地裂縫對鋼-混組合連續(xù)梁橋使用性能影響研究

剛增軍， 馮 威， 張喜榮

(1.陜西省交通控股集團(tuán)有限公司商漫分公司， 陜西 商洛 726499； 2.西安公路研究院有限公司， 西安 710065)

自20世紀(jì)50年代以來，因地質(zhì)構(gòu)造、過度開采地下水，西安已陸續(xù)出現(xiàn)14條地裂縫，且已發(fā)展成為該市目前最典型的城市地質(zhì)災(zāi)害[1]。早期的相關(guān)研究大多集中于地裂縫的形成機(jī)理、活動規(guī)律及分布特征，且相關(guān)成果已趨于成熟[1-2]。有研究表明該地裂縫活動仍將持續(xù)不斷[3-4]，諸多學(xué)者就跨地裂縫帶進(jìn)行工程建設(shè)開展了研究。初期的研究成果主要分析地裂縫災(zāi)害特征，并建議建筑物對地裂縫進(jìn)行合理避讓。彭建兵等[5]分析了地裂縫作用下地鐵、隧道、道路、房屋建筑、橋梁及管道工程的災(zāi)害特征，提出了地裂縫災(zāi)害綜合防治對策。陜西省出臺了《西安地裂縫場地勘察與工程設(shè)計(jì)規(guī)程》(DBJ 61-6—2006)[6]，對地裂縫場地建筑物的避讓距離作出了規(guī)定。

我國學(xué)者及工程技術(shù)人員針對跨地裂縫橋梁建設(shè)，特別是高鐵橋梁開展了相關(guān)研究。石玉玲[7]通過物理模型試驗(yàn)，提出跨越地裂縫采用靜定結(jié)構(gòu)簡支梁橋較為合理。張茵濤等[8]通過物理模型試驗(yàn)?zāi)M地裂縫不同活動量，對橋墩樁端應(yīng)力、橋上軌道變形、穩(wěn)定性等受其影響程度進(jìn)行分析，得出了以不同斜交角度跨越活動地裂縫帶的高鐵橋梁結(jié)構(gòu)變形破壞模式。楊濤[9]利用數(shù)值模擬方法，研究了跨地裂縫帶高鐵簡支梁橋不同跨長的受力變形特征，提出了跨長優(yōu)化方案。劉海東等[10]利用FLAC3D數(shù)值軟件對高鐵橋梁以45°與地裂縫地段斜交進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。龐旭卿等[11]通過模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法，探究了地裂縫引發(fā)的橋梁災(zāi)變機(jī)理，從而確定了橋梁受地裂縫作用其應(yīng)力應(yīng)變特征及受力模式。

鋼-混組合梁因其優(yōu)異的力學(xué)性能與顯著的經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用日益廣泛。相關(guān)研究在我國興起較晚，但是發(fā)展迅速。從 20 世紀(jì) 80 年代開始，許多高校以及科研單位開始通過模型試驗(yàn)的方法對鋼-混組合梁開展研究。目前的研究熱點(diǎn)主要集中于組合結(jié)構(gòu)的界面滑移效應(yīng)[12]、局部連接件[13]的力學(xué)性能、橋面板受力分析[14]等。

面對需求導(dǎo)向強(qiáng)烈的城市建設(shè)進(jìn)程，單純采取“避讓”或簡單結(jié)構(gòu)已無法滿足迫切的橋梁建設(shè)需求，因此開展跨地裂縫建設(shè)復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)的研究十分必要。本文擬通過數(shù)值仿真方法研究地裂縫對鋼-混組合連續(xù)梁橋力學(xué)性能的影響規(guī)律，分析地裂縫引起土體不均勻沉降對鋼-混橋梁使用性能的影響，為橋梁運(yùn)營期的安全預(yù)警提供依據(jù)，并為跨地裂縫橋梁結(jié)構(gòu)災(zāi)害防治提供理論支持。

