基于Midas Civil的橋梁承載力檢算分析

唐穎林,湯 維

(北京九通衢檢測技術(shù)股份有限公司河北分公司 石家莊市 050000)

1 工程概況

某橋為一座南北走向的十七跨先簡支后連續(xù)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁橋,全橋共分4聯(lián),全長530.6m,跨徑組合為2.0m×(30.0m+40.0m+30.0m)+6.0m×30.0m+5.0m×30.0m,由北向南。橋面總寬為25.0m,橋?qū)挷贾萌缦?0.25m欄桿基座+1.75m人行道+21.0m車行道+1.75m人行道+0.25m欄桿基座。0#臺、3#墩、6#墩、12#墩、17#臺位置橋面設(shè)有型鋼伸縮縫裝置。該橋正立面及結(jié)構(gòu)見圖1和圖2。

圖1 橋梁正面

圖2 橋梁立面

2 檢算參數(shù)取值

橋梁承載能力檢算依據(jù)《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 233-2015)[1],選取受力最不利孔跨的最不利梁。結(jié)合外觀檢測及無損檢測結(jié)果,此次橋梁承載能力檢算選取第1聯(lián)邊跨(第1孔)、中跨(第2孔)2#小箱梁。

2.1 結(jié)構(gòu)尺寸

該橋上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁;下部結(jié)構(gòu)橋墩為蓋梁柱式墩,樁基礎(chǔ)。主要構(gòu)件結(jié)構(gòu)尺寸如下:

(1)跨徑:第1聯(lián)(30m+40m+30m)。

(2)橋面布置:0.25m(欄桿)+1.75m(人行道)+21m(行車道)+1.75m(人行道)+0.25m(欄桿)=25m。

(3)預(yù)應(yīng)力混凝土小箱梁尺寸:梁高2.01m,梁底寬1.005m,梁間距3.1m,濕接縫寬0.7m,頂?shù)装寮案拱搴?.18m,翼緣邊厚0.183m,根部厚0.255m。

2.2 技術(shù)標準

檢算荷載:城市-A級。橋梁結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)1.134。

2.3 材料

2.3.1混凝土

根據(jù)回彈結(jié)果,梁體混凝土強度推定值大于C60,考慮混凝土分項系數(shù),模型建立時,設(shè)計抗壓強度取26.5 MPa,抗拉強度取1.96 MPa。

2.3.2鋼筋

普通鋼筋:鋼筋強度采用《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG 3362-2018)[2]中的R235、HRB335鋼筋強度,箍筋設(shè)計強度為195 MPa,主筋取280MPa。

預(yù)應(yīng)力鋼筋:鋼絞線采用φs15.2低松弛鋼絞線,標準強度fpk=1860MPa,彈性模量Ep=1.95×105MPa。

2.4 主要荷載取值

(1)結(jié)構(gòu)自重:主梁、二期鋪裝層及護欄均為混凝土結(jié)構(gòu),重度26kN/m3。

(2)混凝土收縮徐變:按年平均相對濕度70%產(chǎn)生的效應(yīng)考慮。

(3)車輛荷載:城-A級。

(4)整體溫度:根據(jù)規(guī)范考慮橋梁施工,按照升溫25℃,降溫25℃計算。

(5)梯度溫度:根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)[3]計算。該橋的檢算荷載指標見表1。

表1 檢算荷載指標

3 承載能力檢算

根據(jù)《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 233-2015)相關(guān)規(guī)定,此次橋梁承載能力檢算采用《城市橋梁設(shè)計規(guī)范(2019年版)》(CJJ 11-2011)[4]中的城-A級荷載標準計算作用效應(yīng)值。首先按照設(shè)計規(guī)范對原橋結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)驗算,然后引入材料性能分項系數(shù),損傷、鋼筋銹蝕、約束條件變異等不利影響值以及結(jié)構(gòu)截面實測值進行實際承載力檢算[5-6]。橋梁承載能力檢算方法見式1:

γ0S=R(fm,am,fad)

(1)

式1中,γ0為結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù);S為荷載效應(yīng)函數(shù);R(fm,am,fad)為抗力效應(yīng)函數(shù);fm為材料性能實測值,計算抗力時,應(yīng)除以材料性能分項系數(shù);am為構(gòu)件幾何參數(shù)的實測值;fad為損傷、鋼筋銹蝕、約束條件變異等對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響附加值。

