水閘結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力空心面板交通橋安全評(píng)估

(1.南京水利科學(xué)研究院材料結(jié)構(gòu)研究所 江蘇 南京 210024) (2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院 江蘇 南京 210098)

水閘結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力空心面板交通橋安全評(píng)估

喻江1,2胡少偉1陸俊1董茂干1

(1.南京水利科學(xué)研究院材料結(jié)構(gòu)研究所江蘇南京210024) (2.河海大學(xué)水利水電學(xué)院江蘇南京210098)

山東某水閘結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力交通橋服役多年，其路面出現(xiàn)鋪裝裂縫、破損及龜裂等病害，影響安全運(yùn)行，亟需對(duì)該水閘結(jié)構(gòu)中涉及的預(yù)應(yīng)力空心面板交通橋進(jìn)行安全評(píng)估。根據(jù)交通橋現(xiàn)場(chǎng)情況，采取外觀裂縫原位測(cè)驗(yàn)、裂縫深度探測(cè)、結(jié)構(gòu)安全仿真及動(dòng)車模型分析的手段，對(duì)其預(yù)應(yīng)力空心面板交通橋進(jìn)行安全評(píng)估。評(píng)估表明，目前預(yù)應(yīng)力空心面板交通橋承載能力滿足要求，瀝青鋪裝層出現(xiàn)縱向、橫向裂縫，不滿足運(yùn)行要求。本文評(píng)估方法為水閘結(jié)構(gòu)中交通橋的安全評(píng)價(jià)和后期維護(hù)加固提供了參考價(jià)值。

水閘結(jié)構(gòu)；空心面板交通橋；雷達(dá)探測(cè)；動(dòng)車模型

一、工程概況

預(yù)應(yīng)力空心面板交通橋以其結(jié)構(gòu)型式優(yōu)美、受力特性優(yōu)良、節(jié)能節(jié)材等諸多優(yōu)點(diǎn)，不僅被運(yùn)用于我國(guó)橋梁工程，還被廣泛運(yùn)用于水工結(jié)構(gòu)工程等建設(shè)中，成為工程結(jié)構(gòu)中不可或缺的有效結(jié)構(gòu)型式之一[1-3]。

山東某水閘結(jié)構(gòu)為大(I)型水閘工程，自建成運(yùn)行至今，發(fā)揮了巨大的防洪效益、生態(tài)效益、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。與閘室相連的交通橋采用到預(yù)應(yīng)力空心面板結(jié)構(gòu)，該橋共有36跨，橋長(zhǎng)648m，分為9聯(lián)：9×4×18=648m，聯(lián)與聯(lián)之間和橋臺(tái)處采用D60伸縮縫。單跨跨徑18m，每跨9塊面板(包括8塊中板，1塊邊板)，單塊面板寬1.24m，厚0.9m，板與板之間用鉸縫連接。橋面鋪裝為現(xiàn)澆100mm厚C40現(xiàn)澆混凝土和50mm厚瀝青混凝土。根據(jù)水利部《水閘安全鑒定管理辦法》(水建管(2008)214號(hào))文件要求，對(duì)于已建成的該節(jié)制閘交通橋，考慮到采用的是預(yù)應(yīng)力空心面板型式，其運(yùn)行至今的時(shí)間里，因路面長(zhǎng)期受到人群、汽車等動(dòng)荷載的作用，尤其是重型貨運(yùn)車輛作用，導(dǎo)致路面出現(xiàn)明顯的裂縫，不能滿足安全運(yùn)行規(guī)程。因此，針對(duì)交通橋出現(xiàn)的問題開展專項(xiàng)檢測(cè)工作，亟需對(duì)其進(jìn)行安全評(píng)價(jià)。

二、外觀裂縫原位測(cè)驗(yàn)

(一)原位測(cè)驗(yàn)組織

外觀裂縫原位測(cè)驗(yàn)技術(shù)路線如圖1和圖2所示。按照《港口水工建筑物檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)范》[4]的規(guī)定，采取攝影、敲擊、尺量等方法，測(cè)驗(yàn)36跨空心面板交通橋外觀缺陷，詳細(xì)記錄并描述表面缺陷、剝落露筋等情況，記錄破損類型的數(shù)量、部位與范圍，對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖1 外觀裂縫原位測(cè)驗(yàn)技術(shù)路線

圖2 1段交通橋面板編號(hào)