1 工程背景

1.1 西安地裂縫

西安目前有14條主要地裂縫和4條次生地裂縫，面積大約為250 km2。西安地裂縫運(yùn)動是三維空間的，除垂直與水平向的位移外，還會在水平向發(fā)生扭動[15]。工程建設(shè)與運(yùn)營受位移量最大的垂直位移影響較嚴(yán)重，故著重分析地裂縫垂直位移。雁塔路互通式立交橋位于西安f12地裂縫上，二者以小角度在翠華南路西側(cè)斜交，裂縫走向約NE50°，傾向SE，傾角約80°，一般南側(cè)相對下降。根據(jù)相關(guān)地測資料及研究成果，立交橋所跨越f12地裂縫處的豎向位移年平均活動速率為2 mm/a，在橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期(100年)內(nèi)地裂縫引起的土體最大豎向沉降量可取為20 cm[16]。

1.2 工程概況

西安雁塔路互通式立交橋是3跨變截面連續(xù)梁橋，其跨徑組合為50 m+90 m+50 m，設(shè)計(jì)荷載等級為公路-Ⅰ級。主梁采用鋼-混組合結(jié)構(gòu)，鋼主梁跨中梁高2.35 m，墩頂梁高3.85 m。鋼箱梁底寬為5.5 m，橋面板頂寬為9.0 m，懸臂長為1.75 m，主梁鋼箱梁部分采用Q345鋼材。橋梁跨越地裂縫場地平面示意如圖1所示。

圖1 橋梁跨越地裂縫場地平面示意

2 數(shù)值模擬

2.1 有限元模型建立

采用MIDAS Civil軟件建立橋梁結(jié)構(gòu)模型，其中上部結(jié)構(gòu)混凝土頂板采用梁單元，彈性模量為3.45×104MPa，容重為25 kN/m3；鋼箱采用梁單元，彈性模量為2.05×105MPa，容重為76.98 kN/m3；混凝土與鋼板之間采用無質(zhì)量的剛臂單元連接，橋墩采用梁單元，彈性模量為3.25×104MPa；樁基采用梁單元，彈性模量為3.0×104MPa。橋梁仿真模型如圖2所示。樁土的相互作用采用整體建模法，采用GTS NX軟件進(jìn)行分析，即樁基礎(chǔ)用梁單元模擬，土體用實(shí)體單元模擬，它們之間的接觸面用面接觸單元Interface模擬。

2.2 土體模擬

土體的材料參數(shù)如下：彈性模量為30 MPa，泊松比為0.33，容重為18.6 kN/m3，粘聚力為30 kPa，內(nèi)摩擦角為20°；地裂縫采用面接觸單元Interface模擬，其法向剛度為2 800 kPa、切向剛度為280 kPa、摩擦角為15°，粘聚力為10 kPa。地裂縫上下盤土體采用界面單元分割土體，并將周圍平面法向約束來模擬形成；上下盤土體的相對沉降效應(yīng)，分別在其底面施加強(qiáng)制位移和豎向約束來模擬；土體和樁基因尺寸差異大，故分別以大單元和小單元劃分。仿真模型分析中的接觸非線性單元采用混合網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即多數(shù)接觸非線性單元采用六面體網(wǎng)格劃分，對過渡段網(wǎng)格采用四面體進(jìn)行劃分，仿真模型如圖2(b)所示。

2.3 加載工況

依據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(JTG/T D64-01—2015)，按照正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行荷載組合，橋梁整體升溫25 ℃，整體降溫28 ℃，并按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60—2015)確定了正負(fù)溫度梯度。正常使用極限狀態(tài)建立8種荷載組合，如表1所示，其中作用頻遇組合和準(zhǔn)永久組合(汽車荷載分項(xiàng)系數(shù)由0.7調(diào)整為0.4，其余分項(xiàng)系數(shù)不變，組合1至組合4分別對應(yīng)組合5至組合8)各4種工況。引起本橋可變作用長期撓度的荷載主要為基礎(chǔ)變位荷載、活載(不考慮沖擊系數(shù))和溫度梯度。

