王鳴軍

(常州市市政管理處，江蘇常州 213002)

0 前言

2012年12月22日上午11時(shí)左右，常州某大橋引橋第五聯(lián)附近打樁機(jī)倒塌，橋梁受到撞擊多處受損。為全面了解和掌握此次事故對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)總體技術(shù)狀況和安全性能的影響，本文選取砸擊事故后受損的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁為研究對(duì)象，通過對(duì)受損橋梁主體結(jié)構(gòu)及其附屬構(gòu)件的全面檢查結(jié)果，掌握了大橋橋面砸擊后重要結(jié)構(gòu)部位的技術(shù)狀況。同時(shí)，對(duì)橋面砸擊進(jìn)行了結(jié)構(gòu)損傷仿真分析，研究了橋面砸擊引起的箱梁受力分布規(guī)律[1-4]。從而為此類事故造成的橋梁損傷狀況及其加固維修提供了經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)支撐。

1 工程概況

事故橋梁為常州市某大橋引橋第五聯(lián)，跨徑組合為(3×30)m，單箱5室結(jié)構(gòu)，分別于支座處和每跨跨中處設(shè)置橫隔板，箱梁橫斷面為斜腹板截面，橋面寬度30.5m，底板寬23.5 m。箱梁高1.70m，頂板厚25 cm，底板厚22 cm～40 cm，腹板厚45 cm～75 cm。主梁采用C50混凝土，橋墩、橋臺(tái)采用C30混凝土，橋面鋪裝采用8 cm厚瀝青混凝土鋪裝+1mm防水層+5 cm厚鋼筋混凝土鋪裝。設(shè)計(jì)荷載：公路-I級(jí)，人群荷載：3.5 kN/m2。橋梁總體布置如圖1所示，事故現(xiàn)場(chǎng)參見圖2所示。

2 箱梁砸擊后受損區(qū)域調(diào)查

通過對(duì)大橋受到砸擊后的損傷和缺陷進(jìn)行全面、細(xì)致、深入的現(xiàn)場(chǎng)檢查，查明結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件的損傷區(qū)域及損傷程度，以便能分析、評(píng)價(jià)損傷對(duì)橋梁技術(shù)狀況產(chǎn)生的影響。

圖1 常州市某大橋引橋第五聯(lián)總體布置及典型斷面圖(單位：cm)

圖2 常州市某大橋引橋第五聯(lián)受打樁機(jī)倒塌砸擊事故現(xiàn)場(chǎng)

經(jīng)事故現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與測(cè)定，打樁機(jī)砸擊后大橋主要受損區(qū)域包括：(1)受砸擊區(qū)域主要為引橋第五聯(lián)15#～16#墩間跨；(2)橋面鋪裝與箱梁頂板砸擊面積大致為(1.5×1.5)m2，沿橋梁縱向?yàn)?5#～16#墩間跨東側(cè)距15#墩頂伸縮縫中心21.0m～22.5m，橫向?yàn)闁|側(cè)端部5.2 m～6.7 m范圍。砸穿區(qū)域附近橋面鋪裝多處位置有坑槽；(3)東側(cè)約7.6 m非機(jī)動(dòng)車道欄桿、約5.7 m分隔墩欄桿被砸斷，相應(yīng)受損部位下方混凝土局部破損。

