裝配式橋梁橫向分布分析及損傷識別

羅彥 蔣凌杰 毛建平

作者簡介：

羅 彥（1971—），高級工程師，主要從事橋梁設(shè)計(jì)及檢測工作;

蔣凌杰（1988—），工程師，碩士研究生，主要從事橋梁檢測及監(jiān)測研究工作;

毛建平（1985—），高級工程師，碩士研究生，主要從事橋梁設(shè)計(jì)、檢測及監(jiān)測研究工作。

文章闡述了橫向分布系數(shù)在舊橋承載能力評定中應(yīng)用的方法，分析了橫向分布的影響因素敏感度，得到單片梁開裂和鉸縫失效兩種損傷的橫向分布損傷識別模型，給出了基于荷載試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算橫向分布的公式，并進(jìn)行了兩座橋梁實(shí)測橫向分布系數(shù)的計(jì)算及損傷識別分析，以驗(yàn)證梁損傷識別的有效性。

裝配式橋梁;橋梁試驗(yàn)評定;橫向分布;損傷識別

U448.21+8A461644

0 引言

裝配式空心板梁橋在我國高速公路建設(shè)中應(yīng)用廣泛[1]。在近年的高速公路改擴(kuò)建中，對該類橋梁的承載能力檢測評定也越發(fā)受到重視。裝配式橋梁荷載試驗(yàn)承載能力評定時，通常引入橋梁橫向分布的概念，將空間計(jì)算化為平面計(jì)算，從而將橋梁空間計(jì)算轉(zhuǎn)化為單梁模型計(jì)算。橫向分布系數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算是承載能力評定的基礎(chǔ)，其準(zhǔn)確性直接影響荷載試驗(yàn)效率、荷載試驗(yàn)理論值、荷載試驗(yàn)校驗(yàn)系數(shù)的準(zhǔn)確性，從而影響橋梁承載能力評定結(jié)果。

1 橫向分布計(jì)算基本原理及方法

橫向分布計(jì)算將影響面函數(shù)分離成影響線函數(shù)進(jìn)行求解[2]，從而達(dá)到化復(fù)雜的空間問題為簡單的平面問題，如式（1）：

S=Pη（x，y）≈η（x）η（y）（1）

式中：η（x）——單梁截面的效應(yīng)值影響線，即縱向影響線;

η（y）——梁的荷載橫向影響線，即橫向分布系數(shù)。

通過以上處理，即可以通過單梁模型求得某截面上的效應(yīng)值η（x），再利用荷載分布系數(shù)η（y）計(jì)算梁的實(shí)際效應(yīng)值。引入橫向分布系數(shù)的方法，在同等精度條件下比空間分析的數(shù)值方法效率高。

杠桿法、剛接板梁法、鉸接板梁法、修正偏壓法和GM法是橫向分布系數(shù)常用的計(jì)算方法，各計(jì)算方法的原理及適用范圍不同。工程應(yīng)用中，通常采用杠桿法計(jì)算支點(diǎn)的橫向分布系數(shù)，采用其他方法計(jì)算跨中的橫向分布系數(shù)。如裝配式空心板橋采用鉸接板梁法進(jìn)行跨中橫向分布系數(shù)的計(jì)算，該法通過剛度參數(shù)和板塊的數(shù)量，確定梁板的荷載橫向影響線 [3-4]，并根據(jù)荷載的橫向分布計(jì)算橫向分布系數(shù)。

2 橫向分布影響因素分析

橋梁橫向分布與橋梁的橫向連接有關(guān)，與結(jié)構(gòu)的影響線和荷載布置也有關(guān)，而影響線通過剛度參數(shù)及梁板數(shù)量求得。因此影響因素主要有：主梁截面剛度、梁板的數(shù)量、荷載橫向位置以及橫向連接剛度。

本文以銅鼓巖小橋荷載試驗(yàn)的計(jì)算過程為計(jì)算模型，分析橫向分布系數(shù)隨影響因素變化的規(guī)律。

銅鼓巖小橋位于柳南改擴(kuò)建工程K202+298處，橋梁全長17.52 m，其上構(gòu)為1～10 m鋼筋混凝土空心板，橋面按分離式雙幅設(shè)置，單幅橋面寬13.65 m（0.5 m+12.5 m+0.65 m），設(shè)計(jì)荷載為汽-超20，掛車-120。橋梁斷面圖見圖1。該橋?yàn)閱慰绾喼Я簶?，荷載試驗(yàn)以跨中斷面為控制斷面，分別進(jìn)行中載和偏載工況，加載時采用單排橫向3輛車布置，加載示意圖見圖2。

2.1 截面剛度對橫向分布的影響分析

空心板的橋面鋪裝厚度相對空心板的高度較大，考慮橋面鋪裝明顯提高主梁的整體剛度。中小跨徑的普通鋼筋混凝土空心板在荷載長期作用下出現(xiàn)較多的橫向貫通裂縫，截面開裂也較大削弱截面的剛度。為研究其影響程度，采用橋梁博士3.0軟件進(jìn)行影響線的計(jì)算，以偏載工況橫向布載為例，計(jì)算3種情況下的橫向分布系數(shù)并對比分析，結(jié)果見表1。

由表1可知，在考慮橋面鋪裝整體剛度增加（約增大1倍）和考慮截面開裂整體剛度減小（約減小1倍）情況下橫向分布系數(shù)基本保持不變，偏差率多數(shù)在5%以內(nèi)，對荷載試驗(yàn)撓度及應(yīng)變的計(jì)算值影響不大，但因?yàn)閷?shí)際剛度直接影響實(shí)測的應(yīng)變和撓度，最終導(dǎo)致實(shí)測試驗(yàn)撓度校驗(yàn)系數(shù)成倍的變化。因此，在進(jìn)行荷載試驗(yàn)計(jì)算時，需計(jì)入橋面鋪裝參與荷載試驗(yàn)理論值的計(jì)算。

