橫向聯(lián)系損傷的既有T梁橋安全性分析

梁茜雪,李增科

(廣西交科集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530007)

0 引 言

T梁橋具有結(jié)構(gòu)簡單、受力明確、節(jié)省材料、施工難度小、架設(shè)安裝方便、跨越能力大等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于我國公路橋梁建設(shè)中。裝配式T梁橋通過橋面板和橫隔板連成空間結(jié)構(gòu)，共同承擔(dān)車輛等外部荷載。橋梁橫向剛度越大，荷載的橫向分布作用就越明顯。T梁橫向連接方式包括鋼板式接頭和環(huán)扣式接頭，前者橫梁預(yù)留鋼板，通過焊接連接鋼板實(shí)現(xiàn)橫梁連接，橫梁間隙僅用水泥砂漿填充；后者橫梁預(yù)留鋼筋，通過搭接預(yù)留鋼筋、現(xiàn)澆濕接縫形成橫向聯(lián)系。鋼板式接頭整體性和耐久性均較差，極易出現(xiàn)橫向聯(lián)系損傷，主要表現(xiàn)為T梁翼板接縫開裂破損、橫隔板焊接鋼板脫焊等[1-4]。橫向聯(lián)系的損傷會減弱橫向分布作用，甚至造成荷載橫向重新分布，降低T梁承載能力。

有關(guān)橫向聯(lián)系對結(jié)構(gòu)影響的研究主要為橫向分布系數(shù)的修正計(jì)算，李院軍采用統(tǒng)計(jì)方法建立了考慮損傷折減系數(shù)橫向分布系數(shù)函數(shù)(含豎向基頻、線剛度和寬跨比三個(gè)參數(shù))，但受限于統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)量，適用性有待商榷[5]；鄔曉光在剛接梁法的基礎(chǔ)上考慮濕接縫剛度損傷對梁間剪力和彎矩傳遞的折減效應(yīng)，推導(dǎo)出考慮濕接縫剛度損傷的修正剛接梁法[6]。經(jīng)過修正后的橫向分布系數(shù)可提高計(jì)算精度，但橫向分布系數(shù)引入目的是將空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成平面問題，以現(xiàn)有的軟硬件發(fā)展水平已可輕松建立梁橋空間模型，采用實(shí)測數(shù)據(jù)直接標(biāo)定空間計(jì)算模型模擬裝配式梁橋橫向聯(lián)系的方法更簡便、直接和有效。

既有橋梁安全性分析實(shí)質(zhì)是對已有結(jié)構(gòu)承載能力的評定，比較成熟的有檢算分析法、荷載試驗(yàn)分析法和概率分析法。荷載試驗(yàn)分析法是通過在橋梁上施加與設(shè)計(jì)作用等效的荷載，比較結(jié)構(gòu)實(shí)際響應(yīng)與理論響應(yīng)的關(guān)系以評價(jià)橋梁受力狀況的方法；設(shè)計(jì)檢算分析法依據(jù)橋梁設(shè)計(jì)理論，結(jié)合橋梁現(xiàn)狀修正設(shè)計(jì)表達(dá)式，驗(yàn)算承載能力是否達(dá)到設(shè)計(jì)或?qū)嶋H運(yùn)營荷載要求；概率分析法基于可靠度理論，分析各基本隨機(jī)變量的統(tǒng)計(jì)特性，研究以抗力和作用效應(yīng)組成的功能函數(shù)，評估結(jié)構(gòu)可靠性。三種方法中，荷載試驗(yàn)分析法因簡單、直接且可觀察結(jié)構(gòu)真實(shí)響應(yīng)，應(yīng)用最廣，但試驗(yàn)僅能得出彈性狀態(tài)時(shí)實(shí)際與理論響應(yīng)的關(guān)系，不能評價(jià)承載力；設(shè)計(jì)檢算分析法在保留設(shè)計(jì)驗(yàn)算方式的基礎(chǔ)上考慮了結(jié)構(gòu)性能退化和運(yùn)營車載的變化，可較好地評估橋梁安全狀況；概率分析法是直接通過失效概率評價(jià)結(jié)構(gòu)安全性的方法，故而最為準(zhǔn)確，但準(zhǔn)確程度還與隨機(jī)變量統(tǒng)計(jì)參數(shù)取值有關(guān)。

