劉海彎，李龍輝，謝 巍，陳 科

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710064)

洪塘大橋主跨為120 m預(yù)應(yīng)力砼斜拉桁架T型結(jié)構(gòu)，這是一種較為特殊的橋梁結(jié)構(gòu)形式，綜合斜拉、桁架及T形剛構(gòu)三種結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)［1－3］。兩個(gè)三角桁架中間經(jīng)剪力鉸連接，主橋和引橋經(jīng)拉壓支座連接，橋梁主墩是V型墩，基礎(chǔ)為鉆孔樁基礎(chǔ)。對(duì)該橋檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，剪力鉸處發(fā)生錯(cuò)臺(tái)，跳車現(xiàn)象嚴(yán)重，同時(shí)荷載反復(fù)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(duì)該橋進(jìn)行了模擬分析(見圖1)。

圖1 洪塘大橋有限元模型

1 病害機(jī)理分析

在兩個(gè)桁架之間設(shè)置剪力鉸，減小了預(yù)應(yīng)力砼斜拉桁架T構(gòu)的超靜定次數(shù)和跨中彎矩，但增加了墩梁固結(jié)處的彎矩和推力，使行車性能差，汽車通過時(shí)剪力鉸兩側(cè)受不對(duì)稱荷載，引起剪力鉸錯(cuò)臺(tái)，造成跳車，剪力鉸受到較大的沖擊力，在反復(fù)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(jì)90年代，拉壓支座的設(shè)計(jì)承載力滿足汽－20荷載，對(duì)現(xiàn)在交通量增加、超載嚴(yán)重的現(xiàn)象已不能滿足。在橋梁運(yùn)營(yíng)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(dāng)中的兩個(gè)特殊構(gòu)件，經(jīng)常發(fā)生不同程度的破壞，因此分析可能引起這兩種構(gòu)件損傷的因素是很有必要的。經(jīng)過綜合對(duì)比分析，選取預(yù)應(yīng)力損失、剛度折損、基礎(chǔ)沉降及活載四種主要因素對(duì)兩種構(gòu)件的敏感性進(jìn)行分析。

1.1 單因素分析［5］

1.1.1 預(yù)應(yīng)力損失對(duì)剪力鉸和拉壓支座影響

該橋的斜拉桁架是預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)過程中預(yù)應(yīng)力損失估計(jì)過低、過高都將影響橋梁結(jié)構(gòu)使用，預(yù)應(yīng)力損失過大，有效預(yù)應(yīng)力降低，使結(jié)構(gòu)剛度和承載力降低，撓度增大。而剪力鉸和拉壓支座受力復(fù)雜，容易出現(xiàn)病害，故研究預(yù)應(yīng)力損失對(duì)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(duì)預(yù)應(yīng)力損失較敏感。預(yù)應(yīng)力損失對(duì)橋梁下?lián)嫌绊戯@著，隨預(yù)應(yīng)力損失增大，恒載與預(yù)應(yīng)力效應(yīng)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(huì)越大。拉壓支座處反力主要由恒載與預(yù)應(yīng)力控制，預(yù)應(yīng)力損失增大，恒載大于預(yù)應(yīng)力效應(yīng)，預(yù)應(yīng)力使拉壓支座受拉，恒載使其受壓，隨預(yù)應(yīng)力損失增加，拉壓支座處拉力減小。當(dāng)預(yù)應(yīng)力損失40%，拉壓支座的反力超過其設(shè)計(jì)承載能力值，支座發(fā)生破壞。

1.1.2 構(gòu)件損傷對(duì)剪力鉸和拉壓支座的影響

混凝土構(gòu)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(jié)構(gòu)剛度和承載力降低，變形增大，降低橋梁的使用性能，對(duì)剪力鉸和拉壓支座也會(huì)產(chǎn)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(gòu)件的剛度損失。由圖3可知，剪力鉸Z向位移對(duì)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(yù)應(yīng)力損失敏感性分析