(二)測(cè)驗(yàn)分析與評(píng)定

通過對(duì)交通橋36跨預(yù)應(yīng)力空心面板外觀裂縫原位測(cè)驗(yàn)分析，得到如下評(píng)定結(jié)論：交通橋?yàn)r青路面的板-板連接處(伸縮縫除外)出現(xiàn)不同程度的橫向裂縫和斜裂縫，橫向裂縫貫通整個(gè)路面，斜裂縫圍繞橫向裂縫向兩邊展開，呈燕尾狀分布，裂縫寬度在0.1mm～0.6mm之間；靠近上游端約4m位置處，1跨、2跨、3跨、4跨、5跨、6跨、7跨、10跨、11跨、12跨、13跨、14跨、15跨、16跨、20跨、22跨、25跨均出現(xiàn)不同長(zhǎng)度的縱向裂縫，其中，1跨、2跨、3跨、4跨、5跨、6跨、7跨、12跨、13跨、14跨縱向貫通，剩余跨段縱向裂縫長(zhǎng)度在3m～12m之間，3段、4段、出現(xiàn)2條平行縱向裂縫，12段出現(xiàn)3條平行縱向裂縫。裂縫寬度在0.2mm～0.4mm之間；18段、19段、21段、24段、26段、27段、28段、29段、33段交通橋路面破壞比較嚴(yán)重，縱、橫向裂縫相互交錯(cuò)，出現(xiàn)大面積龜裂區(qū)，31段、32段甚至出現(xiàn)不同面積的坑洞，嚴(yán)重影響交通通行；對(duì)人行道調(diào)查表明，36跨每段均出現(xiàn)多條不同裂縫寬度的橫向貫穿裂縫，裂縫條數(shù)分布如圖3所示。

根據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTGH11-2004)[5]中技術(shù)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，該交通橋被劃分到三類橋，亟需修補(bǔ)及加固，以確保安全。

圖3 交通橋人行道主裂縫條數(shù)統(tǒng)計(jì)圖

三、裂縫深度探測(cè)

(一)關(guān)鍵技術(shù)

本次交通橋裂縫深度探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)分為路面缺陷判別技術(shù)、面板裂縫深度判別技術(shù)和預(yù)應(yīng)力筋判別技術(shù)3個(gè)部分。當(dāng)交通橋路面存在裂縫或變形錯(cuò)位，雷達(dá)波同相軸將出現(xiàn)錯(cuò)斷、扭折或紊亂狀，以此判別路面缺陷；面板內(nèi)部混凝土一旦存在欠密實(shí)區(qū)，必然導(dǎo)致介電常數(shù)發(fā)生改變，雷達(dá)波同相軸混亂或彎曲分布，相比均勻密實(shí)區(qū)波幅變化明顯，波組特征發(fā)生明顯改變，以此判別裂縫深度；當(dāng)電磁波傳播到預(yù)應(yīng)力鋼筋界面時(shí)，鋼筋對(duì)電磁波具有屏蔽性，電磁波在鋼筋界面發(fā)生全發(fā)射，以此來判別預(yù)應(yīng)力筋狀態(tài)[6-9]。

雷達(dá)的探測(cè)縱向分辨率為：

Δh=v/(8f)～v/(4f)

(1)

式中：v為波速，f為頻率。

雷達(dá)的探測(cè)水平分辨率為：

(2)

式中：z為垂距。

當(dāng)儀器設(shè)備一定的條件下，決定探測(cè)深度的主要因素為地表電阻率和工作頻率，基于導(dǎo)電介質(zhì)中電磁波的衰減系數(shù)與工作頻率呈正比。因此，雷達(dá)的探測(cè)深度估計(jì)式為：

(3)

表1 介電常數(shù)和速度參數(shù)表

(二)探測(cè)結(jié)果分析

交通橋典型裂縫深度探測(cè)解釋剖面圖(選取1段面板1/4跨)如圖4所示。

圖4 1段面板1/4跨橫向探測(cè)解釋剖面圖

通過對(duì)交通橋路面裂縫深度探測(cè)分析，顯示900MHz高頻天線的有效探測(cè)深度達(dá)1.5cm，路面層的厚度在10cm，預(yù)應(yīng)力混凝土空心面板的空腔在雷達(dá)探測(cè)剖面圖中反映明顯。探測(cè)結(jié)果表明，交通橋路面瀝青層與面板之間膠結(jié)不充分，局部脫空；瀝青層內(nèi)部存在不密實(shí)，松散異常，與瀝青路面產(chǎn)生的各類裂縫相對(duì)應(yīng)。