3.1 橋梁結(jié)構(gòu)計算模型

該橋理論計算采用Midas Civil 2021計算軟件,按照梁格法建立空間整體模型進行計算分析。檢算模型如圖3～圖5所示。

圖3 計算模型圖(30m+40m+30m)

圖4 主梁橫斷面

圖5 試驗孔控制斷面位置示意圖(單位:cm)

3.2 橋梁原結(jié)構(gòu)驗算

橋梁原結(jié)構(gòu)驗算依據(jù)設(shè)計圖紙進行建模,按照《城市橋梁設(shè)計規(guī)范(2019年版)》(CJJ 11-2011)中的城-A級荷載標準進行設(shè)計荷載效應(yīng)計算。橋梁施工階段荷載、下部結(jié)構(gòu)不均勻沉降取值均參照設(shè)計規(guī)范。選擇第1聯(lián)邊跨(第1孔)、中跨(第2孔)受力最不利2#梁進行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)驗算[7-8]。檢算控制斷面3個,各控制斷面具體位置及說明如下:

(1)J1斷面:第1孔最大正彎矩斷面,距0#橋臺13.13m;

(2)J2斷面:第2孔跨中斷面;

(3)J3斷面:連續(xù)墩1#墩墩頂負彎矩位置。

3.2.1承載能力極限狀態(tài)驗算

按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG 3362-2018)相關(guān)規(guī)定,結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)取1.0。

(1)正截面抗彎承載力極限狀態(tài)檢算

正截面抗彎承載力極限狀態(tài)檢算結(jié)果如表2所示,1-2#梁、2-2#梁最不利彎矩組合效應(yīng)包絡(luò)圖及效應(yīng)值和抗力值見圖6。

表2 正截面抗彎極限承載力檢算表

注:圖中,Mn(max)為結(jié)構(gòu)最大抗力;Mn(min)為結(jié)構(gòu)最小抗力;rMu(max)為設(shè)計荷載下最大效應(yīng);rMu(min)為設(shè)計荷載下最小效應(yīng)。

由表2和圖6可知,該橋第1聯(lián)上部結(jié)構(gòu)在城-A級設(shè)計荷載組合作用下產(chǎn)生的彎矩效應(yīng)包絡(luò)值均小于原設(shè)計結(jié)構(gòu)抗力值。彎矩效應(yīng)組合最大值位于中跨跨中截面,最大值為14119.9 kN·m,對應(yīng)結(jié)構(gòu)抗力為14350.6kN·m,結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.02;彎矩效應(yīng)組合最小值位于墩支點截面,為-8841.6 kN·m,對應(yīng)結(jié)構(gòu)抗力為-11764.7kN·m,結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.33。結(jié)果表明,該橋上部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)抗力滿足城-A級設(shè)計荷載基本組合作用下的效應(yīng)設(shè)計值,且具有一定安全儲備。

綜上所述,該橋上部結(jié)構(gòu)受力最不利1-2#梁、2-2#梁的抗彎承載能力滿足城-A級設(shè)計荷載的使用要求。

(2)斜截面抗剪承載力極限狀態(tài)檢算

斜截面抗剪承載力極限狀態(tài)檢算結(jié)果如表3所示,1-2#梁、2-2#梁最不利彎矩組合效應(yīng)包絡(luò)圖及效應(yīng)值和抗力值如圖7所示。

表3 斜截面抗剪極限承載力檢算表

注:圖中Vn(min)為結(jié)構(gòu)最小抗力;Vn(max)為結(jié)構(gòu)最大抗力;rVd(min)為設(shè)計荷載下最小效應(yīng);rVd(max)為設(shè)計荷載下最大效應(yīng)。

由表3和圖7可知,該橋第1聯(lián)上部結(jié)構(gòu)在城-A級設(shè)計荷載組合作用下產(chǎn)生的剪力效應(yīng)包絡(luò)值遠小于原設(shè)計結(jié)構(gòu)抗力值。剪力效應(yīng)組合極值位于墩支點位置,極值為-2262.3kN,對應(yīng)結(jié)構(gòu)抗力為-4214.5kN,結(jié)構(gòu)安全系數(shù)為1.86。結(jié)果表明,該橋上部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)抗力滿足城-A級設(shè)計荷載基本組合作用下的效應(yīng)設(shè)計值,且安全儲備較大。

