云南某橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)研究與ANSYS模擬分析

潘 昆

1 工程概況

該大橋位于云南省曲靖市，是連接曲靖市南北的咽喉要道，在交通運(yùn)輸中起到至關(guān)重要的地位。該橋?yàn)殍旒芄皹颍瑯蛄喝L(zhǎng)455 m，橋面寬 22.5 m。共分 13孔，每孔跨徑35 m。橋梁上部結(jié)構(gòu)形式為斜桿式鋼筋混凝土桁架拱。主梁混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)不詳，受力主筋相當(dāng)于Ⅰ級(jí)光圓鋼筋。原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)約相當(dāng)于汽車—20級(jí)、掛車—100。

上部結(jié)構(gòu)由12片桁架梁分兩段預(yù)制安裝，拱矢跨比為f/L=1/8，桁架梁間距為2.02 m。桁架與桁架上弦設(shè)橫隔板和橫拉桿聯(lián)系，下弦用挖空隔板連接，其他設(shè)剪刀撐加強(qiáng)橫向穩(wěn)定。均采用預(yù)制橫系構(gòu)件焊接和焊接后澆灌接頭混凝土。每孔桁架兩端現(xiàn)澆聯(lián)系梁，架設(shè)復(fù)孔板。桁架與桁架間鋪設(shè)預(yù)制微彎板，在復(fù)孔板和微彎板上鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)。

2 橋梁檢查

2.1 橋梁外觀檢查

拱肋:拱肋整體狀況較好。第1孔的4號(hào)、6號(hào)拱肋和第13孔的8號(hào)拱肋在拱頂截面附近的下緣發(fā)生橫向受彎開(kāi)裂，裂縫寬度約2 mm～5 mm，自底邊向上延伸5 cm～10 cm。其他拱肋拱頂未見(jiàn)開(kāi)裂;橫系梁:第4孔墩頂處邊肋橫梁因滲水導(dǎo)致混凝土受腐脫落、鋼筋外露銹蝕。第8孔墩頂處1號(hào)、2號(hào)肋之間橫梁處有一明顯斜裂縫，寬度1 cm，長(zhǎng)度40 cm。其余橫系梁未見(jiàn)開(kāi)裂、鋼筋銹蝕現(xiàn)象;腹桿:腹桿狀況較好，除第1孔9號(hào)肋個(gè)別斜腹桿受彎開(kāi)裂，其他腹桿均無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象;剪刀撐:第5孔5號(hào)、6號(hào)肋之間剪刀撐根部開(kāi)裂明顯寬度為0.5 mm的通縫，第6孔3號(hào)、4號(hào)肋之間剪刀撐根部開(kāi)裂寬度0.2 mm，長(zhǎng)度20 cm。其余各孔未見(jiàn)有開(kāi)裂現(xiàn)象;墩臺(tái)檢查:橋梁墩身狀況較好，除了部分混凝土表面的溫度裂縫和收縮裂縫外，并未見(jiàn)有大的受力裂縫及大的破損。

2.2 橋梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)測(cè)試

2.2.1 混凝土碳化情況測(cè)試

本次檢測(cè)采用現(xiàn)場(chǎng)鉆孔，然后噴酚酞試劑的方法來(lái)測(cè)試原橋混凝土碳化深度。檢測(cè)結(jié)果表明，橋梁各構(gòu)件混凝土碳化程度嚴(yán)重，碳化深度均大于6 mm，主拱圈和直腹桿的碳化深度分別為25 mm，27 mm，基本達(dá)到受力鋼筋的位置，鋼筋易受到有害物質(zhì)的侵害;橋臺(tái)和主墩的碳化深度均大于30 mm，說(shuō)明橋臺(tái)和主墩的混凝土品質(zhì)較差，密實(shí)度不好，等級(jí)較低。

2.2.2 混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)試

主拱圈混凝土的平均強(qiáng)度為36.2 MPa，直腹桿混凝土的平均強(qiáng)度為34.8 MPa，斜腹桿混凝土的平均強(qiáng)度為38.3 MPa，剪刀撐混凝土的平均強(qiáng)度為 32 MPa，橋臺(tái)混凝土的平均強(qiáng)度為26.5 MPa，主墩混凝土的平均強(qiáng)度為24.3 MPa。

根據(jù)推算出的混凝土強(qiáng)度值，由經(jīng)驗(yàn)公式可估算出混凝土的實(shí)際彈性模量為:主拱圈 E=30.1 MPa，直腹桿 E=30.9 MPa，斜腹桿 E=30.3 MPa，剪刀撐 E=25 MPa，橋臺(tái) E=21.7 MPa，橋墩E=18.2 MPa。

3 原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)力計(jì)算

3.1 橫向分布計(jì)算

為準(zhǔn)確把握橋梁在活載作用下的受力狀態(tài)，利用ANSYS建立空間桿系模型，使用直接法計(jì)算桁架拱橋的橫向分布系數(shù)，計(jì)算得到了拱頂截面的橫向分布影響線和橫向分布系數(shù)，見(jiàn)圖1，表1。

表1 拱頂橫向分布系數(shù)

表2 汽車荷載作用最不利彎矩及最不利軸力

3.2 活載內(nèi)力計(jì)算

根據(jù)各截面內(nèi)力影響線(見(jiàn)圖 2)，按照汽車—20、掛車—100、人群3.5 kN/m2計(jì)算拱頂、拱腳截面在活載作用下的最不利內(nèi)力，計(jì)算時(shí)不計(jì)汽車沖擊力。表2為活載最不利內(nèi)力計(jì)算結(jié)果。