圖3 剛度損失敏感性分析

1.1.3 基礎(chǔ)沉降對(duì)剪力鉸和拉壓支座的影響

預(yù)應(yīng)力砼桁架T構(gòu)是超靜定結(jié)構(gòu)，當(dāng)基礎(chǔ)發(fā)生整體沉降或不均勻沉降時(shí)，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，引起橋梁上部結(jié)構(gòu)變形，梁體開裂，甚至導(dǎo)致破壞。

由圖4看出，基礎(chǔ)整體沉降對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土桁架T構(gòu)橋拉壓支座反力和剪力鉸Z方向位移和剪力敏感，對(duì)拉壓支座X方向位移不敏感，即過大的基礎(chǔ)沉降將使這兩種構(gòu)件發(fā)生破壞。

由圖5、圖6發(fā)現(xiàn):橋墩繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shè)計(jì)值;橋墩繞Y軸負(fù)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，拉壓支座X軸方向位移變化較大，梁的長(zhǎng)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(dá)到1 298.2 kN，已超出拉壓支座設(shè)計(jì)值，拉壓支座破壞，剪力鉸處位移變化較小。

1.1.4 活載對(duì)剪力鉸和拉壓支座的影響

洪塘大橋的設(shè)計(jì)依據(jù)是85規(guī)范，現(xiàn)橋梁設(shè)計(jì)采用04規(guī)范，04規(guī)范與85規(guī)范對(duì)比，04規(guī)范中公路－Ⅱ級(jí)與85規(guī)范中汽車－20級(jí)荷載的效應(yīng)基本相當(dāng)，而04規(guī)范中公路－Ⅰ級(jí)荷載比85規(guī)范汽車－超20級(jí)荷載效應(yīng)平均提高約6% ～8%。公路－Ⅱ級(jí)車道荷載是公路－Ⅰ級(jí)的0.75倍。由于該橋修建時(shí)間早，荷載等級(jí)不高，現(xiàn)交通量增加，超載嚴(yán)重，使橋梁撓度增大，混凝土開裂、鋼筋銹蝕，剛度降低，因此對(duì)超載進(jìn)行分析顯得十分必要。

圖4 墩結(jié)構(gòu)整體沉降

圖5 墩繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)

由圖7可知，汽車超載40%時(shí)相當(dāng)于荷載等級(jí)提高到汽車－超20。同時(shí)超載對(duì)拉壓支座的反力影響較大，對(duì)剪力鉸影響較小。但剪力鉸錯(cuò)臺(tái)時(shí)，車輛在錯(cuò)臺(tái)處跳車，超載將進(jìn)一步加大錯(cuò)臺(tái)，故超載對(duì)拉壓支座和剪力鉸都有較大影響。

圖6 墩繞Y軸負(fù)方向轉(zhuǎn)動(dòng)

圖7 汽車超載敏感性分析

1.2 多因素病害成因分析

經(jīng)上述分析:引起剪力鉸錯(cuò)臺(tái)主要因素有預(yù)應(yīng)力損失、混凝土剛度降低和基礎(chǔ)變位(整體沉降、繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng))，導(dǎo)致拉壓支座拉壞可能因素有混凝土剛度降低、墩繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)和超載。若將這些因素進(jìn)行排列組合計(jì)算，計(jì)算量較大，通過數(shù)理統(tǒng)計(jì)法用正交表計(jì)算會(huì)大大減小計(jì)算量。

1.2.1 剪力鉸處剪力正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)［2］

將影響剪力鉸錯(cuò)臺(tái)因子進(jìn)行正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因子有5個(gè)，設(shè)計(jì)正交表，因變量為剪力鉸剪力，其水平的確定通過大量計(jì)算得出。

表1 剪力鉸錯(cuò)臺(tái)水平因素表

將上述5個(gè)變量因子每次分別單獨(dú)變化一個(gè)水平，與其他因子的水平組合成16個(gè)實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行計(jì)算，16組實(shí)驗(yàn)組合情況不予具體闡述。

