某预应力混凝土连续梁桥受损评估与加固.pdf

某 预应力混 凝土连续梁桥受损评估与加 固 伍贤智 ， 董晓兵 8 3 某预应 力混凝 土连续梁桥 受损评估与加 固 伍 贤智 。 。 董 晓兵 ( 1 中铁大桥科学研究院有 限公 司， 湖北 武汉 4 3 0 0 3 4 ； 2 桥梁结构健康与安全 国家重点实验室， 湖北 武汉 4 3 0 0 3 4 ) 摘 要 ： 某桥 为( 3 4 +4 O +3 4 )m 预应力混凝土连 续箱梁桥 ， 受 上层高架 钢结构滑落撞 击 ， 2 跨部 分翼缘板严 重开裂 。为研究 该桥损伤情况及受损后结构 的安全性 ， 采用 MI DA S C i v i l 有限元软件建立受损箱梁有限元模型 ， 评估 主梁截 面特性 ， 计算受损 前后主梁 的应力和挠度 ； 采用 ANS Y S软件进行桥梁撞击仿真分析 。结果表 明 ： 单侧翼缘板受损 使主梁截 面面积削弱 7 7 ， 使主梁截面抗弯刚度减小 6 6 ； 受损前后 主梁应力 和位移变化较小 ， 受损后 满足规范 要求 ， 但应力储 备很小 ； 在撞 击荷载作 用下 ， 翼缘板 和腹板 交界处顶板开裂 ， 与实 际情况基本 吻合 。根 据检测及 评估结果 ， 采取将第 二 、 第 三跨防撞 护栏切 除 6 0 m， 受损主梁翼缘板从悬臂根部整体切 除 ， 将原后浇调平层凿除后重新浇筑等 加固措施 。该 桥加 固后 的动静载试验结果 表明 ， 主 梁 的加 固部分能很好地与保 留的主梁共 同受 力 ， 主梁 的整体性能有较大 的提高 。 关键词 ：连续梁桥 ； 箱形 梁； 撞击 ； 应 力； 挠度 ； 评估 ； 有限元法 ； 桥 梁加 固 中图分类号 ：U 4 4 8 2 1 5 ； U4 4 5 7 2 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 1 7 7 6 7 ( 2 0 1 6 ) o 1 0 0 8 3 0 4 1 概述 某高 速 互 通 E 匝 道 3号 桥 第 三 联 ( E K1+ 2 3 4 6 9 8 E K1 +3 4 2 6 9 8 ) 为 ( 3 4 +4 0 +3 4 )m 预 应 力混凝土连续梁桥 ( 见图 1 ) ， 上部结构为单箱双室 等截面箱梁， 梁高 2 m， 顶板宽 1 3 m， 底板宽 9 m， 顶 板厚 2 2 c m， 底 板 厚 2 0 a m， 腹 板 厚 4 O 7 0 c m。箱 梁混凝土强度等级为 C 5 o ， 按部分预应力混凝土 A 类构件设计 ， 腹板设纵向预应力束 ， 梁体纵 向预应力 筋采用高强度低松弛钢绞线 。防撞护栏宽 5 0 c m。 2 0 1 4年 1 2月 3日凌晨约 4 ： O 0 ， 在 横跨该 高速 3 4 0 0 4 0 0 0 3 4 0 0 亘 6 号 7 号 8 号 9 号 7 l4 1 1 2 0 0 3 J 7 “。 1 0 c m 沥青混凝土 D P S 防水 层 导 l6 c m 厚 c 4 o 混 凝 土 调 平 层 广n 宝 2 0 0 q 3 9 0 q 3 9 0 q 2 0 0 ( b )跨中横截面 单位：c m 图 1 E匝道 3号桥 第三联 布置 公路段上层高架桥施工中， 吊装高架桥 的钢箱梁时， 钢箱梁不慎滑落至该高速公路 E匝道 3号桥上 ， 造 成该桥第二 、 三跨 防撞护栏砸碎 ， 梁体翼缘板大面积 开裂 。由于桥梁受损情况严重 ， 需对结构进行受损 评估 ， 并根据评估结果指导维修加固设计 。 2 桥 梁 受损评 估 2 1 主梁截面特性受损量化分析 根据现场检测结果 ， 对受损进行量化分析。采 用专业分析软件 MI DAS C i v i l 2 0 1 2建立受损箱梁 模 型， 考虑受损跨断裂的翼缘板均不参与工作 ， 采用 折减主梁截 面特性的方法模拟翼缘板断裂对主梁的 影响_ l q 。