2所示。

2 梁體損傷對橋梁結(jié)構(gòu)承載能力影響分析

為了分析橋梁損傷對結(jié)構(gòu)承載能力的影響程度，分別檢算梁體完好狀態(tài)和存在損傷狀態(tài)下，橋梁結(jié)構(gòu)的抗彎承載能力和抗剪承載能力，抗彎承載力檢算截面包括：損傷位置處截面（距梁端5.4m位置處截面）、L/4截面處和跨中截面處，抗剪承載力檢算主要截面包括：距支座h/2處截面和損傷位置處截面（距梁端5.4m位置處截面）。對比分析橋梁處于不同狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)各截面的承載能力情況，分析梁體損傷對橋梁結(jié)構(gòu)承載能力造成的不利影響。

圖1 梁體損傷位置圖（單位：cm）

圖2 梁體損傷圖

圖3 梁體截面圖(單位：mm)

梁體檢算依據(jù)《鐵路橋梁檢定規(guī)范》（鐵運(yùn)函（2004）120號）以及《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 100023-2005），并輔以相關(guān)有限元計(jì)算軟件輔助計(jì)算。

2.1 梁體計(jì)算基本參數(shù)

該梁為32m普通高度預(yù)應(yīng)力混凝土梁，梁體圖號為專橋2059，主梁為500號混凝土，極限強(qiáng)度為35.1MPa；一級鋼筋計(jì)算抗拉強(qiáng)度為 235MPa，二級鋼筋計(jì)算抗拉強(qiáng)度為 335MPa，預(yù)應(yīng)力鋼束極限抗拉強(qiáng)度為1600MPa。T梁截面尺寸如圖3所示，橫斷面配筋圖如圖4所示。

2.2 橋梁抗彎承載力檢算

對橋梁結(jié)構(gòu)損傷位置處截面（距梁端5.4m位置處截面）、L/4截面處和跨中截面處等3個截面處的抗彎承載力進(jìn)行檢算，檢算過程中荷載主要考慮恒載和活載效應(yīng)組合，其中恒載包括梁體自重以及道砟、枕木、人行道板等二期荷載，活載按設(shè)計(jì)荷載“中-活載”計(jì)算并考慮沖擊作用。

圖4 梁體截面預(yù)應(yīng)力鋼束分布圖(單位：cm，紅色表示損傷預(yù)應(yīng)力束)

橋梁結(jié)構(gòu)抗彎檢算公式按式1計(jì)算。

分別計(jì)算橋梁完好狀態(tài)及橋梁梁體存在損傷狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)的3個截面位置處的抗彎承載力狀況，計(jì)算結(jié)果見表2-1所示。

表1 抗彎承載力檢算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

檢算結(jié)果表明，梁體狀況完好時，梁體損傷截面處（距梁端 5.4m處截面）正截面抗彎承載力為28441.5 kN·m，荷載組合效應(yīng)為14842.2 kN·m，抗力與荷載效應(yīng)比值為1.92，正截面承載力滿足要求；L/4截面處正截面抗彎承載力為29629.6 kN·m，荷載組合效應(yīng)為19839.1 kN·m，抗力與荷載效應(yīng)比值為1.49，正截面承載力滿足要求；跨中截面處正截面抗彎承載力為31668.0 kN·m，荷載組合效應(yīng)為26254.1 kN·m，抗力與荷載效應(yīng)比值為1.20，正截面承載力滿足要求。

梁體存在損傷時，梁體損傷截面處（距梁端5.4m處截面）正截面抗彎承載力為225986.9 kN·m，荷載組合效應(yīng)為14842.2 kN·m，抗力與荷載效應(yīng)比值為1.75，正截面承載力滿足要求；L/4截面處正截面抗彎承載力為27404.2 kN·m，荷載組合效應(yīng)為19839.1 kN·m，抗力與荷載效應(yīng)比值為1.38，正截面承載力滿足要求；跨中截面處正截面抗彎承載力為29444.4 kN·m，荷載組合效應(yīng)為26254.1 kN·m，抗力與荷載效應(yīng)比值為1.11，正截面承載力滿足要求。

梁體損傷前后3個檢算截面正截面抗彎承載力均滿足要求，但是與梁體完好狀態(tài)相比，梁體存在損傷時梁體3個檢算截面正截面抗彎承載力均有所降低，梁體損傷對橋梁結(jié)構(gòu)正截面承載力造成一定的不利影響，其中梁體損傷截面處（距梁端5.4m處截面）正截面抗彎承載力下降8.63%；L/4截面處正截面抗彎承載力下降7.51%；跨中截面處正截面抗彎承載力下降7.02%。