綜上分析，本文提出一種綜合荷載試驗(yàn)和概率分析優(yōu)勢的橋梁安全性分析法。該方法采用空間有限元模型模擬主梁橫向聯(lián)系，利用靜載試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)標(biāo)定模擬方式，同時(shí)引入抗力綜合影響因子以考慮既有橋梁實(shí)際抗力變化，按可靠度理論分析結(jié)構(gòu)可靠指標(biāo)評估橋梁安全性。為解釋方法原理并論證方法有效性，以一座橫向聯(lián)系損傷的裝配式鋼筋混凝土簡支T形梁橋?yàn)槔M(jìn)行安全性分析，并對比多種橫向模擬方式對承載能評定的影響，證明模擬方式是影響安全評估的重要因素。

1 橋梁概況

某二級公路上一座舊橋建成于1986年，全長87 m。橋梁按單幅設(shè)計(jì)，上部結(jié)構(gòu)采用3×20 m(3跨20 m的結(jié)構(gòu))鋼筋混凝土簡支T梁，橫向布置8片T梁；下部結(jié)構(gòu)采用U型橋臺、重力式實(shí)心墩，基礎(chǔ)為明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)荷載和驗(yàn)算荷載分別為汽車-20級和掛車-100。橋梁立面見圖1，上構(gòu)橫斷面布置見圖2。

圖1 某鋼筋混凝土簡支T梁橋立面圖

圖2 某鋼筋混凝土簡支T梁橋上構(gòu)橫斷面布置圖

2 主要病害表現(xiàn)及分析

2.1 T梁病害

外觀檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)全橋各跨T梁腹板均有多道裂縫，為分布于底面的橫向裂縫和側(cè)面的豎向裂縫，部分裂縫連通形成U形裂縫。每片梁平均出現(xiàn)60余條裂縫，但裂縫寬度較小，均小于0.20 mm。

2.2 T梁鉸縫及橫隔板病害

各跨T梁在3#鉸縫(3#梁與4#梁間鉸縫)和5#鉸縫(5#梁與6#梁間鉸縫)處均出現(xiàn)滲水，混凝土開裂、剝落和鋼筋銹蝕，縱向分布長度接近全跨長。各跨另有部分鉸縫有滲水和局部混凝土破損，但縱向分布范圍較短，最長為3.22 m。

每片T梁縱向布置5道橫隔板，梁間橫隔板下部采用鋼板焊接連接，接縫采用砂漿填充。檢查時(shí)半數(shù)以上橫隔板接縫砂漿已開裂、脫落。3#鉸縫和5#鉸縫處橫隔板除端板外其余焊接鋼板均已銹蝕且脫焊；各跨另有2～3處橫隔板焊接鋼板脫焊，分布于不同T梁間橫隔板。

2.3 橋面鋪裝病害

橋面鋪裝為水泥混凝土鋪裝層，未布設(shè)鋼筋。各跨橋面鋪裝均有縱向裂縫，裂縫位于T梁鉸縫處橋面，最長縱縫已接近全跨長，最短縱縫長為5.32 m。部分橋面鋪裝已嚴(yán)重破損，不能分辨鉸縫處是否出現(xiàn)裂縫。

2.4 病害成因分析

T梁間鉸縫厚度僅為8 cm，橫隔板也只在下部用鋼板焊接，橫向聯(lián)系較弱，在汽車荷載作用下，相鄰T梁存在較大變位差，鉸縫易開裂。當(dāng)重車較多時(shí)，鉸縫開裂加劇，變位差進(jìn)一步增大，造成橫隔板間砂漿開裂、脫落，連接鋼板脫焊失效。鉸縫處橋面鋪裝受縱向負(fù)彎矩作用，產(chǎn)生橫橋向拉應(yīng)力，但鋪裝層未布設(shè)鋼筋網(wǎng)，因此極易沿鉸縫方向開裂，形成縱橋向裂縫，嚴(yán)重時(shí)甚至延伸至全跨。橋面破損后，雨水流至鉸縫，鉸縫鋼筋銹脹斷裂，嚴(yán)重時(shí)鉸縫失效。

