（陽光學院，福州 350015）

橋墩變位對預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)連續(xù)T梁橋受力性能的影響分析

■李嘉維

（陽光學院，福州 350015）

結(jié)合環(huán)境振動測試和精細有限元模型，對一座橋墩變位的3×40m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)連續(xù)T梁橋的受力性能進行了分析。首先，介紹了該橋概況以及由于施工導(dǎo)致的橋墩變位情況。其次，在環(huán)境振動測試的基礎(chǔ)上，建立能反映當前狀況的基準有限元模型。最后，對該橋的正常使用性能進行了評估，并分析了橋墩偏位發(fā)展對橋梁受力性能的影響。結(jié)果表明，當前狀態(tài)下橋梁能夠滿足正常使用性能，但當扭轉(zhuǎn)偏位達到0.2°時，將引起主梁開裂。

剛構(gòu)連續(xù)梁橋 環(huán)境振動測試 扭轉(zhuǎn)偏位 正常使用性能 開裂

1 工程背景

紅毛里I號分離式大橋為國家高速公路沈海線 (閩)羅寧高速公路K166改線工程，紅毛里I號分離式大橋全長1057m，橋面寬度：凈11.0m+2×0.5m防撞欄。該橋上部結(jié)構(gòu)采用3×40m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁結(jié)構(gòu)，每跨橋由5片T梁組成，主梁和橋墩固結(jié)。13號橋墩為2.2×6.5m矩形實心橋墩，平均墩高分別為42.939m，采用C40混凝土；14號橋墩為雙柱式圓形實心橋墩，平均墩高為28.316m，采用C30混凝土。該橋于2008年5月建成通車。圖1為紅毛里I號分離式大橋?qū)嵕皥D，圖2為14跨所在聯(lián)橋梁總體布置圖。

圖1 紅毛里I號分離式大橋?qū)嵕皥D

由于該橋施工時變更較多，梁體及下部結(jié)構(gòu)存在不同程度的缺陷，橋墩變位便是其中之一。為了跟蹤測量紅毛里I橋14號墩偏位，在墩頂、墩底設(shè)置觀測點，實測結(jié)果見圖3?？梢钥闯?，14號墩1號測點最大水平位移達到0.132m，線傾斜度達到0.91%，已經(jīng)超過規(guī)范容許墩偏位范圍[1]。

圖2 第14跨所在聯(lián)總體布置圖

圖3 紅毛里I橋14號墩偏位示意圖

2 基于環(huán)境振動測試的基準有限元模型

2.1 環(huán)境振動測試和模態(tài)參數(shù)識別

橋梁振動的加速度信號由傳感器拾振，由采集儀采集大量的加速度信號。三個測試跨三個方向各有四個測站。采樣頻率500Hz，濾波300Hz。測試所得的數(shù)據(jù)用隨機子空間 (SSI)方法進行處理[2-3]，共得到豎向前4階，橫向前2階和縱向1階的頻率和振型。其中用MAC表示的實測動力特性和計算動力特性的相關(guān)程度。

式中， φa與φe分別代表計算與實測模態(tài)振型向量。

2.2 基準有限元模型

按結(jié)構(gòu)的實際尺寸并考慮由于施工原因?qū)е碌臉蚨掌唤⒂邢拊Ｐ?(橋墩偏位以實際測量結(jié)果為準)。全橋有限元模型共有單元20245個，節(jié)點31224個，如圖4和圖5。在有限元模型中，14號墩橋墩墩身及橫撐采用Beam4單元，其余均采用Solid45單元模擬，用Combin14單元模擬橋兩端支座[4]。