2.3 橋梁抗剪承載力檢算

對橋梁結(jié)構(gòu)距支座h/2處截面和損傷位置處截面（距梁端5.4m位置處截面）等2個截面處的抗剪承載力進(jìn)行檢算，檢算荷載及荷載組合形式與抗彎承載力檢算過程一致。

橋梁結(jié)構(gòu)抗剪檢算公式按式2-2計(jì)算。

分別計(jì)算橋梁完好狀態(tài)及橋梁梁體存在損傷狀態(tài)下橋梁結(jié)構(gòu)的2個截面位置處的抗剪承載力狀況，計(jì)算結(jié)果見表2所示。

表2 抗剪承載力檢算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

檢算結(jié)果表明，梁體狀況完好時，梁體損傷截面處（距梁端 5.4m處截面）斜截面抗剪承載力為1781.9kN，荷載組合效應(yīng)為1474.6kN，抗力與荷載效應(yīng)比值為1.21，斜截面抗剪承載力滿足要求；距支座h/2處截面處斜截面抗剪承載力為3337.2kN，荷載組合效應(yīng)為2942.3kN，抗力與荷載效應(yīng)比值為1.13，斜截面抗剪承載力滿足要求。

梁體存在損傷時，梁體損傷截面處（距梁端5.4m處截面）斜截面抗剪承載力為1753.4kN，荷載組合效應(yīng)為1474.6kN，抗力與荷載效應(yīng)比值為1.19，斜截面抗剪承載力滿足要求；距支座h/2處截面處斜截面抗剪承載力為3208.5kN，荷載組合效應(yīng)為2942.3kN，抗力與荷載效應(yīng)比值為1.09，斜截面抗剪承載力滿足要求。

梁體損傷前后2個檢算截面斜截面抗剪承載力均滿足要求，但是與梁體完好狀態(tài)相比，梁體存在損傷時梁體2個檢算截面正截面抗彎承載力均有所降低，梁體損傷對橋梁結(jié)構(gòu)斜截面抗剪承載力造成一定的不利影響，其中梁體損傷截面處（距梁端5.4m處截面）斜截面抗剪承載力下降1.60%；距支座h/2處截面處斜截面抗剪承載力下降3.86%。

3 梁體損傷對橋梁結(jié)構(gòu)靜力性能影響分析

在梁體未被車輛撞擊前對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜載試驗(yàn)，梁體被車輛撞擊后再次對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜載試驗(yàn)，分別測試了不同橋梁結(jié)構(gòu)完好和存在損傷情況下橋梁結(jié)構(gòu)的撓度和應(yīng)力，為研究梁體損傷對橋梁結(jié)構(gòu)靜力性能的影響提供了寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

橋梁靜載試驗(yàn)按照《鐵路橋梁檢定規(guī)范》（鐵運(yùn)函（2004）120號）第11.3.2條要求進(jìn)行，靜載試驗(yàn)的荷載效率η需達(dá)到0.80≤η≤1.00，在有困難時可稍予降低，但不得小于現(xiàn)行最大運(yùn)行荷載。目前線路最大運(yùn)行荷載為C70列車。經(jīng)過計(jì)算試驗(yàn)荷載效率達(dá)到規(guī)范要求的0.80≤η≤1.00需要C80列車進(jìn)行加載?？紤]線路實(shí)際運(yùn)營狀態(tài)和最大運(yùn)營荷載試驗(yàn)采用C70列車進(jìn)行加載?？缰凶畲髲澗丶虞d位置如圖5所示。

圖5 跨中截面彎矩最大加載位置圖（單位：cm）

靜載試驗(yàn)主要測試內(nèi)容包括：主梁控制截面應(yīng)力測試；主梁跨中截面中性軸位置；主梁跨中截面撓度測試。具體測點(diǎn)布置如圖6所示。

圖6 跨中截面靜態(tài)測點(diǎn)布置分布圖(單位：mm)

3.1 梁體撓度測試結(jié)果分析

對比分析橋梁處于完好狀態(tài)和梁體存在損傷狀態(tài)時，橋梁跨中位置處1#梁和2#梁的撓度測試結(jié)果，分析梁體損傷對橋梁結(jié)構(gòu)豎向剛度的影響程度。