故該橋上部結(jié)構(gòu)受力最不利1-2#梁、2-2#梁的抗剪承載能力滿足城-A級設(shè)計荷載等級的使用要求。

3.2.2正常使用極限狀態(tài)檢算

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG 3362-2018)第6.3.3條,在作用(荷載)短期效應(yīng)組合下,A類預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)制構(gòu)件應(yīng)符合σtp≤0.7ftk的要求:其中,σtp為構(gòu)件抗裂驗算截面邊緣混凝土的法向拉應(yīng)力;ftk為混凝土的抗拉強度標準值。

抗裂檢算結(jié)果如表4所示。

表4 抗裂性能檢算結(jié)果表

由表4可知,該橋上部結(jié)構(gòu)在正常使用極限狀態(tài)下,截面邊緣混凝土法向拉應(yīng)力小于混凝土的抗拉強度標準值,表明在正常使用荷載作用下,結(jié)構(gòu)混凝土不會開裂。故該橋上部結(jié)構(gòu)受力最不利1-2#梁、2-2#梁在正常使用極限狀態(tài)下的抗裂性能滿足城-A級設(shè)計荷載等級的使用要求。

3.3 橋梁實際承載能力檢算

3.3.1橋梁結(jié)構(gòu)檢算修正值

根據(jù)《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 233-2015)相關(guān)規(guī)定,結(jié)合橋梁外觀檢測、材質(zhì)無損檢測及橋梁自振頻率測試結(jié)果與評定,實際承載能力檢算修正系數(shù)取值情況如下:

(1)經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查,該橋自重未發(fā)生變異情況,不考慮自重調(diào)整與修正。

(2)根據(jù)橋梁外觀檢測情況,檢算箱梁截面損傷主要考慮材料風(fēng)化、碳化、物理與化學(xué)損傷以及鋼筋銹蝕造成的有效截面損失。此次橋梁承載能力檢算取截面折減系數(shù)為0.989。

(3)根據(jù)橋梁外觀檢測及橋梁材質(zhì)無損檢測情況,此次橋梁承載能力檢算中,鋼筋截面折減系數(shù)取0.99。

3.3.2承載能力極限狀態(tài)檢算

(1)正截面抗彎承載力極限狀態(tài)檢算

正截面抗彎承載力極限狀態(tài)檢算結(jié)果如表5所示。

表5 正截面抗彎極限承載力檢算表

從表5可知,綜合考慮橋梁缺損狀況、混凝土強度、結(jié)構(gòu)自振特性等指標,以及橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量狀況衰退惡化影響和材料物理、化學(xué)損傷引起的結(jié)構(gòu)、鋼筋有效截面損失等因素,經(jīng)過修正后的結(jié)構(gòu)抗力均大于城-A級設(shè)計荷載組合效應(yīng)設(shè)計值。結(jié)果表明,該橋上部結(jié)構(gòu)受力最不利1-2#梁、2-2#梁經(jīng)檢算系數(shù)修正后的抗彎承載能力滿足城-A級設(shè)計荷載等級的使用要求。

(2)斜截面抗剪承載力極限狀態(tài)檢算

斜截面抗剪承載力極限狀態(tài)檢算結(jié)果如表6所示。

表6 斜截面抗剪極限承載力檢算表

從表6可以看出,綜合考慮橋梁缺損狀況、混凝土強度、結(jié)構(gòu)自振特性等指標,以及橋梁結(jié)構(gòu)質(zhì)量狀況衰退惡化影響和材料物理、化學(xué)損傷引起的結(jié)構(gòu)、鋼筋有效截面損失等因素,經(jīng)過修正后的結(jié)構(gòu)抗力均大于城-A級設(shè)計荷載組合效應(yīng)設(shè)計值。結(jié)果表明,該橋上部結(jié)構(gòu)受力最不利1-2#梁、2-2#梁經(jīng)檢算系數(shù)修正后的抗剪承載能力滿足城-A級設(shè)計荷載等級的使用要求。

3.3.3正常使用極限狀態(tài)檢算

抗裂檢算結(jié)果見表7。

表7 抗裂性能檢算結(jié)果表

由表7可知,該橋上部結(jié)構(gòu)受力最不利1-2#梁、2-2#梁在正常使用極限狀態(tài)下的抗裂性能滿足城-A級設(shè)計荷載等級的使用要求。

4 結(jié)論

通過對衡山路跨隴海立交橋第1聯(lián)邊跨、中跨受力最不利梁進行承載能力檢算,可知該橋上部結(jié)構(gòu)小箱梁承載能力滿足城-A級荷載等級使用要求。通過研究可知,Midas Civil軟件在橋梁的承載力檢算方面具有較高的準確性和可靠性。希望文章的檢算分析過程能為同類型工程實踐提供參考。