通過文獻［5］的方法進行有限元模型修正，得到基本材料參數(shù)如下： (1)T梁、橫隔板、現(xiàn)澆混凝土C55混凝土：彈性模量 E=4.4×104MPa，容重Dens= 24.5kN/m3，密度為2.55×103kg/m3，泊松比0.167； (2)承臺 C30混凝土：彈性模量E=3.6×104MPa，容重Dens=24.5kN/m3，密度為2.55×103kg/m3，泊松比0.167；(3)橋面板、橋墩墩身C40混凝土彈性模量E=4.0×104MPa，容重Dens=24.5kN/m3，密度為2.55×103kg/m3，泊松比0.167。根據(jù)實際位置施加約束，對主橋橋墩承臺底面節(jié)點固結(jié)，模擬實際的固結(jié)狀況；在橋梁兩端截面的節(jié)點豎向固結(jié)同時添加縱向和橫向彈簧約束，縱向彈簧剛度取2.2×106N/m，橫向彈簧剛度取8×108N/m，；橋面伸縮縫通過采用縱向，橫向彈簧單元模擬，縱向彈簧剛度取3×104N/m，橫向彈簧剛度取1×104N/m。

圖4 有限元模型空間圖

圖5 有限元模型平面圖

通過環(huán)境振動試驗和實驗?zāi)B(tài)分析，得到紅毛里I號大橋豎向4階、橫向2階及縱向1階的頻率和振型，有限元計算的頻率和MAC值也列于表1。可以看出，實測和計算頻率吻合較好，誤差基本在5%以內(nèi)，實測和計算的振型也吻合良好，MAC值基本在90%以上。

表1 實測與計算動力特性比較

3 正常使用性能評估

利用基準有限元模型，計算紅毛里I號大橋在靜力荷載作用下各控制截面的應(yīng)力及結(jié)構(gòu)變形，從而確定橋梁結(jié)構(gòu)實際工作狀態(tài)與設(shè)計期望值是否相符。

3.1 撓度驗算

紅毛里I號大橋邊跨主梁跨中在各個工況荷載作用下最大撓度值為10.76mm，中跨跨中主梁在各個工況荷載作用下，最大撓度值為5.60mm，考慮長期作用的影響，仍遠小于規(guī)范容許值L/600(66.7mm)，說明橋梁的整體剛度滿足要求[6-7]。

3.2 應(yīng)變驗算

在汽車荷載作用下，14號墩墩頂截面最大的計算拉應(yīng)變發(fā)生在為48με，表明負彎矩作用下墩頂截面不會產(chǎn)生開裂。在正彎矩作用下，邊跨跨中截面最大計算應(yīng)變145με，中跨跨中截面計算應(yīng)變?yōu)?05με。由于該橋為預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋，梁體內(nèi)部有一定的壓應(yīng)力儲備，因此，在預(yù)應(yīng)力和汽車荷載共同作用下的應(yīng)變不會超過C55混凝土的極限拉應(yīng)變，橋梁強度滿足要求[6-7]。

綜合計算得出，在施工引起的橋墩偏位情況下，該橋仍然可以滿足梁的正常使用功能。

4 橋墩扭轉(zhuǎn)偏位對主梁受力影響分析

由于Solid45實體單元節(jié)點沒有扭轉(zhuǎn)自由度，14號橋墩扭轉(zhuǎn)偏位通過橋墩與梁連接的支座彈簧節(jié)點，以及墩身相應(yīng)節(jié)點縱向偏轉(zhuǎn)相應(yīng)位移來模擬。

以墩頂截面和中跨跨中截面為例，分析最大拉應(yīng)變隨14號墩扭轉(zhuǎn)偏位的變化，如圖6所示?？梢钥闯?，14號墩發(fā)生扭轉(zhuǎn)偏位，在自重及設(shè)計車道荷載組合作用下，墩頂負彎矩截面和跨中正彎矩截面應(yīng)變會發(fā)生較為明顯的變化。14號墩扭轉(zhuǎn)偏位每增大0.05°，應(yīng)變大約增大100%。在14號墩扭轉(zhuǎn)偏位達到0.2°時，墩頂負彎矩截面最大拉應(yīng)變達到650με，中跨跨中正彎矩截面最大拉應(yīng)變達到818με。