利用SPSS軟件對(duì)正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析對(duì)比這些因素對(duì)剪力鉸錯(cuò)臺(tái)水平的影響程度的大小。在SPSS中首次計(jì)算時(shí)取誤差為0，計(jì)算結(jié)果無統(tǒng)計(jì)量和顯著水平，將極差最小的預(yù)應(yīng)力損失百分比作為誤差估計(jì)，重新計(jì)算(見表2)得到:預(yù)應(yīng)力損失百分比P=0.058，在顯著水平α=0.05上無統(tǒng)計(jì)意義，但在顯著水平α=0.1上有統(tǒng)計(jì)意義。同理，基礎(chǔ)整體沉降量、橋墩繞X軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)角度、橋墩繞Y軸負(fù)方向轉(zhuǎn)動(dòng)角度在顯著水平α=0.05上有統(tǒng)計(jì)意義，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響顯著。

表2 第二次主體間效應(yīng)的檢驗(yàn)

通過SPSS計(jì)算得到，對(duì)剪力鉸影響程度的大小為:混凝土剛度損失百分比＞基礎(chǔ)整體沉降量＞橋墩繞X軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)角度＞預(yù)應(yīng)力損失百分比橋墩＞繞Y軸負(fù)方向轉(zhuǎn)動(dòng)角度。每個(gè)因素的最佳水平是基礎(chǔ)整體沉降量3 cm，橋墩繞X軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)0.2度，橋墩繞Y軸負(fù)方向轉(zhuǎn)動(dòng)0.05度，混凝土剛度損失15%，剪力值為576.1 kN，超過其抗剪設(shè)計(jì)值500 kN。

1.2.2 拉壓支座反力正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)［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(gè)，選擇正交表，進(jìn)行正交試驗(yàn)，其中水平確定是通過大量計(jì)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(gè)因子改變一個(gè)水平，與其他因子水平組合成影響效應(yīng)較大的9組水平，計(jì)算拉壓支座處的反力值。

選取支座處反力值時(shí)選擇1#桁架上游側(cè)數(shù)據(jù)，在SPSS中首次計(jì)算取誤差為0，計(jì)算結(jié)果無統(tǒng)計(jì)量和顯著水平，將極差最小的預(yù)應(yīng)力損失百分比作為誤差估計(jì)，重新計(jì)算(見表4)得到:混凝土剛度損失百分比，橋墩繞Y軸負(fù)方向轉(zhuǎn)動(dòng)角度均在顯著水平α=0.05上有統(tǒng)計(jì)意義，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果均影響顯著。

通過SPSS計(jì)算得到，對(duì)拉壓支座反力影響大小為:橋墩繞Y軸負(fù)方向轉(zhuǎn)動(dòng)角度＞混凝土剛度損失百分比。每個(gè)因素的最佳水平是橋墩繞Y軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)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(shè)計(jì)值400 kN。

2 小結(jié)

本文對(duì)可能導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架T構(gòu)病害的因素歸納，經(jīng)單因素和正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)分析預(yù)應(yīng)力損失、構(gòu)件損傷、基礎(chǔ)不均勻沉降和活載對(duì)混凝土桁架T構(gòu)橋病害的影響，最后經(jīng)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(yīng)的檢驗(yàn)

預(yù)應(yīng)力砼斜拉桁架T構(gòu)的剪力鉸和拉壓支座對(duì)于結(jié)構(gòu)的受力十分重要。剪力鉸的設(shè)置減小了結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)，使得結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布，影響結(jié)構(gòu)安全。因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)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(jiān).預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉式桁架T構(gòu)橋介紹［J］.公路，1992(1):18－24.

［2］ 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)［EB/OL］.［2012－4－27］.http://wiki.mbalib.com/wiki/正交試驗(yàn)設(shè)計(jì).

［3］ 邱峰.預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉桁架橋結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2006.

［4］ 馮東瀛，馮克敏.球型拉壓測(cè)力支座研究設(shè)計(jì)［C］//第八屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，1999:244－249.

［5］ 公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范:JTG－D62－2004［S］.北京:北京人民交通出版社，2004.