3 箱梁砸擊后結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況檢測(cè)結(jié)果

3.1 箱梁表觀狀況檢查

針對(duì)箱梁受到直接砸擊的情況，深入檢查箱梁混凝土頂板、腹板及底板混凝土損傷狀況。檢查區(qū)域參見圖3所示，共檢查了A～E五個(gè)箱室。

圖3 檢查區(qū)域示意圖

A箱室檢查結(jié)果表明：(1)約(4.0×4.0)m2區(qū)域頂板混凝土受沖擊破碎、劈裂、脫空(敲擊)。由于砸擊區(qū)靠近中腹板，所以靠近中腹板區(qū)域頂板破損更為嚴(yán)重。(2)受砸區(qū)附近縱向預(yù)應(yīng)力筋錨固齒板混凝土受損嚴(yán)重，室內(nèi)東(近邊腹板)、西(近中腹板)兩側(cè)錨固齒板混凝土均在頂板連接處破碎，西錨固齒板尤為嚴(yán)重，鋼筋露出。(3)東側(cè)錨固齒板沿錨固尖端形成約40 cm×40 cm的劈裂區(qū)(混凝土尚未脫落)，西側(cè)錨固齒板沿錨固尖端形成長(zhǎng)約30 cm、寬約0.12 mm的斜向分叉裂縫。頂板損傷區(qū)域具體位置及技術(shù)狀況參見圖4、圖5所示。

圖4 A箱室內(nèi)箱梁頂板受損區(qū)域示意圖(單位：cm)

圖5 A箱室內(nèi)箱梁頂板、預(yù)應(yīng)力錨固齒板受損實(shí)景

B箱室檢查結(jié)果表明：(1)箱室內(nèi)混凝土受損區(qū)域主要為A、B箱室間的中腹板和與之相交的頂板區(qū)域，且A、B箱室實(shí)測(cè)受損中心位置在縱向上基本吻合；(2)頂板混凝土形成(4.0×0.2)m2的劈裂區(qū)域；腹板與頂板交接處混凝土縱向開裂，開裂長(zhǎng)度約4.0 m，寬度約0.4～0.7 mm；(3)在砸擊中心區(qū)域兩側(cè)，腹板混凝土產(chǎn)生5條斜向裂縫L1～L5，裂縫L1長(zhǎng)約0.3m，寬小于0.1mm；裂縫L2長(zhǎng)約1.3m，寬約0.2mm；裂縫L3長(zhǎng)約1.0m，寬約0.12mm；裂縫 L4長(zhǎng)約 0.5 m，寬約0.2 mm；裂縫L5長(zhǎng)約 0.6 m，寬約0.08～0.1 mm。損傷區(qū)域具體位置及技術(shù)狀況參見圖6、圖7所示。

圖6 B箱室內(nèi)箱梁頂、腹板受損區(qū)域示意圖(單位：cm)

圖7 B箱室內(nèi)箱梁頂板、預(yù)應(yīng)力錨固齒板受損實(shí)景

C、D、E箱室檢查結(jié)果表明：箱室內(nèi)混凝土頂、底、腹板混凝土基本完好，未發(fā)現(xiàn)劈裂、破碎區(qū)域?？v向預(yù)應(yīng)力筋錨固齒板混凝土錨固完好，未發(fā)現(xiàn)劈裂、破碎及開裂區(qū)域。

3.2 預(yù)應(yīng)力鋼筋及主筋受損狀況檢查

針對(duì)砸擊區(qū)域鋼筋外露情況，深入檢查預(yù)應(yīng)力鋼筋及主筋受損狀況。檢查結(jié)果表明：(1)A箱室受砸區(qū)箱梁頂板3根縱向預(yù)應(yīng)力鋼筋(近邊腹板1根、近中腹板2根)被砸外露，受損較為嚴(yán)重。鋼筋局部下凹變形且波紋管破損。(2)A箱室受砸區(qū)箱梁頂板3根(間距約50 cm)橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋被砸外露，鋼筋受損非常嚴(yán)重。被砸處波紋管局部破損，并且中間一根下凹變形明顯。(3)A箱室受砸區(qū)箱梁頂板主筋被砸彎、下凹變形嚴(yán)重，其余混凝土劈裂區(qū)域大量鋼筋外露；橋面鋪裝層鋼筋網(wǎng)被砸斷、彎曲。技術(shù)狀況參見圖8所示。