结果表 明 ， 单侧翼缘 板受损使 主梁截 面 面积削弱 7 7 ， 单侧翼缘板受损使 主梁截 面抗 弯 刚度 减小 6 6 。 2 2 桥梁受损仿真分析 2 2 1 有限元模型 采用 MI D AS C i v i l 有限元分析软件 ， 在原结构 基础上建立受损箱梁有限元模型( 见 图 2 ) ， 对受损 梁段翼缘板按不参与结构整体受力考虑 。 计算模型中所考虑荷载及相应取值 ： C 5 0混 凝土容重取 2 6 5 k N m。 ； 二期恒载取 6 8 k N m； 系统升温 2 O ， 系统降温 2 0； 支座不均匀沉 收稿 日期 ： 2 0 1 5 0 8 2 4 作者简介 ： 伍贤智( 1 9 8 2 ) ， 男 ， 工程 师， 2 0 0 6年毕业于 中南大学工程管理专业 ， 工学学士 ， 2 0 0 9年 毕业于 中南大学桥梁 与隧道工程专业 ， 工学 硕士( E - ma i l ： 1 7 5 9 8 7 3 9 q q c o m) 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 4 世 界 桥 梁 2 0 1 6， 4 4 ( 1 ) 图 2跨 中 受 损箱 梁有 限 兀模 型 降分别按 L 3 0 0 0 ( L为跨径) 考虑； 沿梁高方 向 温 度梯 度按 公 路 桥 涵 设 计 通 用 规 范 ( J T G D6 0 2 0 0 4 ) 取值 ， 升温时 T 一1 4、 T 一5 5， 降温时 T = = = 一7 、 T 一一2 7 5 ； 活载为公路 一 I级。 2 2 2 仿真分析结果 ( 1 )主梁刚度 。公路一 I级活载作用下主梁挠 度 如 表 1 所 示 。 表 1公 路 一 I级 活 载 作 用 下 主 粱挠 度 主梁挠度 mm 工 况 边跨跨 中( 小里程侧 ) 中跨跨 中 边跨跨 中( 大里程侧) 分 析表 1可 知 ， 在 公 路 一 I级 活 载 作 用 下受 损 前后各跨梁体 的竖向挠度变化值均较小 ， 挠度差最 大值为 0 4 6 mm， 发生在被砸一跨位置。 ( 2 )主梁 应力 。短期荷载组 合下 主梁主拉应 力 、 主压 应力 如 图 3所 示 。恒 载下 翼 缘 板 破 损前 后 正应 力 如表 2所 示 。 分 析结 果可 知 ： ( 1 )在短期荷 载组合下 ， 主梁受损前后主拉应 1 3 1 1 0 9 粤 0 7 0 5 0 3 0 1 日 里 0 2 0 4 0 6 O 8 O 1 0 0 1 2 0 梁长 m ( a )主拉应 力 图 3 短期荷载组合下主梁主拉应 力、 主压应力 表 2 恒载 下翼缘板破 损前后 正应 力 翼缘板正应力 MP a 工况 边跨跨中( 小里程侧) 中跨跨 中 边跨跨中( 大里程侧) 顶板 底板 顶板 底板 顶板 底板 受损前一5 4 5 6 6 41 0 5 4 5 6 受损后 一5 5 5 4 6 30 9 6 7 6 1 力变化主要在受损的第二、 第三跨 ， 应力差最大值发 生在距离梁端 5 8 7 m 处 ， 受损后该 处主拉应力为 0 7 9 MP a ， 与 受损 前 相 比， 主拉 应力 减 小 了 0 5 MP a 。说 明受损后箱梁发生了应力重分布 ， 但仍小 于限值 0 5 f 一1 3 2 5 MP a l 4 ， 满足 规范要 求 。 ( 2 )在短期荷载组合下 ， 主梁受损前后主压应 力总体变化幅度较小 ， 应力重分布范围较大， 应力差 最大值发生在距 离梁端 8 4 1 m处 ， 受损后最大主 压应力为一9 5 MP a ， 与受损前相 比， 主压应力增加 了 2 1 2 MP a ， 但仍小 于限值 0 6 f 。 。 一1 9 4 4 MP a ， 满足 规范要 求 。 由图 3可知 ， 箱梁翼缘板破损前后 ， 受卸荷影 响 ， 主梁应力发生重分布 ， 应力最大值减小， 其余截 面应 力则 稍有 增大 。受损 后 主梁 主拉应力 最 大值 为 1 _ 2 MP a ， 仍小于 A类构件 0 5 Ak 一1 3 2 5 MP a 限值。 ( 3 )翼缘 板破 损对 底板应 力 及 次边 跨 节段 正应 力影 响很 J 、 。 2 3 桥梁撞击仿真分析 采用 A NS YS通用有限元分析程序建立受损箱 梁模型 ， 箱梁采用 S o l i d 9 5实体单元模拟 ， 预应力筋 采用 L i n k 8单元模拟。参照 公路桥梁设计通用规 范 ( J TG D 6 0 2 0 0 4 ) 中漂流 物撞 击力 的计算 方 法 ， 计算坠落物对桥梁的撞击力 。经计算 ， 箱梁 内侧 撞击力为 1 0 6 8 k N， 外侧撞击力为 7 5 4 k N。撞击荷 载 下 ， 主梁应 力 云 图如 图 4所示 ， 主梁 主拉 应力 云 图 如图 5所示 ， 主 梁横桥 向应 力剖 面 图如 图 6所示 ， 主 梁横桥 向主拉应 力剖 面 图如 图 7所示 。 一 0 1 6 0 e + 0 8 0 1 1 9 e + 0 8 _ o 7 7 1 e + 0 7 - 0 3 5 7 e + 0 7 5 7 7 7 7 8 - 0 1 3 9 e + 0 8 9 7 8 e _o7 5 6 4 e + o 7 1 4 9 e + o 7 O 2 6 5 e + o 7 单位： M P a 图 4撞击荷载 下主梁应 力云图 O 弋 唱 加 u 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 某预应力混凝土连续梁桥受损评估 与加 固 伍 贤智 ， 董 晓兵 8 5 _ 0 1 6 0 e + 0 8 n 1 1 9 e + 0 8 - 0 7 7 1 e + 0 7 - 0 3 5 7 e + 0 7 5 7 7 7 7 8 - 0 1 3 9 e + 0 8 - 0 9 7 8 e 旧7 - 0 5 6 4 e + 0 7 - 0 1 4 9 e + O7 0 2 6 5 e + 0 7 单位：肝a 图 5 撞击荷载下主梁主拉应 力云 图 - 0 6 0 O e + 0 8 - 0 4 0 8 e + o 8 2 l 6 e 瑚- 0 2 3 3 e + 0 7 0 1 6 9 e + 0 8 -0 5 0 4 e + 0 8 _ o 3 1 2 e ) 8 _ 0 1 1 9 e + 0 8 0 7 2 8 e + 0 7 0 2 6 5 e + 0 8 单位：M P a 图 6 撞击荷载下主梁横桥 向应 力剖面图 - 0 4 5 4 e + 0 8 0 2 8 2 e + 0 8 - 0 1 l 1 e + 0 8 n 6 7 e + O 。7 0 2 3 2 e + 0 8 - 0 3 6 8 e + 0 8 - 0 1 9 6 e + 0 8 - 0 2 5 O e + O 7 0 1 4 6 e + 0 8 0 3 t 8 e - 0 8 单位： a 图 7 撞击荷载 下主梁横桥 向主拉应 力剖面图 分析图 4 、 图 5可知 ， 在撞击荷 载作用下 ， 应力 超过混凝土抗拉强度的范围约为该跨的 1 2 ， 与桥 梁实际破损范 围基本吻合。 分析图 6 、 图 7可知 ， 翼缘板顶面横桥 向最大拉 应力为 5 3 MP a ， 大于混凝土抗拉强度标准值 2 6 5 MP a ， 导致翼缘板顶板开裂 ， 开裂位置在翼缘板与腹 板交界处 ， 与桥梁实际破损情况吻合 。 计算结果表明， 在撞击力作用下 ， 应力破坏范围 基本在第二 、 三跨翼缘板范围内， 对其它跨 的影响较 小 ， 和实际相符。 3桥梁 加 固 由上述分析可知 ， 该桥翼缘板受损对结构整体 受力 性能影响不大 ， 结构是安全 的， 因此在维持 E 匝道 3号桥第三联桥梁设计荷载等级、 结构体系和 主梁外形尺寸不变的前提下 ， 通过维修加 固恢复箱 梁翼缘板原结构尺 寸以及桥梁功 能。加 固设计 荷 载 ： 公路 一 工级 ； 单向 2车道。 