基于檢測(cè)試驗(yàn)與數(shù)值模擬的分離式小箱梁橋損傷評(píng)估

趙鵬鵬

（武漢工程大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430073）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)交通線路的快速建設(shè)，橋梁數(shù)量也大幅增長(zhǎng)。截至2020 年年末全國(guó)公路橋梁91.28 萬(wàn)座、6628.55 萬(wàn)延米[1]。在眾多橋梁中，小箱梁橋憑借其自身建筑高度低、抗扭剛度大及經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢(shì)而被廣泛采用[2]。但是，部分分離式小箱梁橋建設(shè)期間由于設(shè)計(jì)缺陷、原材料不合格及施工工藝差等原因，導(dǎo)致梁體出現(xiàn)混凝土強(qiáng)度偏低、梁體開(kāi)裂、跨中下?lián)霞邦A(yù)應(yīng)力損失過(guò)大等病害[3]。這些病害（特別是預(yù)應(yīng)力損失）不僅會(huì)降低橋梁的承載能力，還將影響橋梁的運(yùn)營(yíng)安全，亟需進(jìn)行橋梁加固處置。而加固前，需開(kāi)展橋梁的損傷模擬，分析梁體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，以提高工程的準(zhǔn)確性和高效性[4]。

本文以一座分離式小箱梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，分析現(xiàn)有病害對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響，通過(guò)荷載試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)承載能力，并判斷預(yù)應(yīng)力損失狀況。采用Midas Civil有限元軟件進(jìn)行損傷模擬分析，以便從理論上佐證荷載試驗(yàn)成果，并為后期的體內(nèi)預(yù)應(yīng)力加固方案提供理論依據(jù)。

1 工程概況

本次加固的橋梁位于城市新區(qū)的某高速公路進(jìn)出口匝道，本文僅研究H匝道第1聯(lián)。結(jié)構(gòu)形式為30m跨分離式小箱梁。交工前，梁體跨中底板存在橫向裂縫，但因其并未橫向貫穿，所以不能判斷其是否為結(jié)構(gòu)性裂縫，是否直接影響橋梁的承載力。這需要科學(xué)的損傷評(píng)估來(lái)指導(dǎo)對(duì)該橫向裂縫的處置工作。

2 小箱梁外觀檢測(cè)與荷載試驗(yàn)的結(jié)果及分析

2.1 外觀檢測(cè)結(jié)果

通過(guò)外觀檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)小箱梁存在主梁橫向裂縫、縱向裂縫以及混凝土強(qiáng)度缺陷三種病害。

（1）主梁橫向裂縫。檢測(cè)發(fā)現(xiàn)小箱梁底板跨中正彎矩區(qū)域存在3條橫向裂縫，裂縫總長(zhǎng)為48cm，裂縫寬為0.02mm，且代表性橫向裂縫深度為17mm。裂縫雖處于跨中底板，但并未橫向貫穿。其是否為結(jié)構(gòu)性裂縫，有待荷載試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。

（2）主梁縱向裂縫。小箱梁底板共存在17 條縱向裂縫，裂縫總長(zhǎng)為3760cm，裂縫寬為0.02~0.12mm，且代表性縱向裂縫深度為20mm。裂縫病害主要位于小箱梁的第一跨與第二跨，分布在箱梁底板跨中截面至3/4截面的位置，以及靠近支點(diǎn)截面的底板區(qū)域。

（3）主梁混凝土強(qiáng)度缺陷。采用回彈法對(duì)主梁構(gòu)件進(jìn)行檢測(cè)，由檢測(cè)結(jié)果可知：H1聯(lián)共12片小箱梁，其中6 片梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)不合格，強(qiáng)度范圍在41.7~49.4MPa間。

2.2 荷載試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)小箱梁進(jìn)行荷載試驗(yàn)，綜合試驗(yàn)成果和裂縫監(jiān)測(cè)可知，測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)在0.57~1.30 之間，超出了《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）的允許范圍0.85~1.05。且在加載情況下，主梁跨中底板處的三條橫向裂縫的寬度均擴(kuò)展了0.02mm，表明橫向裂縫為結(jié)構(gòu)性裂縫。綜上所述，該分離式小箱梁橋的承載能力不滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 承載能力不足的原因分析

2.3.1 裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響

非結(jié)構(gòu)性裂縫會(huì)影響梁體結(jié)構(gòu)的耐久性，主要影響包括滲透和腐蝕[5]。水分滲入裂縫造成滲透侵害，在水分侵蝕及外部荷載的作用下，造成混凝土結(jié)構(gòu)損傷。水分與裸露的鋼筋直接接觸形成腐蝕侵害，影響橋梁承載力。

而對(duì)于結(jié)構(gòu)性裂縫，除了上述影響外還會(huì)削弱結(jié)構(gòu)豎向剛度，進(jìn)而影響構(gòu)件的承載力。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，當(dāng)構(gòu)件截面產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性裂縫時(shí)，截面的有效工作高度會(huì)降低，導(dǎo)致構(gòu)件正截面的抗彎承載能力降低，從而影響梁體構(gòu)件的承載力。

