基于實(shí)例溢洪道交通橋結(jié)構(gòu)安全綜合評(píng)價(jià)分析

陳盛輝，胡堯峰，鄭漢種

(1.縉云縣水利局，浙江 縉云 321400；2.西華大學(xué)，四川 成都 610039；3.浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020)

0 引言

溢洪道交通橋在日常的巡查監(jiān)測(cè)和防汛工作中均起到了重要的作用，也可以作為交通道路通行車輛，是保證交通安全和水庫安全運(yùn)行的重要結(jié)構(gòu)[1]；陸揚(yáng)[2]認(rèn)為對(duì)橋車輛限速限載，可提高交通橋運(yùn)行的安全性；王飛等[3]就水閘中工作橋兼做交通橋的工程為例，給出其安全評(píng)價(jià)的方法，并給出如何計(jì)算分析其在不同工況下的內(nèi)力和構(gòu)件強(qiáng)度，分析了該工作橋的安全現(xiàn)狀；陳浩帆[4]通過ABAQUS軟件對(duì)石門水庫壩頂交通橋進(jìn)行靜動(dòng)力分析。本工程溢洪道交通橋作為水庫樞紐的重要結(jié)構(gòu)，其運(yùn)行多年后結(jié)構(gòu)老化、失穩(wěn)破壞，輕則影響過往車輛的人身安全，重則可影響水庫大壩安全，因此對(duì)交通橋結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)有著積極的意義。

1 交通橋結(jié)構(gòu)概況

該溢洪道交通橋采用三肋帶橫拉桿拱架形式。主拱圈凈跨L=22.85 m，凈矢高f=3.81 m，矢跨比f/L=1/6。橋全長25.5 m，橋面寬4.5 m，橋兩側(cè)均設(shè)置防護(hù)欄桿，欄桿高1 m，但經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)，實(shí)際與原設(shè)計(jì)局部有些差別，交通橋現(xiàn)場(chǎng)見圖1，因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，繪制交通橋平面圖，如圖2所示。其中本橋荷載標(biāo)準(zhǔn)為舊汽-6設(shè)計(jì)，最大荷載重量為60 kN，材料為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土材料全部采用C20。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查及檢測(cè)：主拱梁有多處裂縫及混凝土脫落現(xiàn)象，并有多處縱筋及箍筋露筋現(xiàn)象，未見貫穿性裂縫；拉桿多處表面混凝土脫落、裂縫等現(xiàn)象，1處貫穿性縱向裂縫。右側(cè)橋頭護(hù)欄柱子被撞斷；橋面板基本完整，混凝土強(qiáng)度推定值滿足原設(shè)計(jì)強(qiáng)度，橋梁架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度經(jīng)監(jiān)測(cè)滿足原設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求，但所檢受力構(gòu)件混凝土碳化深度值均在2 cm以上，碳化深度較深。

2 拱圈內(nèi)力計(jì)算

根據(jù)原設(shè)計(jì)圖紙，主拱圈伸入橋墩0.2 m，錨固長度較小，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)橋梁情況并考慮橋梁多年運(yùn)行情況，本次主拱圈驗(yàn)算按等截面圓弧雙鉸拱計(jì)算[5]。主拱圈截面尺寸按0.2 m×0.3 m計(jì)算；立柱截面尺寸按0.2 m×0.3 m計(jì)算；橫系梁截面尺寸按0.15 m×0.2 m計(jì)算；主拱圈及副拱上部橋面梁板按填厚0.5 m，r=20 kN/m3計(jì)算；跨中部分拱圈與橋面板之間填筑按三角形梁荷載考慮，寬度同拱圈寬0.2 m，最高處按0.5 m考慮。

本工程橋面寬4.5 m，橫向布置3個(gè)主拱圈，本次取中間跨主拱圈計(jì)算，計(jì)算寬度取2.25 m。集中力P的計(jì)算跨度、立柱計(jì)算高度見圖3。

參考JTG D60—2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范及國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)[6]，按路面上車輛所占的寬度，把車輛荷載換算成條狀均布土層，其厚度h0為：

(1)

2.1 計(jì)算工況

本次結(jié)構(gòu)計(jì)算采用以下三種工況：

工況一：不考慮橋面車輛荷載，考慮橋面行人荷載2.5 kN/m2；

工況二：考慮橋面5 t車輛荷載；

工況三：考慮橋面10 t車輛荷載。

2.2 內(nèi)力計(jì)算

交通橋主拱圈承受荷載主要有均布永久荷載(主拱圈自重、欄桿自重、橋板自重、橫系梁自重、腹拱自重)，均布可變荷載(人群荷載、車載)等。其中5 t汽車Q=50 kN，車帶長L=4.2 m，車帶寬b=2.6 m，則Q5 t汽車=50/(4.2×2.6)=4.58 kN/m2，對(duì)應(yīng)Q10 t汽車=9.16 kN/m2。

根據(jù)不同工況下計(jì)算拱圈的內(nèi)力，計(jì)算得拱圈的內(nèi)力如表1所示。

表1 交通橋拱圈內(nèi)力計(jì)算成果

根據(jù)得到的內(nèi)力計(jì)算相應(yīng)的壓應(yīng)力，見表2。

表2 交通橋拱圈壓應(yīng)力計(jì)算成果

通過計(jì)算得到：隨著荷載的增加，拱頂位置受荷載影響最大，本橋梁在僅考慮人群活載2.5 kN/m2且未考慮風(fēng)荷載作用下主拱圈應(yīng)力偏大，超出C20混凝土強(qiáng)度，已不滿足現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，建議對(duì)本橋進(jìn)行加固處理。