四、結(jié)構(gòu)安全仿真

(一)數(shù)值建模方法

對(duì)于工程結(jié)構(gòu)仿真模擬分析中，常見的離散方法有：有限差分法(FDM)、有限體積法(FVM)和有限單元法(FEM)[10-12]。其中，有限單元法的最大優(yōu)點(diǎn)就是，對(duì)于不規(guī)則的幾何區(qū)域問題，能夠具有很好的適應(yīng)性。本次安全仿真分析采用FEM法。

(二)本構(gòu)模型

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土材料的研究，用來建立該種材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的模型有：彈性理論模型、塑性理論模型、粘彈性理論模型、塑性斷裂理論模型，以及損傷力學(xué)理論模型等。在本次結(jié)構(gòu)安全仿真中，鋼筋混凝土材料采用Sargin改進(jìn)公式[13]，其表達(dá)式為：

(4)

式中：k3=1，fc=26.80MPa，A=E0/Es=1.41，D=0.8，ε0=0.002。

鋼筋混凝土材料輸入?yún)?shù)見表2。

表2 鋼筋混凝土材料參數(shù)一覽表

鋼絞線材料為雙線性應(yīng)力-應(yīng)變曲線模型，本構(gòu)關(guān)系表達(dá)式為：

(5)

式中：fy表示鋼絞線屈服應(yīng)力，εy表示屈服應(yīng)變。

鋼絞線材料輸入?yún)?shù)見表3所示。

表3 鋼絞線材料參數(shù)一覽表

鋼墊塊本構(gòu)關(guān)系采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型(BKIN)，該種模型使用一個(gè)雙線性來表示應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系，關(guān)系中有兩個(gè)斜率，一個(gè)表示彈性斜率，另一個(gè)表示塑性斜率。并采用Von Mises屈服準(zhǔn)則，以及推薦強(qiáng)化模型，應(yīng)力-應(yīng)變曲線關(guān)系表達(dá)式為：

(6)

式中：fy表示鋼材屈服應(yīng)力，εy表示屈服應(yīng)變。

鋼墊塊輸入?yún)?shù)見表4所示。

表4 鋼墊塊參數(shù)一覽表

(三)數(shù)值仿真分析

結(jié)合該節(jié)制閘當(dāng)前工作運(yùn)營(yíng)實(shí)際情況，選取任一段預(yù)應(yīng)力空心面板(跨度×寬度×高度：18.00m×1.24m×0.90m)(并列9塊)進(jìn)行結(jié)構(gòu)安全分析，建立模型如圖5所示，安全仿真結(jié)果見表5。

圖5 8段全面板結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型

項(xiàng)目類別X向Y向Z向總空心面板最大變形(mm)0.9190.0580.37911.808發(fā)生部位靠近左端跨中端部跨中最小變形(mm)-0.927-0.251-11.8080.056發(fā)生部位靠近右端端部跨中端部最大正應(yīng)力(MPa)10.6318.45324.611/發(fā)生部位右端部筋處右端部筋處右端部筋處最小正應(yīng)力(MPa)-24.431-11.699-27.294/發(fā)生部位左端部筋處右端部筋處左端部筋處瀝青鋪裝層最大變形(mm)0.9180.0190.37811.785發(fā)生部位彎筋轉(zhuǎn)折部位跨中端部跨中最小變形(mm)-0.927-0.251-11.7840.535發(fā)生部位彎筋轉(zhuǎn)折部位端部跨中端部最大正應(yīng)力(MPa)5.0411.6431.286/發(fā)生部位右端部右端部跨中底最小正應(yīng)力(MPa)-10.623-2.438-1.358/發(fā)生部位跨中左端部跨中頂預(yù)應(yīng)力筋最大變形(mm)0.7670.0330.49511.765發(fā)生部位彎筋轉(zhuǎn)折部位跨中端部跨中最小變形(mm)-0.805-0.199-11.7650.219發(fā)生部位彎筋轉(zhuǎn)折部位端部跨中端部最大正應(yīng)力增量(MPa)45.71010.63619.234/發(fā)生部位跨中右端部右端部最小正應(yīng)力增量(MPa)-47.312-11.092-20.633/發(fā)生部位端部左端部右端部