2.3.2 混凝土強(qiáng)度對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響

為滿足橋梁所擔(dān)負(fù)的眾多荷載，混凝土強(qiáng)度必須滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求。當(dāng)構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度不足時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度值將會(huì)變小，從而降低梁體承載力。

2.3.3 預(yù)應(yīng)力損失對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響

混凝土強(qiáng)度略低和裂縫導(dǎo)致的截面高度微小削減對(duì)承載力的影響較小，根據(jù)主梁底板橫向裂縫的寬度在荷載試驗(yàn)中有所擴(kuò)展，推測(cè)主梁預(yù)應(yīng)力存在一定損失。而當(dāng)預(yù)應(yīng)力發(fā)生損失時(shí)，縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值將會(huì)變小，進(jìn)而降低梁體承載力。

2.4 預(yù)應(yīng)力損失的原因分析

鋼束與管道的磨阻影響、鋼束應(yīng)力松弛及混凝土收縮徐變等均會(huì)導(dǎo)致主梁應(yīng)力減小[6]，是屬于規(guī)范所允許的正常損失。而預(yù)應(yīng)力損失過(guò)大一般由管道壓漿不密實(shí)[7]、錨具不合格及鋼束超前張拉等施工不規(guī)范引起。經(jīng)文獻(xiàn)查閱及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知，預(yù)應(yīng)力管道灌漿密實(shí)度、錨具及夾片均滿足規(guī)范要求。但該橋僅在澆筑5d（正常7d）后即開(kāi)始預(yù)應(yīng)力的張拉工作。因此，超前張拉是小箱梁橋預(yù)應(yīng)力損失的關(guān)鍵原因。

3 小箱梁損傷數(shù)值模型建立與內(nèi)力分析

3.1 各種缺陷的模擬方法

3.1.1 主梁裂縫的模擬方法

箱梁底板存在3 條橫向裂縫和17 條縱向裂縫病害，且代表性裂縫深度在17~20mm 之間。裂縫病害將可能引起梁體混凝土有效截面減小，進(jìn)而導(dǎo)致梁體剛度受損。針對(duì)該類病害情況，通過(guò)減小梁底保護(hù)層厚度20mm來(lái)模擬梁體豎向剛度的折減。

3.1.2 混凝土強(qiáng)度缺陷的模擬方法

本次檢測(cè)共12 片梁，其中6 片梁的混凝土強(qiáng)度最小值為41.7MPa，最大值為49.4MPa，均不滿足設(shè)計(jì)要求。為此，本模擬階段中小箱梁采用C45 混凝土，模擬混凝土強(qiáng)度不足。

3.1.3 預(yù)應(yīng)力損失的模擬方法

對(duì)于直接檢測(cè)現(xiàn)有橋梁的預(yù)應(yīng)力損失情況，目前在世界范圍內(nèi)還沒(méi)有有效的方法，只能通過(guò)試算的辦法進(jìn)行損失檢驗(yàn)。因此，本模擬階段通過(guò)分別降低10%、20%、30%及40%的預(yù)應(yīng)力張拉控制應(yīng)力，進(jìn)行鋼束預(yù)應(yīng)力損失的模擬分析。

3.2 損傷模型建立與參數(shù)選取

3.2.1 損傷程度量化模擬

為高度還原現(xiàn)有病害對(duì)梁體結(jié)構(gòu)的損傷情況，準(zhǔn)確模擬該分離式小箱梁橋真實(shí)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，如表1 所示，在原橋理想狀態(tài)（GK-0）的基礎(chǔ)上開(kāi)展其余工況的損傷模擬。

表1 分離式小箱梁損傷模擬工況

3.2.2 損傷模型的建立

采用Midas Civil 2021有限元進(jìn)行損傷模擬分析，以GK-0為基礎(chǔ)進(jìn)行建模。如圖1所示，結(jié)構(gòu)形式為3×30m（先簡(jiǎn)支后連續(xù)），全橋共劃分為354個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)、514個(gè)單元數(shù)及4 個(gè)邊界條件。有限元計(jì)算模型中的主要材料參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 分離式小箱梁橋有限元模型圖

表2 主要材料參數(shù)表

在有限元計(jì)算模型中，其計(jì)算參數(shù)主要參考如下：

（1）設(shè)計(jì)荷載：公路-Ⅰ級(jí)；

（2）二期恒載：49.75kN/m3；

（3）預(yù)應(yīng)力鋼束：預(yù)應(yīng)力筋與管道摩擦系數(shù)μ=0.2；管道偏差的摩擦影響系數(shù)k=0.0015；

（4）不均勻沉降：最大沉降量按-5.0mm取值；

（5）收縮徐變時(shí)間：3650d；

（6）溫度：溫度梯度按《公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D60-2015）進(jìn)行取值。