3 荷載試驗(yàn)檢測與分析

3.1 荷載試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

根據(jù)JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》規(guī)定[7]，可采用主要撓度測點(diǎn)和主要應(yīng)力測點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)的最大值查取對應(yīng)的檢算系數(shù)Z2，用Z2修正極限狀態(tài)表達(dá)式中的抗力函數(shù)，以驗(yàn)算結(jié)構(gòu)承載能力，評價(jià)橋梁安全性。裝配式梁橋選取作用效應(yīng)最大的梁片作為控制梁片，以控制梁計(jì)算撓度或應(yīng)變的校驗(yàn)系數(shù)。裝配式結(jié)構(gòu)在橫向聯(lián)系受損后，荷載在梁間重分配，各片梁的作用效應(yīng)相應(yīng)變化，如仍以設(shè)計(jì)狀態(tài)計(jì)算理論響應(yīng)，其校驗(yàn)系數(shù)必然失真，造成承載能力誤判。鑒于以上原因，此類橋梁的荷載試驗(yàn)首先應(yīng)設(shè)置用于識別出橫向聯(lián)系真實(shí)傳力能力的工況，工況通過在控制截面橫向調(diào)整加載位置實(shí)現(xiàn)，再根據(jù)測試結(jié)果標(biāo)定有限元模型橫向連接的模擬方式，得出符合各梁間相對變形趨勢的模型。以此模型按最不利原則設(shè)計(jì)加載工況，測試控制截面的主要響應(yīng)值，作為確定檢算系數(shù)Z2的依據(jù)。

3.2 荷載試驗(yàn)設(shè)計(jì)

由外觀檢查結(jié)果了解到各跨病害情況相近，本次選取易于布設(shè)儀器的兩邊跨即第1跨和第3跨作為試驗(yàn)跨。為修正有限元模型中的橫向連接參數(shù)，在第1跨安排正載、偏左側(cè)和偏右側(cè)3個(gè)工況，在第3跨安排正載和偏右側(cè)2個(gè)工況，共5個(gè)工況。撓度和應(yīng)變測點(diǎn)分別布置于試驗(yàn)跨跨中截面各片梁底，每片梁1個(gè)測點(diǎn)；在每片梁梁端各布置1個(gè)支座壓縮測點(diǎn)，測試支點(diǎn)沉降，用于在計(jì)算梁撓度時(shí)扣除支點(diǎn)變位的影響。

3.3 荷載試驗(yàn)結(jié)果

因T梁跨中截面附近已分布多道裂縫，本次應(yīng)變測點(diǎn)布置于腹板底板的縱向鋼筋上，但為減少對T梁截面的削弱，鑿除混凝土的區(qū)域受限，應(yīng)變測試結(jié)果規(guī)律性略差，故以撓度作為標(biāo)定模型的主要依據(jù)。表1為工況1～5時(shí)試驗(yàn)跨跨中截面實(shí)測撓度結(jié)果，表中撓度已扣除了殘余撓度和支點(diǎn)沉降的影響。

表1 各工況滿載時(shí)跨中截面實(shí)測撓度結(jié)果

3.4 橫向聯(lián)系標(biāo)定分析

本次標(biāo)定分析共設(shè)置6個(gè)有限元橫向聯(lián)系模擬模式，以全面考慮可能出現(xiàn)的各種連接情況，通過調(diào)整有限元模型中鉸縫和橫隔板的連接參數(shù)，得出與實(shí)際橫向聯(lián)系趨勢最相符的情況。表2為有限元模型中T梁橫向聯(lián)系的各參數(shù)設(shè)置說明。表2中的“嚴(yán)重?fù)p傷鉸縫”指3#鉸縫(3#梁與4#梁間鉸縫)和5#鉸縫(5#梁與6#梁間鉸縫)；“鋼板脫焊橫隔板”也是對應(yīng)這兩道鉸縫的橫隔板，其余脫焊的橫隔板較少且零星分布于不同鉸縫下，對橫向力分配影響較小，未在模型中考慮。