4 靜力荷載試驗(yàn)

4.1 加載原則及加載車輛

實(shí)際加載時(shí)，采用的車輛為6臺(tái)中國(guó)長(zhǎng)春一汽重型車廠生產(chǎn)的FAW 解放型翻斗汽車，單車總重300 kN，車輛特性參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 加載車輛參數(shù)

4.2 與活載設(shè)計(jì)內(nèi)力比較

按上述加載工況和試驗(yàn)加載載位進(jìn)行荷載加載，得到各控制截面試驗(yàn)荷載的內(nèi)力。

將計(jì)算出的在試驗(yàn)荷載作用下的控制截面內(nèi)力與設(shè)計(jì)活載作用下的控制截面內(nèi)力進(jìn)行比較，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 活載設(shè)計(jì)內(nèi)力與試驗(yàn)內(nèi)力的比較

從表4中可以看出，各控制截面的試驗(yàn)荷載產(chǎn)生的效應(yīng)與設(shè)計(jì)荷載產(chǎn)生的效應(yīng)的比值，即試驗(yàn)荷載效率系數(shù)在0.86～1.04之間，滿足試驗(yàn)荷載效率系數(shù)0.85＜η＜1.05的試驗(yàn)要求。

4.3 靜力荷載試驗(yàn)結(jié)果及分析

1)撓度測(cè)試及結(jié)果分析。

由兩種工況下?lián)隙葘?shí)測(cè)值與理論值的比較結(jié)果可以看出，在試驗(yàn)荷載的作用下，各測(cè)試截面的實(shí)測(cè)撓度均與理論撓度相近，校驗(yàn)系數(shù)在0.79～0.95之間，且實(shí)測(cè)的各截面撓度值均小于《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》中關(guān)于梁式橋豎向撓度允許限值[f]≤l/600的要求，說(shuō)明該橋?qū)嶋H剛度足夠，整體變形、完整性滿足設(shè)計(jì)要求，其工作性能較好，承載能力有一定的富余。

當(dāng)試驗(yàn)荷載卸除后，控制截面的撓度基本恢復(fù)為試驗(yàn)前的初始狀態(tài)，殘余撓度很小，最大為6.28%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于20%，說(shuō)明在試驗(yàn)過(guò)程中結(jié)構(gòu)始終處于良好的彈性工作狀態(tài)。

2)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果及分析。

在試驗(yàn)荷載的作用下，各測(cè)試截面的實(shí)測(cè)應(yīng)變值均與理論應(yīng)變值相近，校驗(yàn)系數(shù)在0.79～0.94之間，說(shuō)明在試驗(yàn)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度能夠滿足使用要求。

從應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值的比較結(jié)果可以看出，各測(cè)試截面在試驗(yàn)荷載作用下的相對(duì)殘余變形很小，最大值為8.33%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于20%。說(shuō)明結(jié)構(gòu)處于良好的彈性工作狀態(tài)。

3)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果及分析。

在試驗(yàn)荷載作用下，主梁原有裂縫未發(fā)展，未見(jiàn)有新裂縫產(chǎn)生，說(shuō)明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該大橋的主要受力部位，如拱肋、微彎板、橫系梁、腹桿、剪刀撐等部位進(jìn)行全面細(xì)致的外觀檢查，對(duì)裂縫的分布、結(jié)構(gòu)外形、混凝土強(qiáng)度、混凝土碳化深度及鋼筋銹蝕情況進(jìn)行測(cè)量，以及通過(guò)靜荷載作用下的應(yīng)力及撓度測(cè)試等試驗(yàn)后，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論:

1)通過(guò)外觀檢查，除個(gè)別孔出現(xiàn)滲水、鋼筋外露銹蝕、混凝土受腐情況外，整體狀況良好。

2)經(jīng)過(guò)超聲—回彈綜合法檢測(cè)后，發(fā)現(xiàn)主拱圈混凝土強(qiáng)度和墩柱混凝土強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)要求和使用要求，經(jīng)鋼筋銹蝕試驗(yàn)可知該橋上部結(jié)構(gòu)鋼筋狀況良好。

3)在汽—20，掛—100級(jí)靜態(tài)試驗(yàn)荷載作用下，橋梁反映出來(lái)的撓度特征表明，試驗(yàn)孔上部結(jié)構(gòu)的實(shí)際豎向剛度滿足現(xiàn)有汽—20，掛—100設(shè)計(jì)要求。

[1] 劉沐宇，袁衛(wèi)國(guó).橋梁無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展[J].中外公路，2002(6):34-37.

[2] M.Gutermann，V.Slowik，K.Steffens.Experimental safety evaluation of concrete and masonry bridges[J].Insight-Non-Destructive Testing and Condition Monitoring，2003，45(12):805-808.

[3] 張立明.Algor、Ansys在橋梁工程中的應(yīng)用方法與實(shí)例[M].北京:人民交通出版社，2005.

[4] 小諷工作室.最新經(jīng)典 ANSYS及 workbench教程[M].北京:電子工業(yè)出版社，2004.

[5] 博棄工作室.APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2004.

[6] 郝文化.ANSYS土木工程應(yīng)力實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社，2005.