基于结构检算的受损悬索桥承载能力评估

基于结构检算的受损悬索桥承载能力评估

陈剑辉

陈剑辉

广东省建筑科学研究院集团股份有限公司广州市510500

摘要：采用有限元法对某受损悬索桥进行结构检算，建立该桥梁受损状态的有限元计算模型，分析桥梁各主要构件现有承载能力，验算桥梁主缆、吊杆、主梁的安全性，确定影响桥梁承载能力的薄弱构件及位置，并根据结构检算结果对该桥进行了承载能力研究和评估。

关键词：有限元；结构检算；悬索桥；承载能力

1工程概况

某悬索桥主体结构为4×15m（现浇钢筋混凝土连续π形梁）+126m（钢骨混凝土加劲桁架雉蝶形正交异性板钢桥面吊桥）+2×15m（现浇钢筋混凝土连续π形梁），主桥主缆跨径120m，设计垂跨比1/12，两岸锚索斜度分别为16°和14°，下部采用复合钢管混凝土桁架形塔柱，锚碇采用箱形重力和抗滑锚桩复合锚碇。引桥下部采用双柱墩，桩基或扩大基础，重力式桥台。原设计荷载等级为双车道公路-II级，根据现场检查，主梁下弦纵梁共10处槽钢焊缝断裂，桥梁采取了临时交通管制。

2检算标准

原设计荷载等级为2车道，公路-II级。现采取临时交通管制桥面采用单车道双向交替通行，结合实际情况，对桥梁采取以下3种荷载等级进行检算：

（1）1车道公路-II级；

（2）单车30t（3轴车：前轴6t、中轴12t、后轴12t，前中轴距3.2m、中后轴距1.4m）；

（3）单车20t（2轴车：前轴6t、中轴14t，前后轴距3.8m）。

3有限元模型

（1）单元划分及模拟

根据结构特征，建立有限元计算模型进行计算分析。全桥共离散划分为8196个单元，3025个节点。

单元划分和定义：其中1-84单元为主缆，采用拉索单元模拟；85-162单元为吊杆，采用拉索单元模拟；对主梁加劲桁架，离散为上弦纵梁、下弦纵梁、腹杆及护栏板，上弦纵梁、下弦纵梁、腹杆采用梁单元模拟，护栏板采用板单元模拟；桥面板离散为纵肋板和横向虚拟联系，均采用梁单元模拟，横向虚拟联系不考虑单元重量仅考虑横桥向刚度；桥塔构件均采用梁单元模拟；另外，为分析纵梁钢绞线的受力情况，本次计算将钢绞线采用拉索单元模拟。

支承及边界条件模拟：锚碇处主缆节点采用固结边界；桥塔底面采用固结支承；桥面纵梁伸缩缝端采用允许纵向位移和转动的简支支承模拟支座；桥塔索鞍采用弹性连接模拟，索鞍与主梁间采用允许纵向位移的刚性连接；钢绞线单元与下弦纵梁单元间在纵向坐标相同的节点处采用刚性连接。

有限元法建立桥梁结构如下图所示。

图3.2有限元计算模型

（2）模型修正

计算模型根据目前已检测到的病害及实测线形、材料强度等建立，未考虑桥梁可能存在的未探明的病害。

①主缆线形修正

现场检测发现桥梁主缆垂跨比与设计存在较大差异，为更有效的分析结构的现有实际承载能力，有限元计算模型采用实测垂跨比建立。

②吊杆索力修正

根据实测吊杆索力对计算模型进行刚度修正。

材料参数修正

现场检测发现桥梁上下部构件混凝土强度较低，且横梁等构件严重开裂，因此计算模型中须对砼强度及刚度进行酌情折减。详见下表。

表3.1混凝土强度等级

图3.4钢绞线脱空模拟

4计算考虑因素

（1）恒载计算

①自重

②收缩徐变

（2）活载计算

①汽车活荷载

汽车活荷载效应为程序自动加载计算。

计算汽车冲击力，利用程序按实测基频自动计算。

②温度影响力

根据桥位调查结果，结构温度影响取值为：

T升温=25℃，T降温=20℃

桥塔沉降

考虑两岸桥塔不均匀沉降8mm。

（3）荷载效应组合

考虑桥梁的临时通行特点及参照钢结构桥梁的计算特点，对结构荷载效应拟采用标准值组合。主要考虑以下组合：

组合1：恒载+桥塔沉降+升温+1车道公路-II级；

组合2：恒载+桥塔沉降+降温+1车道公路-II级；

组合3：恒载+桥塔沉降+升温+单车30t；

组合4：恒载+桥塔沉降+降温+单车30t；

组合5：恒载+桥塔沉降+升温+单车20t；

组合6：恒载+桥塔沉降+降温+单车20t。

（4）承载能力验算

根据结构受力特点和现有情况，参照相关规范验算构件强度。

①吊杆横梁

由于吊杆横梁截面较大，且混凝土部分尺寸比例很高，横梁主要承受弯矩效应，因此按照钢材和混凝土组合截面计算承载能力。

②加劲梁

由于加劲梁杆件截面很小，型钢混凝土保护层较薄，且从现状检查看破损主要发生在焊缝处，因此将杆件等效为钢材换算截面，采用型钢边缘处的应力控制杆件强度。

5主要计算结果

（1）主缆承载能力验算

主缆在单车道公路-II级作用下的承载能力验算结果见下图表。

（3）上弦纵梁承载能力验算

上弦纵梁在设计荷载作用下的承载能力验算结果见下表。

表5.3上弦纵梁承载能力验算结果（最大值）

计算表明，在30t单车荷载作用下少数斜腹杆单元应力超过规范限值范围为2%～7%；若焊缝及混凝土不再继续劣化，在20t单车荷载作用下斜腹杆单元承载能力满足要求。

（6）吊杆横梁承载能力验算

吊杆横梁在单车道公路-II级荷载作用下的承载能力验算结果见下表

表5.8单车道公路-II级荷载作用下吊杆横梁承载能力验算结果（最大值）

6结束语

考虑外观检查已明确的病害以及专项检查确定的结构线形及材料强度、静动载试验结果的基础上，主缆、吊杆、横梁、桥塔立柱及其联系杆件、上弦杆和下弦杆未破损部分，锚碇承载能力满足单车道公路-II级荷载通行要求；预制应力钢骨砼桁架部分斜腹杆单元承载能力不满足要求，且应力效应超过规范限值范围为1%～37%

在30t单车荷载作用下预制应力钢骨砼桁架少数斜腹杆单元承载能力不满足要求，应力效应超过规范限值范围为2%～7%。在20t单车荷载作用下预制应力钢骨砼桁架斜腹杆单元承载能力满足要求。

（2）本文通过验算受损状态下悬索桥的主缆、吊杆、主梁的结构安全性，为后续的桥梁加固处治工作提供参考，并为同类型桥梁的病害分析及承载能力鉴定积累可靠经验。

参考文献：

[1]戴公连，李德建.桥梁结构空间分析设计方法与应用[M].北京：人民交通出版社，2011

[2]中华人民共和国交通部.大跨径混凝土格人的试验方法（试行）.[S]北京：人民交通出版社，1982

[3]广东省建设厅.《城市桥梁检测技术标准》（DBJ/T15-87-2011））.[S]广东省：广东省建设厅，2011

[4]中华人民共和国行业标准.公路桥涵设计通用规范JTGD60—2004

[5]中华人民共和国行业标准.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范JTGD62-2004