表2 有限元模型橫向聯(lián)系模擬模式說明

在有限元模型中分別計(jì)算模式1～6時(shí)正載和偏載工況下的T梁跨中截面撓度，計(jì)算撓度與實(shí)測撓度結(jié)果見表3和表4；在圖3中將計(jì)算和實(shí)測撓度沿橋梁橫向繪制成曲線，以觀察計(jì)算與實(shí)測趨勢的吻合程度。偏載工況均按偏右計(jì)算，為便于與偏左側(cè)工況比較，圖3(b)將工況3時(shí)的T梁橫向位置反轉(zhuǎn)。分析表3、表4和圖3數(shù)據(jù)及圖形后可得出以下結(jié)論：

圖3 各工況下T梁撓度橫向分布對比圖

表3 正載工況時(shí)T梁實(shí)測撓度和計(jì)算撓度結(jié)果

表4 偏載工況時(shí)T梁實(shí)測撓度和計(jì)算撓度結(jié)果

1)模式1將所有T梁鉸縫和橫隔板均按剛性連接模擬，模式2與1的區(qū)別在于模式2中鉸縫按鉸接模擬。兩種模式下正載和偏載的計(jì)算結(jié)果均很接近，說明T梁間的接縫厚度偏薄，傳遞的剪力可忽略，將其視為鉸縫是合理的。橫隔板在橫向聯(lián)系中的貢獻(xiàn)較大，在保證其剛性連接情況下，無論T梁接縫按鉸接還是剛接模擬，撓度分布曲線均較均勻，且偏載時(shí)基本呈線性。

2)因橫隔板僅在下部采用鋼板連接，模式3較模式2進(jìn)一步釋放了T梁間橫隔板處約束，按鉸接模擬。模式3時(shí)各梁間撓度均勻性略有降低，偏載時(shí)線性程度下降，但整體不明顯，表明原有橫隔板尺寸偏小，梁間傳遞剪力的能力有限。

3)模式4在模式3基礎(chǔ)上繼續(xù)釋放橫隔板間扭轉(zhuǎn)約束，認(rèn)為橫隔板的鋼板連接均不可靠，完全不考慮橫隔板對橫向聯(lián)系的貢獻(xiàn)。在此模式下，正載時(shí)撓度分布曲線走勢明顯較模式1～3不同，邊梁和次邊梁撓度減小，剩余4片中梁在試驗(yàn)荷載作用下?lián)隙让黠@增大且撓度值接近；偏載時(shí)，T梁撓度在偏載側(cè)和非偏載側(cè)分別較模式3時(shí)增大和減少明顯，最大撓度點(diǎn)增幅31%，反彎點(diǎn)出現(xiàn)在橋梁橫向中點(diǎn)附近。顯然，在完全忽略橫隔板作用僅靠T梁間鉸縫分配荷載后，造成T梁內(nèi)力分布嚴(yán)重不均勻，橫隔板失效對T梁受力分配影響顯著。

4)模式5是該橋根據(jù)外觀檢查結(jié)果推測的橫向連接最不利情況，除不計(jì)入橫隔板作用外，另將鉸縫破損嚴(yán)重的3#和5#鉸縫處約束全部解除，此時(shí)正載和偏載時(shí)的撓度橫向分布曲線與模式4形狀相似，但不均勻性加劇，較模式4的最大撓度點(diǎn)增幅10%。

5)模式6按鉸接模擬T梁間鉸縫和橫隔板連接，且不考慮3#和5#鉸縫處的鉸縫及橫隔板連接作用，此模式下的撓度計(jì)算結(jié)果介于模式3與4之間，與模式3較接近。