(a) 橋梁仿真模型

(b) 土體仿真模型

(c) 地裂縫界面模型

表1 作用頻遇組合及準(zhǔn)永久組合

3 地裂縫對正常使用極限狀態(tài)影響

3跨連續(xù)梁受恒載與地裂縫作用，在中跨兩支點(diǎn)處會產(chǎn)生負(fù)彎矩，使混凝土板受拉甚至開裂，故將1#和2#個主墩支點(diǎn)選做控制點(diǎn)截面。

3.1 混凝土裂縫

8種工況下混凝土板的裂縫寬度數(shù)值如圖3所示。

由圖3可知，隨著沉降不斷增大，控制截面1處裂縫寬度減小，最后產(chǎn)生閉合，而控制截面2處裂縫寬度不斷增大。因此，地裂縫荷載會使混凝土板開裂寬度增大，但是遠(yuǎn)小于規(guī)范容許值0.1 mm，其最大值僅為0.008 6 mm。這主要是鋼箱梁相對梁高較高，主梁截面的抗彎慣性矩較大，加上預(yù)應(yīng)力的作用，混凝土頂板的開裂寬度遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值，橋梁結(jié)構(gòu)處于安全狀態(tài)。

3.2 主梁變形

主梁下?lián)喜粌H會影響橋梁的美觀與使用者的心理不適，還會對結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)產(chǎn)生影響。鋼-混組合梁利用抗剪連接件使鋼箱梁和混凝土板成為整體而共同受力，但二者之間仍存在相對滑移，并會使主梁變形增大。依據(jù)《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》(JTG/T D64-01—2015)，相對滑移引起的主梁變形按10%～15%的附加撓度考慮，此處按保守值15%進(jìn)行計(jì)算。主梁下?lián)现等鐖D4所示。

由圖4(a)可知，荷載工況1下，邊跨跨中下?lián)现递^小，中跨跨中下?lián)现递^大，但是遠(yuǎn)小于撓度允許值0.10 m，橋梁結(jié)構(gòu)較安全。由圖4(b)可知，荷載工況2下，左邊跨和跨中主梁控制節(jié)點(diǎn)處下?lián)现递^大，而右邊跨主梁控制節(jié)點(diǎn)處下?lián)现递^小。當(dāng)土體沉降量達(dá)到0.097 m時，左邊跨主梁跨中的下?lián)现狄堰_(dá)到橋梁的下?lián)显试S值0.10 m，隨著土體沉降量的繼續(xù)增大，左邊跨主梁的下?lián)现党掷m(xù)增大，對橋梁結(jié)構(gòu)的安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。因此，地裂縫對鋼-混組合連續(xù)梁的變形影響較大。

(a) 頻遇組合(b) 準(zhǔn)永久組合(c) 荷載工況3(d) 荷載工況4(e) 荷載工況7(f) 荷載工況8

圖3 不同工況混凝土板裂縫寬度

4 結(jié)論

通過對鋼-混組合連續(xù)梁橋與地裂縫斜交進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，分析了地裂縫垂直運(yùn)動作用下混凝土裂縫與主梁變形規(guī)律，得出如下結(jié)論：

1) 基于橋梁正常使用極限狀態(tài)分析，隨著土體沉降量不斷增大，混凝土板裂縫寬度有所增加，但最大寬度遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值，即對混凝土板裂縫寬度有影響，但影響有限。

2) 基于橋梁正常使用極限狀態(tài)分析，當(dāng)?shù)亓芽p上盤土體沉降量為0.097 m時，主梁左邊跨跨中變形將超限。隨著土體沉降量的繼續(xù)增大，該處下?lián)铣掷m(xù)增大。因此，地裂縫效應(yīng)對主梁變形影響較大，應(yīng)足夠重視。

3) 地裂縫垂直運(yùn)動顯著影響橋梁主梁變形，并會增大混凝土板開裂寬度，跨地裂縫建設(shè)鋼-混組合連續(xù)梁橋的健康監(jiān)測指標(biāo)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注主梁變形，同時對混凝土裂縫保持關(guān)注。