圖8 A箱室內(nèi)預(yù)應(yīng)力鋼筋被砸外露，局部下凹變形，波紋管局部破損，主筋被砸彎實(shí)景

4 結(jié)構(gòu)損傷仿真分析與討論

4.1 計(jì)算方法及模型

計(jì)算采用大型有限元分析軟件MIDAS/FEA。混凝土箱梁采用空間實(shí)體單元模擬，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用空間桿系鋼筋單元進(jìn)行模擬。該大橋引橋第五聯(lián)有限元分析模型單元?jiǎng)澐挚紤]計(jì)算效率和計(jì)算精度，于砸擊荷載作用區(qū)域內(nèi)單元長(zhǎng)度細(xì)化為0.5 m，同跨其他部位單元長(zhǎng)度取1 m，其他兩跨單元長(zhǎng)度取2 m。共29 817個(gè)實(shí)體單元，5 855個(gè)預(yù)應(yīng)力鋼筋單元。由于現(xiàn)場(chǎng)倒塌荷載砸擊的具體狀態(tài)無法準(zhǔn)確確定，此次計(jì)算分析取倒塌的打樁機(jī)重量6 t，動(dòng)荷系數(shù)約200[5]。砸擊荷載采用面荷載模擬，作用面積約(1.5×1.5)m2。結(jié)構(gòu)損傷仿真分析有限元模型及計(jì)算荷載模擬參見圖9所示。

4.2 仿真分析結(jié)果與討論

在假定的砸擊荷載作用下，箱梁頂板理論受損區(qū)域大于實(shí)測(cè)受損區(qū)域，大致在(5.5×7.0)m2左右，頂板理論受損區(qū)域如圖10所示。受砸區(qū)同一箱室內(nèi)邊、中腹板應(yīng)力水平較大，其他箱室內(nèi)腹板應(yīng)力水平相對(duì)較小。其中，受砸擊影響最顯著部位位于中腹板與頂板交接區(qū)域，大致在(4.0×0.5)m2左右。底板受砸擊影響最顯著部位位于邊、中腹板交接區(qū)域，均在(1.5×1.5)m2左右。受損區(qū)域中心縱向位置與砸擊區(qū)域相同。

圖9 結(jié)構(gòu)損傷仿真分析有限元模型

圖10 箱梁頂板理論損傷區(qū)域示意圖

5 結(jié)論

(1)橋面鋪裝與箱梁頂板砸擊面積大致為(1.5×1.5)m2，直接砸穿。A箱室約(4.0×4.0)m2區(qū)域頂板混凝土受沖擊破碎、劈裂、脫空。受砸區(qū)附近兩側(cè)縱向預(yù)應(yīng)力筋錨固齒板混凝均在頂板連接處破碎，鋼筋露出。B箱室頂板混凝土形成(4.0×0.2)m2的劈裂區(qū)域，腹板與頂板交接處混凝土縱向開裂，腹板混凝土產(chǎn)生5條斜向裂縫。

(2)受砸區(qū)A箱室箱梁頂板3根縱向、3根橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋被砸外露，鋼筋局部下凹變形且波紋管破損。頂板主筋被砸彎、下凹變形嚴(yán)重。鋪裝層鋼筋網(wǎng)被砸斷、彎曲。

(3)砸穿區(qū)域附近橋面鋪裝多處位置有坑槽。約7.6 m非機(jī)動(dòng)車道欄桿被砸斷，約5.7 m分隔墩欄桿被砸斷。

(4)在假定的砸擊荷載作用下，理論仿真分析頂、底板及腹板受損面積略大于實(shí)測(cè)結(jié)果。

[1]譚晟.高等級(jí)公路橋梁空心板開裂原因分析研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2008.

[2]金玉泉.橋梁的病害及災(zāi)害[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2006.

[3]黃穎.混凝土板橋病害原因分析及加固方法研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2005.

[4]張勁泉，王文濤.橋梁檢測(cè)與加固手冊(cè)[M].北京：人民交通出版社，2007.

[5]Anil K.Chopra.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論及其在地震工程中的應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.