通過對(duì)表5分析，集中荷載跨中作用時(shí)，空心面板整體最大變形發(fā)生在跨中位置，達(dá)11.808mm，最小變形發(fā)生在端部，達(dá)0.056mm；x向最大正應(yīng)力發(fā)生在右端部與預(yù)應(yīng)力筋連接部位，達(dá)10.631Mpa，x向最小正應(yīng)力發(fā)生在左端部與預(yù)應(yīng)力筋連接部位，達(dá)-24.431Mpa(偏大)，推斷為該處應(yīng)力集中導(dǎo)致。

瀝青鋪裝層最大變形發(fā)生在跨中位置，達(dá)11.785mm，最小變形發(fā)生在端部，達(dá)0.535mm；x向最大正應(yīng)力發(fā)生在右端部與預(yù)應(yīng)力筋連接部位，達(dá)5.041Mpa，x向最小正應(yīng)力發(fā)生在左端部與預(yù)應(yīng)力筋連接部位，達(dá)-10.623Mpa。

預(yù)應(yīng)力筋最大變形發(fā)生在跨中位置，達(dá)11.765mm，最小變形發(fā)生在端部，達(dá)0.219mm；x向最大正應(yīng)力增量發(fā)生在跨中部位，達(dá)45.710Mpa，x向最小正應(yīng)力增量發(fā)生在端部，達(dá)-47.312Mpa。

(四)動(dòng)車模型分析

根據(jù)對(duì)交通橋現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)驗(yàn)情況，發(fā)現(xiàn)在4面板、5面板，與6面板之間的瀝青鋪裝層表面普遍出現(xiàn)縱向裂縫，該部分恰好為車輛行駛頻率高的通道，初步診斷該種裂縫為車輛行駛而導(dǎo)致。因此，通過模擬汽車的4個(gè)輪胎傳力于4面板、6面板跨中位置處，來推演汽車動(dòng)荷載作用下的預(yù)應(yīng)力混凝土空心面板結(jié)構(gòu)的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)。模擬小車參數(shù)見表6。

表6 小車模擬參數(shù)一覽表

集中荷載包括兩部分，一部分為小車的自重荷載10.00噸，另一部分為外加動(dòng)荷載，見圖6所示。

圖6 外加動(dòng)荷載時(shí)程曲線

圖7 全面板結(jié)構(gòu)小車動(dòng)載網(wǎng)格模型

項(xiàng)目類別X向Y向Z向總空心面板最大變形(mm)1.010.0190.57514.752最小變形(mm)-1.339-0.268-14.7510.082最大正應(yīng)力(MPa)11.36311.71318.766/最小正應(yīng)力(MPa)-20.468-14.333-26.041/瀝青鋪裝層最大變形(mm)1.0430.0540.57314.741最小變形(mm)-1.342-0.245-14.7400.532最大正應(yīng)力(MPa)6.7712.6590.625/最小正應(yīng)力(MPa)-18.788-8.019-3.620/預(yù)應(yīng)力筋最大變形(mm)0.9290.0110.71814.748最小變形(mm)-1.245-0.279-14.7460.130最大正應(yīng)力增量(MPa)55.45823.33668.316/最小正應(yīng)力增量(MPa)-55.064-36.360-115.05/

對(duì)表8進(jìn)行分析表明，小車作用時(shí)，空心面板整體最大變形發(fā)生在跨中位置，達(dá)14.752mm，最小變形發(fā)生在端部，達(dá)0.082mm；x向最大正應(yīng)力發(fā)生在右端部與預(yù)應(yīng)力筋連接部位，達(dá)11.363Mpa，x向最小正應(yīng)力發(fā)生在左端部與預(yù)應(yīng)力筋連接部位，達(dá)-20.468Mpa。

瀝青鋪裝層最大變形發(fā)生在跨中位置，達(dá)14.741mm，最小變形發(fā)生在端部，達(dá)0.532mm；x向最大正應(yīng)力發(fā)生在右端部與預(yù)應(yīng)力筋連接部位，達(dá)6.771Mpa，x向最小正應(yīng)力發(fā)生在左端部與預(yù)應(yīng)力筋連接部位，達(dá)-18.788Mpa。小車輪胎作用位置發(fā)生應(yīng)力集中。

預(yù)應(yīng)力筋最大變形發(fā)生在跨中位置，達(dá)14.748mm，最小變形發(fā)生在端部，達(dá)0.130mm；x向最大正應(yīng)力增量發(fā)生在跨中部位，達(dá)55.458Mpa，x向最小正應(yīng)力增量發(fā)生在端部，達(dá)-55.064Mpa。