（1）梁體完好狀態(tài)跨中撓度分析

按照《鐵路橋梁檢定規(guī)范》（鐵運(yùn)函（2004）120號）中相關(guān)規(guī)定，撓度作為橋梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)評定的主要參數(shù)，規(guī)范中通過橋梁結(jié)構(gòu)撓度校驗(yàn)系數(shù)和實(shí)測換算至“中-活載”下?lián)峡绫葘蛄航Y(jié)構(gòu)豎向剛度進(jìn)行評價。橋梁結(jié)構(gòu)處于完好狀態(tài)時，實(shí)測橋梁結(jié)構(gòu)撓度數(shù)據(jù)見表3所示。

表3 梁體完好狀態(tài)下實(shí)測撓度分析

梁體處于完好狀態(tài)時，試驗(yàn)編組列車荷載作用下，1#梁跨中撓度實(shí)測平均值為8.40mm，撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.67，換算至中—活載作用下?lián)峡绫葹?/2628；2#梁跨中撓度實(shí)測平均值為8.42mm，撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.67，換算至中—活載作用下?lián)峡绫葹?/2623。均滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》通常值的要求(校驗(yàn)系數(shù)：0.70～0.80、撓跨比：1/1800)。

（2）梁體損傷狀態(tài)跨中撓度分析

橋梁結(jié)構(gòu)處于損傷狀態(tài)時，實(shí)測橋梁結(jié)構(gòu)撓度數(shù)據(jù)見表4所示。

表4 梁體損傷狀態(tài)下實(shí)測撓度分析

梁體存在損傷狀態(tài)時，試驗(yàn)編組列車荷載作用下，1#梁跨中撓度實(shí)測平均值為9.42mm，撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.75，換算至中—活載作用下?lián)峡绫葹?/2344；2#梁跨中撓度實(shí)測平均值為8.65mm，撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.69，換算至中—活載作用下?lián)峡绫葹?/2551。均滿足《鐵路橋梁檢定規(guī)范》通常值的要求(校驗(yàn)系數(shù)：0.70～0.80、撓跨比：1/1800)。

（3）梁體跨中截面撓度實(shí)測值對比分析

對比分析橋梁完好狀態(tài)和梁體存在損傷狀態(tài)情況下，橋梁結(jié)構(gòu)撓度實(shí)測結(jié)果。分析結(jié)果見表5所示。

表5 梁體跨中截面撓度實(shí)測值對比分析表

由表3-3中數(shù)據(jù)可知，梁體完好狀態(tài)時1#梁、2#梁跨中撓度相差0.02mm，梁體撓度一致，梁體存在損傷狀態(tài)時，1#梁與2#梁跨中撓度相差0.77mm，1#梁跨中撓度比2#梁跨中撓度大8.90%。與梁體完好狀態(tài)相比，梁體存在損傷狀態(tài)時1#梁跨中撓度增加1.02mm，撓度增大12.14%，2#梁跨中撓度增加0.23mm，撓度增大2.73%。

3.2 梁體底板應(yīng)力測試結(jié)果分析

（1）梁體完好狀態(tài)跨中截面底板應(yīng)力分析

按照《鐵路橋梁檢定規(guī)范》（鐵運(yùn)函（2004）120號）中相關(guān)規(guī)定，應(yīng)力作為橋梁結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)評定的主要參數(shù)，規(guī)范中通過橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行評價。橋梁結(jié)構(gòu)處于完好狀態(tài)時，實(shí)測橋梁結(jié)構(gòu)跨中截面底板應(yīng)力數(shù)據(jù)見表6所示。

表6 梁體完好狀態(tài)下實(shí)測跨中截面底板應(yīng)力分析

梁體處于完好狀態(tài)時，試驗(yàn)編組列車荷載作用下，1#梁跨中底板應(yīng)變實(shí)測平均值為 4.22MPa，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為 0.75；2#梁跨中底板應(yīng)變實(shí)測平均值為4.12MPa，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.73。校驗(yàn)系數(shù)均小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》通常值 (0.90～1.00)，滿足規(guī)范要求。