6)對比各模式下的計(jì)算撓度分布曲線與各工況實(shí)測曲線發(fā)現(xiàn)，正載時(shí)，1#跨實(shí)測曲線與模式3曲線較吻合，但實(shí)測曲線下凹更明顯，說明實(shí)際連接較模式3弱；3#跨實(shí)測撓度與模式6計(jì)算結(jié)果很接近，趨勢基本一致。偏載時(shí)，1#跨和3#跨實(shí)測曲線與模式6曲線形狀和結(jié)果均很接近，尤其是工況3和5與模式6幾乎重合。綜合對正載和偏載數(shù)據(jù)的分析，認(rèn)為當(dāng)T梁橫向聯(lián)系未發(fā)生明顯損傷時(shí)應(yīng)采用模式3模擬，該橋橫向聯(lián)系發(fā)生損傷后的實(shí)際狀況與模式6契合程度最好，模式6有效反映了該橋T梁鉸縫和橫隔板的內(nèi)力傳遞能力，體現(xiàn)了橫向聯(lián)系嚴(yán)重?fù)p傷后對結(jié)構(gòu)的影響程度。

4 橋梁安全性分析

本文根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]理論采用直接概率分析法計(jì)算橋梁的可靠指標(biāo)，通過與目標(biāo)可靠指標(biāo)的比較實(shí)現(xiàn)對橋梁安全性的精確評估，并量化分析橫向聯(lián)系強(qiáng)弱對結(jié)構(gòu)可靠性的影響?？煽慷确治鰰r(shí)所用的基本隨機(jī)變量包括抗力R、恒載效應(yīng)SG和汽車荷載效應(yīng)SQ，相應(yīng)的概率分布及統(tǒng)計(jì)參數(shù)按文獻(xiàn)[9]確定，具體見表5，其中汽車荷載效應(yīng)僅考慮密集運(yùn)行狀態(tài)。表5中kR、kSG、kSQ分別為受彎構(gòu)件R、SG和SQ的平均值與標(biāo)準(zhǔn)值的比值，δR、δSG、δSQ分別為受彎構(gòu)件R、SG和SQ的變異系數(shù)。

各隨機(jī)變量平均值和標(biāo)準(zhǔn)差按標(biāo)準(zhǔn)值與表5參數(shù)關(guān)系計(jì)算，具體如下：

表5 隨機(jī)變量R、SG和SQ概率分布及統(tǒng)計(jì)參數(shù)

(1)

式中Rk、μR、σR分別為抗力的標(biāo)準(zhǔn)值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；SGk、μSG、σSG分別為恒載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；SQk、μSQ和σSQ分別為汽車荷載效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值、平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

為體現(xiàn)既有橋梁抗力的衰減，按文獻(xiàn)[10]方法引入抗力綜合影響系數(shù)ω。此時(shí)原抗力R用修正抗力R′代替，概率分布類型未改變，兩者統(tǒng)計(jì)參數(shù)關(guān)系如下：

μR′=ωμR，σR′=ωμRδR

(2)

式中μR′、σR′分別為修正抗力R′的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

表6列出了不同橫向聯(lián)系模擬模型下各控制梁的計(jì)算撓度，由實(shí)測撓度除以計(jì)算撓度后得到η，再根據(jù)η由JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》查取Z2作為抗力綜合影響系數(shù)ω；為按式(1)計(jì)算抗力R、恒載效應(yīng)SG和汽車荷載效應(yīng)SQ的統(tǒng)計(jì)參數(shù)，在表6中還列出各隨機(jī)變量的標(biāo)準(zhǔn)值。為方便比較，表6中邊梁和中梁的實(shí)測撓度均取3#跨偏載工況時(shí)的實(shí)測數(shù)據(jù)。由表6可知不同模式對恒載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值SGk影響較小，但汽車荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)SQk波動較大，尤其在模式5時(shí)，邊梁效應(yīng)較其他模式平均值約減小75%，中梁約增大30%。