圖6 最大拉應(yīng)變隨14號墩扭轉(zhuǎn)偏位的變化

(1)墩頂截面抗裂驗算

計算得到預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的壓應(yīng)力為5.1MPa，得到墩頂截面可抵抗最大拉應(yīng)變?yōu)?3.7με，梁端墩頂截面梁頂最大拉應(yīng)變達到650με，說明墩頂主梁截面會出現(xiàn)拉應(yīng)力，拉應(yīng)變大小為606.3με，超過C55混凝土極限抗拉應(yīng)變77.2με，因此T梁梁頂開裂[7-8]。

(2)跨中截面抗裂驗算

計算得到預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的壓應(yīng)力為24.9MPa，計算得到跨中截面可抵抗最大拉應(yīng)變?yōu)?01.4με，中跨跨中截面梁底最大應(yīng)變達到818με，說明中跨跨中截面會出現(xiàn)拉應(yīng)力，扣除預(yù)應(yīng)力效應(yīng)后拉應(yīng)變大小為116.6με，已超過C55混凝土極限抗拉應(yīng)變77.2με，說明T梁跨中梁底將會開裂[7-8]。

5 結(jié)論

(1)由于施工原因，一座3×40m的剛構(gòu)-連續(xù)梁橋的橋發(fā)生偏位，測量結(jié)果表明，最大水平位移達到0.132m，垂線傾斜度達到0.91%，超過規(guī)范容許墩偏位范圍。

(2)通過環(huán)境振動測試識別出了橋梁基本動力特性，共得到該豎向前4階，橫向前2階和縱向1階模態(tài)特性。其中，豎向基頻為 3.135Hz，橫向基頻為1.507Hz，縱向基頻為0.696Hz，一階模態(tài)阻尼比豎向為3.9%，橫向為4.0%，縱向為5.3%，介于一般橋梁結(jié)構(gòu)臨界阻尼比1.0%~10.0%之間，屬于正常范圍。

(3)以施工已經(jīng)造成的扭轉(zhuǎn)偏位為基準建立有限元模型，并利用環(huán)境振動測試結(jié)果對橋梁有限元模型進行修正。橋梁理論模態(tài)與實驗?zāi)B(tài)比較吻合，表明所采用的計算參數(shù)和邊界條件是基本正確的，修正后的有限元模型能夠基本反映橋梁當前的真實狀態(tài)。

(4)根據(jù)基準有限元模型進行了橋梁的正常使用狀態(tài)分析，表明該橋滿足正常使用性能。但是如果扭轉(zhuǎn)進一步發(fā)展，則對結(jié)構(gòu)整體受力極為不利。當14號墩扭轉(zhuǎn)偏位達到0.2°時，在自重及設(shè)計車道荷載組合作用下，墩頂截面以及中跨跨中截面應(yīng)變均超過規(guī)范要求抗裂限值，說明邊跨及中跨跨中截面T梁梁底將會開裂。因此，需要對該橋的扭轉(zhuǎn)偏位進行定期觀察，掌握其發(fā)展趨勢，確保橋梁安全

［1］JTGF80／1—2004，公路工程質(zhì)量檢驗評定標準［S］.

［2］De Roeck G，Peeter B. MACEC2.0-Modal Analysis on Civil Engineering Constructions.Belgium: Department of Civil Engineering ［D］.Catholic University of Leuven，1999.

［3］任偉新.環(huán)境振動系統(tǒng)識別方法的比較分析［J］.福州大學學報(自然科學版),2001.12,29(6):80-86.

［4］王新敏，李義強，許宏偉.ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元與 應(yīng)用［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［5］魏錦輝,任偉新.基于響應(yīng)面方法的橋梁靜動力有限元模型修正［J］.公路交通科技,2015,32(002):68-73.

［6］JTGD60-2004，公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范［S］.

［7］JTGD62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范［S］.

［8］JTG/TJ21-2011.公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程［S］.

福建省教育廳科技項目 (JA12041)和福建省重點交通科技項目