五、結(jié)論

通過對(duì)山東某水閘結(jié)構(gòu)中預(yù)應(yīng)力空心面板交通橋進(jìn)行外觀裂縫原位測(cè)驗(yàn)、裂縫深度探測(cè)、結(jié)構(gòu)安全仿真及動(dòng)車模型分析幾個(gè)方面的安全評(píng)估，得到如下結(jié)論：

1.交通橋存在橋面鋪裝裂縫、破損及龜裂現(xiàn)象，該交通橋被劃分到三類橋，亟需修補(bǔ)及加固，以確保安全。

2.通過裂縫深度雷達(dá)探測(cè)表明，交通橋路面瀝青層存在多處不密實(shí)病害，位置與路面裂縫相對(duì)應(yīng)，進(jìn)一步體現(xiàn)了原位測(cè)驗(yàn)與雷達(dá)探測(cè)存在的緊密關(guān)聯(lián)。

3.結(jié)構(gòu)安全仿真分析表明，單塊空心面板結(jié)構(gòu)協(xié)同作用下的承載能力能夠滿足交通要求，汽車作用部位瀝青鋪裝層與相鄰面板部位瀝青鋪裝層結(jié)構(gòu)變形相差很大，不能滿足結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間的力傳遞，從而導(dǎo)致瀝青層出現(xiàn)縱向開裂、橫向開裂等病害。

[1]M.Schupack.Surveyofthedurabilityperformanceofpost-tensiontendons[J].ACIjournal,1978,75(10):501-510.

[2]李國(guó)平.預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].北京:人民交通出版社,2000.

[3]劉巖.預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)展綜述[J].混凝土與水泥制品.2008，(03)：52-55.

[4]JTJ302-2006,港口水工建筑物檢測(cè)與評(píng)估技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2006.

[5]JTGH11-2004,公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[6]劉康和.探地雷達(dá)及其應(yīng)用[J].水利水電工程設(shè)計(jì),1998,(04):39-40.

[7]孫志恒,鮑志強(qiáng),甄理.探地雷達(dá)探測(cè)技術(shù)在水工混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].水利水電技術(shù),2002,33(10):64-66.

[8]閆長(zhǎng)斌,徐國(guó)元,黃仁東,劉敦文.應(yīng)用探地雷達(dá)技術(shù)檢測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋參數(shù)[J].施工技術(shù),2003,32(06):46-47.

[9]張玉海.探地雷達(dá)的工作原理和檢測(cè)應(yīng)用[J].鐵道建筑技術(shù),2003,(04):70-72.

[10]陳偉,何飛,溫衛(wèi)東.基于結(jié)構(gòu)參數(shù)化的有限元分析方法[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2003,(06):948-950.

[11]江見鯨,陸新征,葉列平.混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[12]胡少偉,喻江.鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究與有限元分析[J].人民長(zhǎng)江，2015，46(08):50-55.

[13]A.V.Gysel，L.Taerwe.Analyticalformulationofthecompletestress-strai ncurveforhighstrengthconcrete[J].MaterialsandStructures,1996,29(9):529-533.

SafetyAssessmentforPrestressedTrafficBridgewithHollow-panelinSluiceStructures

HUShao-wei1,YUJiang1,2,LUJun1,DONGMao-gan1

(1.DepartmentofMaterialsandStructuralEngineering,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210024,China) (2.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Due to influences of pavement crack,damage and crack on the surface of deck pavement,its safety assessment is necessary to be performed for prestressed traffic bridge with hollow-panel in sluice structures during its service in Shandong province.According to the actual situation of traffic bridge,four kinds of diagnostic techniques,including in-situ test for the crack appearance,crack depth detection,structure safety simulation,and dynamic vehicle model analysis,are used for safety evaluation.Through this kind of standardized safety assessment,it is shown that its carrying capacity meets the requirement for prestressed traffic bridge with hollow-panel,while its asphalt pavement cannot meet the requirement of the operation.The proposed assessment method provides a powerful reference for safety evaluation and later maintenance reinforcement for the prestressed traffic bridge in sluice structures.

sluice structures;traffic bridge with hollow-panel;radar detection;dynamic vehicle model

國(guó)家杰出青年基金(51325904)；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201501036)；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)項(xiàng)目(Y417012)

喻江(1989-)，男，重慶人，博士研究生，從事水工結(jié)構(gòu)病害診斷研究。