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    預應力砼桁架T構橋梁剪力鉸及拉壓支座病理分析

    2015-12-04 03:33:30劉海彎李龍輝
    河南城建學院學報 2015年3期
    關鍵詞:錯臺剪力桁架

    劉海彎,李龍輝,謝 巍,陳 科

    (長安大學公路學院,陜西西安710064)

    洪塘大橋主跨為120 m預應力砼斜拉桁架T型結構,這是一種較為特殊的橋梁結構形式,綜合斜拉、桁架及T形剛構三種結構的受力特點[1-3]。兩個三角桁架中間經剪力鉸連接,主橋和引橋經拉壓支座連接,橋梁主墩是V型墩,基礎為鉆孔樁基礎。對該橋檢測發(fā)現(xiàn),剪力鉸處發(fā)生錯臺,跳車現(xiàn)象嚴重,同時荷載反復作用下,拉壓支座也常破壞,造成桁架橫向剛度不足,桁架空間變位較大。本文采用大型有限元軟件Midas/civil2012對該橋進行了模擬分析(見圖1)。

    圖1 洪塘大橋有限元模型

    1 病害機理分析

    在兩個桁架之間設置剪力鉸,減小了預應力砼斜拉桁架T構的超靜定次數(shù)和跨中彎矩,但增加了墩梁固結處的彎矩和推力,使行車性能差,汽車通過時剪力鉸兩側受不對稱荷載,引起剪力鉸錯臺,造成跳車,剪力鉸受到較大的沖擊力,在反復荷載作用下,易發(fā)生破壞。

    拉壓支座既承受拉力又承受壓力[4],但該橋修建于20世紀90年代,拉壓支座的設計承載力滿足汽-20荷載,對現(xiàn)在交通量增加、超載嚴重的現(xiàn)象已不能滿足。在橋梁運營20多年中,拉壓支座已更換了兩次,以提高拉壓支座處的承載能力。

    剪力鉸和拉壓支座作為該橋當中的兩個特殊構件,經常發(fā)生不同程度的破壞,因此分析可能引起這兩種構件損傷的因素是很有必要的。經過綜合對比分析,選取預應力損失、剛度折損、基礎沉降及活載四種主要因素對兩種構件的敏感性進行分析。

    1.1 單因素分析[5]

    1.1.1 預應力損失對剪力鉸和拉壓支座影響

    該橋的斜拉桁架是預應力混凝土結構,設計過程中預應力損失估計過低、過高都將影響橋梁結構使用,預應力損失過大,有效預應力降低,使結構剛度和承載力降低,撓度增大。而剪力鉸和拉壓支座受力復雜,容易出現(xiàn)病害,故研究預應力損失對這些部位的影響十分重要。

    由圖2分析可知:剪力鉸Z向撓度,拉壓支座反力對預應力損失較敏感。預應力損失對橋梁下?lián)嫌绊戯@著,隨預應力損失增大,恒載與預應力效應差值增大,跨徑越大,下?lián)显矫黠@,剪力鉸部位的Z向撓度就會越大。拉壓支座處反力主要由恒載與預應力控制,預應力損失增大,恒載大于預應力效應,預應力使拉壓支座受拉,恒載使其受壓,隨預應力損失增加,拉壓支座處拉力減小。當預應力損失40%,拉壓支座的反力超過其設計承載能力值,支座發(fā)生破壞。

    1.1.2 構件損傷對剪力鉸和拉壓支座的影響

    混凝土構件受各種因素的影響易出現(xiàn)開裂、剝落、碳化、鋼筋銹蝕等現(xiàn)象,使結構剛度和承載力降低,變形增大,降低橋梁的使用性能,對剪力鉸和拉壓支座也會產生不同程度的影響。本文通過折減混凝土彈性模量來模擬構件的剛度損失。由圖3可知,剪力鉸Z向位移對剛度損失最敏感,隨剛度損失增加,跨中剪力鉸位置出現(xiàn)上撓現(xiàn)象。

    圖2 預應力損失敏感性分析

    圖3 剛度損失敏感性分析

    1.1.3 基礎沉降對剪力鉸和拉壓支座的影響

    預應力砼桁架T構是超靜定結構,當基礎發(fā)生整體沉降或不均勻沉降時,結構產生附加內力,引起橋梁上部結構變形,梁體開裂,甚至導致破壞。

    由圖4看出,基礎整體沉降對預應力混凝土桁架T構橋拉壓支座反力和剪力鉸Z方向位移和剪力敏感,對拉壓支座X方向位移不敏感,即過大的基礎沉降將使這兩種構件發(fā)生破壞。

    由圖5、圖6發(fā)現(xiàn):橋墩繞X軸轉動,拉壓支座X軸方向位移變化較小,但剪力鉸處位移變化較大,最大下?lián)?9.2 mm,其剪力變化也較大,最大為495.8 kN,已超出剪力鉸設計值;橋墩繞Y軸負方向轉動,拉壓支座X軸方向位移變化較大,梁的長度增加,可能造成伸縮縫抵死,拉壓支座反力變化較大,最大達到1 298.2 kN,已超出拉壓支座設計值,拉壓支座破壞,剪力鉸處位移變化較小。

    1.1.4 活載對剪力鉸和拉壓支座的影響

    洪塘大橋的設計依據(jù)是85規(guī)范,現(xiàn)橋梁設計采用04規(guī)范,04規(guī)范與85規(guī)范對比,04規(guī)范中公路-Ⅱ級與85規(guī)范中汽車-20級荷載的效應基本相當,而04規(guī)范中公路-Ⅰ級荷載比85規(guī)范汽車-超20級荷載效應平均提高約6% ~8%。公路-Ⅱ級車道荷載是公路-Ⅰ級的0.75倍。由于該橋修建時間早,荷載等級不高,現(xiàn)交通量增加,超載嚴重,使橋梁撓度增大,混凝土開裂、鋼筋銹蝕,剛度降低,因此對超載進行分析顯得十分必要。