3.2.3 橋梁損傷模型的確定

經(jīng)對(duì)比分析，在GK-3（4）作用下，底板下緣的混凝土失效20mm、混凝土強(qiáng)度采用C45 及預(yù)應(yīng)力損失40%時(shí)，梁體構(gòu)件的正截面和斜截面拉應(yīng)力均超出規(guī)范要求，導(dǎo)致?lián)p失模擬的承載能力不滿足設(shè)計(jì)要求。該模擬工況下的梁底跨中將產(chǎn)生橫向裂縫，表明該工況比較符合梁體實(shí)際情況。因此，確定GK-3（4）為該小箱梁的損傷模型。

3.3 損傷模型內(nèi)力分析

3.3.1 持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

在正截面抗彎驗(yàn)算中，主梁跨中最大正彎矩8390kN·m，小于結(jié)構(gòu)抗力9003kN·m；中支點(diǎn)最大負(fù)彎矩5979kN·m，也小于結(jié)構(gòu)抗力7822kN·m。且在斜截面抗剪驗(yàn)算中，構(gòu)件最大剪力1836kN，小于結(jié)構(gòu)抗力2975kN。綜上所述，主梁承載能力驗(yàn)算滿足設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)算包絡(luò)圖如圖2~圖3所示。

圖2 使用階段正截面抗彎驗(yàn)算包絡(luò)圖

圖3 使用階段斜截面抗剪驗(yàn)算包絡(luò)圖

3.3.2 持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

在正截面抗裂驗(yàn)算中，短期組合下截面的上下緣拉應(yīng)力分別為2.751MPa 和3.144MPa，均超出限值1.757MPa。長(zhǎng)期組合下截面的上下緣均為壓應(yīng)力。且在斜截面抗裂驗(yàn)算中，短期組合下截面的拉應(yīng)力為3.147MPa，同樣大于限值1.757MPa。綜上所述，主梁截面抗裂驗(yàn)算不滿足設(shè)計(jì)要求。驗(yàn)算包絡(luò)圖如圖4~圖6所示。

圖4 使用階段正截面抗裂驗(yàn)算短期包絡(luò)圖

圖5 使用階段正截面抗裂驗(yàn)算長(zhǎng)期包絡(luò)圖

圖6 使用階段斜截面抗裂驗(yàn)算包絡(luò)圖

3.3.3 持久狀況應(yīng)力驗(yàn)算

在正截面的應(yīng)力驗(yàn)算中，標(biāo)準(zhǔn)組合下正截面的上下緣壓應(yīng)力分別為11.333MPa 和10.291MPa，均小于限值14.800MPa。且在斜截面應(yīng)力驗(yàn)算中，斜截面的主壓應(yīng)力為11.335MPa，同樣小于限值17.760MPa。綜上所述，主梁壓應(yīng)力驗(yàn)算滿足設(shè)計(jì)要求。其驗(yàn)算包絡(luò)圖如圖7~圖9所示。

圖7 使用階段正截面壓應(yīng)力驗(yàn)算上緣包絡(luò)圖

圖8 使用階段正截面壓應(yīng)力驗(yàn)算下緣包絡(luò)圖

圖9 使用階段斜截面主壓應(yīng)力包絡(luò)圖

3.3.4 計(jì)算成果總結(jié)

對(duì)所確定的損傷模型GK-3（4）進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力驗(yàn)算，結(jié)果顯示，在正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算環(huán)節(jié)，構(gòu)件的正截面和斜截面抗裂驗(yàn)算結(jié)果均大于其限值。因此，判定該損傷模型現(xiàn)有承載力不滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)研究得到以下認(rèn)識(shí)：

（1）通過(guò)橋梁外觀檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)小箱梁橋的底板存在橫向裂縫、縱向裂縫及混凝土強(qiáng)度不足等病害。根據(jù)荷載試驗(yàn)成果，推斷箱梁底板處的橫向裂縫為結(jié)構(gòu)性裂縫，綜合判斷小箱梁承載能力不滿足設(shè)計(jì)要求。分析了梁體現(xiàn)有病害對(duì)結(jié)構(gòu)承載力的影響，確認(rèn)了預(yù)應(yīng)力損失是承載能力不足的關(guān)鍵因素，并分析了預(yù)應(yīng)力損失的主要原因?yàn)槌皬埨?/p>

（2）開(kāi)展了小箱梁橋的損傷模擬，量化混凝土裂縫缺陷和強(qiáng)度缺陷，并分階段進(jìn)行預(yù)應(yīng)力試算，確定了損傷模型GK-3（4）為最接近主梁實(shí)際狀況的模型（有效截面高度折減20mm、混凝土強(qiáng)度采用C45 及預(yù)應(yīng)力損失40%），為后期體內(nèi)預(yù)應(yīng)力加固方案提供了理論依據(jù)。