（2）梁體損傷狀態(tài)跨中截面底板應(yīng)力分析

橋梁結(jié)構(gòu)處于損傷狀態(tài)時，實(shí)測橋梁結(jié)構(gòu)跨中截面底板應(yīng)力數(shù)據(jù)見表7所示。

表7 梁體損傷狀態(tài)下實(shí)測跨中截面底板應(yīng)力分析

梁體存在損傷狀態(tài)時，試驗(yàn)編組列車荷載作用下，1#梁跨中底板應(yīng)變實(shí)測平均值為 4.81MPa，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為 0.85；2#梁跨中底板應(yīng)變實(shí)測平均值為4.39MPa，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.78。校驗(yàn)系數(shù)均小于《鐵路橋梁檢定規(guī)范》通常值 (0.90～1.00)，滿足規(guī)范要求。

（3）梁體跨中截面底板應(yīng)力對比分析

對比分析橋梁完好狀態(tài)和梁體存在損傷狀態(tài)情況下，橋梁結(jié)構(gòu)跨中截面底板應(yīng)力實(shí)測結(jié)果。分析結(jié)果見表8所示。

表8 梁體跨中截面底板應(yīng)力實(shí)測值對比分析表

由表3-6中數(shù)據(jù)可知，梁體完好狀態(tài)時1#梁、2#梁跨中底板應(yīng)力實(shí)測值相差0.1MPa，梁體存在損傷狀態(tài)時，1#梁與2#梁跨中底板應(yīng)力實(shí)測值相差0.42MPa，1#梁跨中撓度比2#梁跨中撓度大9.57%。與梁體完好狀態(tài)相比，梁體存在損傷狀態(tài)時1#梁跨中底板應(yīng)力實(shí)測值增加0.59 MPa，應(yīng)力實(shí)測值增大13.98%，2#梁跨中底板應(yīng)力實(shí)測值增加0.27MPa，應(yīng)力實(shí)測值增大6.55%。

3.3 實(shí)測跨中截面中性軸高度分析

為了研究橋梁跨中截面實(shí)際中性軸高度，在跨中截面沿梁高方向布置應(yīng)變測點(diǎn)，測試試驗(yàn)列車荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)跨中截面應(yīng)變沿梁體高度方向分布情況。

橋梁處于完好狀態(tài)和橋梁梁體存在損傷狀態(tài)時實(shí)測橋梁各測點(diǎn)應(yīng)力沿梁高分布情況如圖3-7所示。

圖3-7 跨中截面應(yīng)力實(shí)測值沿梁高分布圖

實(shí)測梁體跨中截面中性軸高度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表9所示。

表9 實(shí)測梁體中性軸高度結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由圖3-7和表3-7中數(shù)據(jù)可知，與完好狀態(tài)相比梁體存在損傷狀態(tài)時1#跨中截面中性軸高度提高104mm，2#梁中線軸高度提高19mm，表明梁體損傷導(dǎo)致梁體跨中截面剛度降低，中線軸高度提高。

4 結(jié) 論

通過理論分析計(jì)算和現(xiàn)場靜載試驗(yàn)，對比分析研究由于車輛撞擊導(dǎo)致梁體出現(xiàn)混凝土破損、鋼絲斷裂等梁體損傷情況對橋梁結(jié)構(gòu)受力性能影響程度。得到如下結(jié)論。

(1) 與梁體完好狀態(tài)相比，存在損傷橋梁結(jié)構(gòu)的正截面抗彎承載能力和斜截面抗剪承載能力均有所降低，分析結(jié)果表明，損傷對橋梁結(jié)構(gòu)正截面抗彎承載能力影響較大，梁體損傷截面處（距梁端5.4m處截面）、L/4截面和跨中截面的正截面抗彎承載能力分別下降8.63%、7.51%和7.02%。

(2) 梁體損傷導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)承載能力下降，與梁體完好狀態(tài)相比，梁體存在損傷狀態(tài)時跨中撓度增加1.02mm，撓度增大12.14%，跨中截面底板應(yīng)力實(shí)測值增加0.59 MPa，應(yīng)力實(shí)測值增大13.98%。

梁體完好狀態(tài)時兩片并置梁受力均勻，1#梁存在損傷后，試驗(yàn)荷載作用下兩片并置梁跨中截面撓度實(shí)測值相差8.90%，跨中截面底板應(yīng)力相差9.57%，對橋梁結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)受力產(chǎn)生不利影響。

(3) 梁體損傷導(dǎo)致橋梁跨中截面中性軸位置升高，對橋梁結(jié)構(gòu)受力安全帶來不利影響。