3 數(shù)值模擬

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙與現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)情況，數(shù)值模型共劃分97 252個(gè)三維實(shí)體單元和27 999個(gè)節(jié)點(diǎn)，交通橋數(shù)值分析模型如圖4所示。

3.1 本構(gòu)模型

該交通橋主要為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土有限元模型根據(jù)鋼筋的處理方式分為三種，即分離式、整體式和組合式。

當(dāng)不考慮混凝土和鋼筋二者之間的滑移時(shí)，三種模型都可以，本次模擬采用整體式模型。本次計(jì)算主要是查看交通橋各部件受力情況，因此計(jì)算過程中選用各向同性彈性模型來對(duì)結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

3.2 材料屬性

考慮到實(shí)際現(xiàn)役橋梁已經(jīng)營運(yùn)20多年，模型的材料性質(zhì)一方面參考原設(shè)計(jì)，另一方面還要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況進(jìn)行修正，主拱圈由拱肋、橋板、拱波以及橫拉桿組合而成，均選用均質(zhì)材料，材料的各個(gè)參數(shù)如下：

混凝土材料彈性模量E=2.8×104MPa，泊松比μ=16，容重γ=23 kN/m3。

3.3 工況和邊界條件

為了能反映交通橋正常運(yùn)行狀況，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)交通橋的裂縫等問題，分兩種工況進(jìn)行模擬，以交通橋行走2 t車輛荷載至橋中央為工況一，以交通橋行走5 t車輛荷載至橋中央為工況二[7]。邊界條件：數(shù)值模擬時(shí)，岸坡處及支墩底部假定為固端約束。

3.4 計(jì)算結(jié)果

3.4.1 應(yīng)力分析

兩種工況下的最大主應(yīng)力云圖見圖5，最小主應(yīng)力云圖見圖6。

從圖5，圖6中可以看出：

1)大部分結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力基本表現(xiàn)為壓應(yīng)力，局部表現(xiàn)為拉應(yīng)力，主要出現(xiàn)在兩側(cè)拱圈和橋板中間位置；主拱圈兩側(cè)的拉應(yīng)力較大，在工況一運(yùn)行條件下拉應(yīng)力最大值為20.4 MPa，而工況二拉應(yīng)力最大值達(dá)到29.3 MPa；壓應(yīng)力值均不大，最大值出現(xiàn)在拱腳位置。

2)最小主應(yīng)力分布趨勢(shì)與最大主應(yīng)力分布趨勢(shì)相反，整體模型中絕大部分表現(xiàn)為拉應(yīng)力，局部表現(xiàn)為壓應(yīng)力，壓應(yīng)力主要集中拱頂和拱頂上部橋板位置，且在拱頂位置的壓應(yīng)力最大，工況一運(yùn)行條件下的值達(dá)到13.0 MPa，而工況二下的壓應(yīng)力值達(dá)到18.3 MPa。

3)不同工況下，拱圈位置受到的影響最大，拱圈兩側(cè)位置為拉應(yīng)力，拱頂位置為壓應(yīng)力。

3.4.2 位移分析

模型總位移云圖如圖7所示，X向位移云圖如圖8所示，Y向位移云圖如圖9所示，Z向位移云圖如圖10所示。

1)從位移云圖中可以看出，模型位移分布集中在交通橋中部，其他位置位移值均較??；在工況一下拱頂位移表現(xiàn)最大為1.2 cm，而工況二下位移最大為1.8 cm，很明顯在5 t車載作用下，交通橋已經(jīng)產(chǎn)生過大變形。

2)X向位移分布集中在兩側(cè)主拱圈和腹拱位置，左側(cè)位置向左方向變形，右側(cè)位置向右方向變形。Y向位移較小，位移值在0 mm～0.2 mm之間，位移分布集中在主拱圈位置。

3)從位移云圖中可以看出，兩種工況下模型Z向的位移分布規(guī)律和總位移規(guī)律相似，Z向最大位移出現(xiàn)的位置、大小和總位移相等，說明此處主要發(fā)生的是沉降位移，X向、Y向的位移很小，這從X向、Y向位移云圖中得到證實(shí)。

4)工況一模型主要部位的Z向位移值在0 mm～12 mm之間，而X向位移值在0 mm～1.8 mm之間，Y向的位移值在0 mm～0.2 mm之間。Z向的位移值比X向、Y向的位移值大了一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，這同樣較好的說明了從總位移云圖中表現(xiàn)為沉降位移所控制這一規(guī)律。

5)而工況二下的模型主要部位的Z向位移值在0 mm～18 mm之間，而X向位移值在0 mm～2.5 mm之間，Y向的位移值在0 mm～0.3 mm之間，相比工況一下的，承受較大車載下，豎向位移有較大程度的增大。

4 結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、數(shù)值模擬應(yīng)變結(jié)果分析，交通橋質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)論如下：

1)交通橋外觀質(zhì)量較差，存在多處開裂、混凝土脫落、露筋等現(xiàn)象，并且橫向拉桿存在一處貫穿性裂縫。

2)兩端拱腳應(yīng)變變化規(guī)律基本一致；在小型車載作用下拱頂應(yīng)變最大值為1.2 cm左右，而在中型車載作用下，拱頂應(yīng)變達(dá)到1.76 cm。

3)本橋梁在僅考慮人群活載2.5 kN/m2且未考慮風(fēng)荷載作用下主拱圈應(yīng)力偏大，已不滿足現(xiàn)行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范要求。綜合現(xiàn)場(chǎng)檢查檢測(cè)結(jié)果，溢洪道交通橋外觀質(zhì)量較差，承載能力不足，且已出現(xiàn)較大裂縫，存在較大的安全隱患，建議對(duì)本橋進(jìn)行限載2 t，并進(jìn)行維修加固。