    圖4 墩結構整體沉降

    圖5 墩繞X軸轉動

    由圖7可知,汽車超載40%時相當于荷載等級提高到汽車-超20。同時超載對拉壓支座的反力影響較大,對剪力鉸影響較小。但剪力鉸錯臺時,車輛在錯臺處跳車,超載將進一步加大錯臺,故超載對拉壓支座和剪力鉸都有較大影響。

    圖6 墩繞Y軸負方向轉動

    圖7 汽車超載敏感性分析

    1.2 多因素病害成因分析

    經上述分析:引起剪力鉸錯臺主要因素有預應力損失、混凝土剛度降低和基礎變位(整體沉降、繞X軸轉動和繞Y軸轉動),導致拉壓支座拉壞可能因素有混凝土剛度降低、墩繞X軸轉動和超載。若將這些因素進行排列組合計算,計算量較大,通過數(shù)理統(tǒng)計法用正交表計算會大大減小計算量。

    1.2.1 剪力鉸處剪力正交試驗設計[2]

    將影響剪力鉸錯臺因子進行正交試驗設計,因子有5個,設計正交表,因變量為剪力鉸剪力,其水平的確定通過大量計算得出。

    表1 剪力鉸錯臺水平因素表

    將上述5個變量因子每次分別單獨變化一個水平,與其他因子的水平組合成16個實驗組進行計算,16組實驗組合情況不予具體闡述。

    利用SPSS軟件對正交試驗的數(shù)據(jù)進行處理,分析對比這些因素對剪力鉸錯臺水平的影響程度的大小。在SPSS中首次計算時取誤差為0,計算結果無統(tǒng)計量和顯著水平,將極差最小的預應力損失百分比作為誤差估計,重新計算(見表2)得到:預應力損失百分比P=0.058,在顯著水平α=0.05上無統(tǒng)計意義,但在顯著水平α=0.1上有統(tǒng)計意義。同理,基礎整體沉降量、橋墩繞X軸方向轉動角度、橋墩繞Y軸負方向轉動角度在顯著水平α=0.05上有統(tǒng)計意義,對實驗結果影響顯著。

    表2 第二次主體間效應的檢驗

    通過SPSS計算得到,對剪力鉸影響程度的大小為:混凝土剛度損失百分比>基礎整體沉降量>橋墩繞X軸方向轉動角度>預應力損失百分比橋墩>繞Y軸負方向轉動角度。每個因素的最佳水平是基礎整體沉降量3 cm,橋墩繞X軸方向轉動0.2度,橋墩繞Y軸負方向轉動0.05度,混凝土剛度損失15%,剪力值為576.1 kN,超過其抗剪設計值500 kN。

    1.2.2 拉壓支座反力正交試驗設計[2]

    根據(jù)以上單因素敏感性分析得知造成拉壓支座破壞的因素有3個,選擇正交表,進行正交試驗,其中水平確定是通過大量計算得出。

    表3 拉壓支座破壞水平因素表

    將上述3種影響因子每次只選一個因子改變一個水平,與其他因子水平組合成影響效應較大的9組水平,計算拉壓支座處的反力值。

    選取支座處反力值時選擇1#桁架上游側數(shù)據(jù),在SPSS中首次計算取誤差為0,計算結果無統(tǒng)計量和顯著水平,將極差最小的預應力損失百分比作為誤差估計,重新計算(見表4)得到:混凝土剛度損失百分比,橋墩繞Y軸負方向轉動角度均在顯著水平α=0.05上有統(tǒng)計意義,對實驗結果均影響顯著。

    通過SPSS計算得到,對拉壓支座反力影響大小為:橋墩繞Y軸負方向轉動角度>混凝土剛度損失百分比。每個因素的最佳水平是橋墩繞Y軸方向轉動0.2度,混凝土剛度損失15%,拉壓支座最大反力為-1 065.2 kN,超過其抗拉設計值400 kN。

    2 小結

    本文對可能導致預應力混凝土斜拉桁架T構病害的因素歸納,經單因素和正交實驗設計分析預應力損失、構件損傷、基礎不均勻沉降和活載對混凝土桁架T構橋病害的影響,最后經過極差分析得出各主要病害影響因素排序和最佳水平組合。

    表4 第二次主體間效應的檢驗

    預應力砼斜拉桁架T構的剪力鉸和拉壓支座對于結構的受力十分重要。剪力鉸的設置減小了結構的超靜定次數(shù),使得結構受力更合理,但因其容易發(fā)生病害造成跳車,影響行車舒適性。拉壓支座在各荷載作用下,容易發(fā)生破壞,使得結構內力重分布,影響結構安全。因此,設計時應特別注意剪力鉸和拉壓支座的優(yōu)化。

    [1] 漆光榮,林增官,于堅.預應力混凝土斜拉式桁架T構橋介紹[J].公路,1992(1):18-24.

    [2] 正交試驗設計[EB/OL].[2012-4-27].http://wiki.mbalib.com/wiki/正交試驗設計.

    [3] 邱峰.預應力混凝土斜拉桁架橋結構分析與設計研究[D].武漢:華中科技大學,2006.

    [4] 馮東瀛,馮克敏.球型拉壓測力支座研究設計[C]//第八屆全國結構工程學術會議論文集,1999:244-249.

    [5] 公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范:JTG-D62-2004[S].北京:北京人民交通出版社,2004.

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