2.2 單板開裂對橫向分布系數(shù)影響分析

以上分析了所有梁開裂的情況，而實(shí)際情況中每片梁的狀況不一致，會出現(xiàn)單片梁開裂嚴(yán)重的現(xiàn)象。以銅鼓巖小橋中載為例，如5#梁開裂，按照開裂剛度重新進(jìn)行橫向分布系數(shù)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2及下頁圖3。

單片梁開裂后其承擔(dān)荷載的能力減弱，橫向分布系在該梁處數(shù)值變小，而兩側(cè)邊梁的橫向分布系數(shù)增大，且隨著距離開裂梁的距離增加而增大。該橫向分布規(guī)律可作為實(shí)測橫向分布系數(shù)進(jìn)行開裂識別的依據(jù)。

2.3 鉸縫失效對橫向分布的影響

近年來由于道路交通量的迅猛增加，造成梁板間橫向傳遞部分失效情況越發(fā)明顯，導(dǎo)致出現(xiàn)趨于單塊板參與受力現(xiàn)象，影響結(jié)構(gòu)的承載能力，威脅行車安全性 [5-6]。裝配式空心板梁鉸縫受力復(fù)雜，單從檢測的表觀缺陷難以直接判斷鉸縫是否存在內(nèi)部損傷，因此，需分析鉸縫內(nèi)部損傷失效后對橫向分布的影響。按照5#鉸縫（5#梁和6#梁間鉸縫）失效時重新計(jì)算跨中橫向分布系數(shù)，結(jié)果見表3及圖4。

由表3和圖4可知，5#鉸縫開裂后，5#梁處橫向分布系數(shù)明顯增大，且加載車輛多的一側(cè)的橫向分布系數(shù)也隨著增大。其橫向分布規(guī)律可作為荷載試驗(yàn)實(shí)測橫向分布進(jìn)行鉸縫損傷判斷的依據(jù)。

3 試驗(yàn)實(shí)測橫向分布系數(shù)計(jì)算及損傷識別方法

橫向分布系數(shù)可通過荷載試驗(yàn)實(shí)測撓度值進(jìn)行計(jì)算分析得到。梁的橫向分布系數(shù)值為各個主梁實(shí)測撓度值與各個主梁實(shí)測撓度值總和的比值，再乘以車道數(shù)來進(jìn)行計(jì)算[7]，見式（2）。

mi=N·wi/∑ni=1wi（2）

式中：mi——試驗(yàn)荷載作用下第i片梁的橫向分布系數(shù);

wi——試驗(yàn)荷載作用在第i片梁的實(shí)測撓度值;

n——梁的數(shù)量;

N——加載橫向車輛數(shù)。

根據(jù)理論分析，在采用實(shí)測值進(jìn)行計(jì)算時，實(shí)測應(yīng)變及實(shí)測撓度均可以用于橫向分布系數(shù)計(jì)算，即wi可為試驗(yàn)荷載作用在第i片梁的實(shí)測效應(yīng)值（應(yīng)變值或者撓度值）。

以銅鼓巖小橋和龍鳳二橋荷載試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用上述方法計(jì)算橫向分布系數(shù)，并進(jìn)行損傷識別。銅鼓巖小橋橫向分布系數(shù)計(jì)算見表4及圖5。

由表4及圖5可知，橫向分布系數(shù)在5#梁處陡然增大，4#梁橫向分布系數(shù)大于6#梁。根據(jù)前文損傷橫向分布影響分析，可以判斷該梁在5#和6#梁之間的鉸縫內(nèi)部存在損傷。

以同樣方法計(jì)算了龍鳳二橋的橫向分布系數(shù)，得到橫向分布規(guī)律（見圖6）。由圖6可知，中載工況下按照實(shí)測應(yīng)變和實(shí)測撓度計(jì)算的橫向分布基本一致，驗(yàn)證了前文分析的正確性。從橫向分布規(guī)律可看出， 5#梁處橫向分布系數(shù)陡然增大，6#梁的橫向分布系數(shù)減小，根據(jù)前文分析結(jié)果，可以判斷5#和6#梁之間的鉸縫內(nèi)部存在損傷。

結(jié)合兩座橋的現(xiàn)場檢測結(jié)果，損傷鉸縫處存在有明顯的開裂滲水，主梁的校驗(yàn)系數(shù)最大值接近1.0，且部分測點(diǎn)相對殘余應(yīng)變>20%，進(jìn)一步判斷鉸縫基本失去傳力性能，單板受力的趨勢明顯，急需進(jìn)行維修加固。

4 結(jié)語

橫向分布在橋梁檢測評定中有著十分重要的作用，準(zhǔn)確的計(jì)算分析是承載能力評定的基礎(chǔ)。文章分析了橫向分布影響因素及影響程度，明確了橋梁荷載試驗(yàn)時計(jì)入橋面鋪裝參與剛度計(jì)算的重要性，并得到了單梁開裂和鉸縫失效下橫向分布損傷識別模型。文中給出了基于實(shí)測應(yīng)變和實(shí)測撓度進(jìn)行橫向分布系數(shù)分析的方法，以實(shí)際荷載試驗(yàn)項(xiàng)目為例進(jìn)行了橫向分布系數(shù)的計(jì)算，論證了實(shí)測應(yīng)變和實(shí)測撓度進(jìn)行橫向分布系數(shù)計(jì)算的適用性，并結(jié)合實(shí)測橫向分布系數(shù)規(guī)律和橫向分布損傷識別模型，進(jìn)行了橋梁損傷的識別，提出維修加固建議。本文為舊橋檢測評定提供參考。

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