表6 不同橫向聯(lián)系模擬模型下抗力綜合影響系數(shù)及各隨機(jī)變量的標(biāo)準(zhǔn)值

因修正抗力R′和汽車荷載效應(yīng)SQ分別服從對數(shù)正態(tài)和極值I型分布，采用“JC法”(即改進(jìn)一次二階矩法)[9]在Matlab軟件中編制數(shù)值計(jì)算程序，將非正態(tài)變量當(dāng)量正態(tài)化后計(jì)算出可靠指標(biāo)β。表7為β計(jì)算過程的參數(shù)及結(jié)果。該橋以模式6的計(jì)算結(jié)果評價(jià)結(jié)構(gòu)安全性，此時(shí)邊梁和中梁可靠指標(biāo)β分別為2.79和2.63，均未達(dá)到JTG 2120—2020《公路工程結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》要求的目標(biāo)可靠指標(biāo)4.2，因此不滿足承載力要求。從表7可見不同模式時(shí)β的計(jì)算結(jié)果差異顯著，模式1～5與模式6的邊梁和中梁偏差范圍分別為0.34～2.11和2.19～-0.77，其中模式3與模式6最接近，但邊梁和中梁β仍相差一級和半級[11]。由于荷載橫向分配規(guī)律與實(shí)際不符，造成η、Z2、ω、SGK和SQK取值偏差大，甚至控制梁片錯誤，可靠指標(biāo)計(jì)算結(jié)果失控，不能正確評估結(jié)構(gòu)可靠性，因此對橫向聯(lián)系損傷嚴(yán)重的橋梁應(yīng)進(jìn)行有限元模型標(biāo)定后再進(jìn)行安全評估。

表7 不同橫向聯(lián)系模擬模型下的統(tǒng)計(jì)參數(shù)和可靠指標(biāo)

5 結(jié) 論

本文對一座既有鋼筋混凝土裝配式T梁橋進(jìn)行病害成因分析，由橫向聯(lián)系的損傷情況擬定針對性的荷載試驗(yàn)工況，通過結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)時(shí)的響應(yīng)，標(biāo)定有限元模型中的橫向聯(lián)系模擬方式，并采用可靠度理論分析不同模式對承載能力評估的影響，得出以下結(jié)論：

1)裝配式梁橋橫向聯(lián)系的損傷使各主梁內(nèi)力發(fā)生改變，以荷載試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果標(biāo)定有限元模型可保證模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)受力的一致性；采用直接概率分析法可直接計(jì)算出可靠指標(biāo)，通過與目標(biāo)可靠指標(biāo)比較評判結(jié)構(gòu)安全性。因此，綜合荷載試驗(yàn)和可靠度理論的橋梁安全評估方法可有效減少對結(jié)構(gòu)承載能力的錯判或誤判，保障橋梁正常管養(yǎng)和運(yùn)營。

2)傳統(tǒng)的橫向分布系數(shù)法需要通過修正方式考慮損傷對荷載橫向分配的影響，而“梁格法”模型中已建立橫向連接構(gòu)件單元，傳力方式模擬直接、明確，可作為橫向聯(lián)系損傷的裝配式梁橋建模方法。

3)撓度橫向分布圖表明，采用鋼板式接頭的T梁橫隔板裝配式梁橋橫隔板傳遞剪力能力較弱，在有限元模型中應(yīng)按鉸接模擬，當(dāng)鋼板脫焊后不再考慮連接作用。

4)鑒于橫向聯(lián)系的強(qiáng)弱對舊式裝配鋼混凝土T梁橋主梁內(nèi)力影響明顯，在對該類橋進(jìn)行加固時(shí)除需考慮提高主梁承載能力外，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)橫向聯(lián)系，提高主梁協(xié)同工作能力。加固措施包括將橫隔板干接改為濕接、增加鉸縫連接鋼筋、增設(shè)橋面鋪裝鋼筋網(wǎng)等。