根据评估结果 ， 需将第二跨和第 三跨防撞护栏 切除共计 6 0 m； 受损主梁翼缘板从悬臂根部整体切 除( 见 图 8 ) ， 共切除 4 5 m。结构裂缝检测时发现箱 梁 内部存在多条裂缝 ， 为了提高结构承载力 ， 将原设 计 的 6 c m后浇调平层凿除， 重新浇筑后与切割的翼 缘板共 同受力 。 兰 Q Q 1 6 0 4 o 9 0 0 4 Q 1 6 0 2 0 0 4 0 3 9 0。4 o 3 9 0 4 0 2 0 0 注： 麓 部分为需切除部分。 单位：a m 图 8主梁 翼缘板切 割示 意 为了保证加固后调平层能参与主梁共同受力 ， 新老混凝土结构层间采用以下措施来加强连接 ： 主梁 顶板 与 后 浇 调 平 层 的 接 触 面 全 面凿 毛 ， 要 求凿毛面积达到 9 0 ； 在主梁边腹板与后浇翼缘 板之 间设 置剪 力键 ； 在 主梁顶 板表 面植 筋 ， 增 加结 合面抗剪力 ， 保证与后浇调平层共同受力 。 由于新 浇 混凝 土与保 留的主梁 间混凝 土龄 期相 差大 ， 为减小收缩徐变的影响 ， 设计中采取 了如下措 施 ： 采用 微膨 胀混凝 土 ； 新 老混凝 土 结合 面之 间 涂刷界面剂 。 采用上述加固方案 ， 经过 2个月的紧张施工， 该 桥维 修完 成 ( 见 图 9 ) ， 并通 过竣 工验 收顺利通 车 。 图 9维修加 固后主梁 4 结 语 针对某预应力混凝土连续梁桥受损情况 ， 采用 有限元法对该桥的受损情况进行 了评估 ， 得到受损 后结构的整体应力依然满足规范要求 ， 但应力储 备 已非常小， 需进行加 固； 通过撞击仿真分析 ， 桥梁开 裂计算结果与实际受损情况基本吻合。该桥采取保 留主梁 ， 减小对原结构受损 的结构性补强加 固等措 施 ， 保证了该匝道桥使用的安全性和耐久性。全桥 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 6 世 界 桥 梁 2 0 1 6 ， 4 4 ( 1 ) 经过维修加 固后 的动静载试验结果表 明： 主梁的加 固部分能很好地与保 留的主梁共 同受力 ， 主梁 的整 体性能有较大提高 。 参 考 文 献 ： E l i崔学常 ， 杨植春某 大跨 径连续 刚构桥 底板崩 裂后 的结 构损伤评估 E J 桥梁建设 ， 2 0 1 5 ， 4 5 ( 3 ) ： 1 1 5 1 1 9 E 2 3冯鹏程 ， 吴游宇 ， 杨耀 栓 ， 等连 续刚构 桥底板 崩裂 事故 的评析 J 世界桥梁 ， 2 0 0 6 ， ( 1 ) ： 6 6 6 9 E 3 关 翼连续 刚构桥箱梁底板 开裂成 因分 析和对策研究 ( 硕士学位论文) D 重庆 ： 重 庆交通 大学 ， 2 0 1 0 E 4 1 J TG T J 2 2 2 0 0 8 ， 公路桥梁加 固设 计规 范E s E 5 J T G D 6 2 2 0 0 4 ， 公路 钢筋混凝 土及预应 力混凝 土桥涵 设计 规范 s 6 贺亮船与 大跨度桥梁 桥墩碰撞 仿真分 析研究 ( 硕 士 学位论文) D 成都 ： 西南交通大学 ， 2 0 0 9 V 7 l 张立 超 ， 牛传铜 ， 卢 士鹏 宁波招 宝山大桥 主桥 主梁 重建 加固施工E J 桥梁建设 ， 2 0 0 1 ， ( 3 ) ： 4 5 4 7 8 刘华 ， 高宗余 ， 刘其伟 ， 等某预应 力混凝 土连续 梁桥 火损评估与加 固I- j 桥梁建设 ， 2 0 1 5 ， 4 5 ( 4 ) ： 8 1 8 7 9 张荣利广东省 某高 速公路 东莞 北特 大桥 维修 与加 固 I- J 世界桥梁 ， 2 0 1 3 ， 4 1 ( 4 ) ： 7 1 7 5 Da m a g e As s e s s me n t a n d S t r e n g t he ni ng o f a Pr e s t r e s s e d Co n c r e t e Co n t i nu o u s Be a m Br i d g e W U Xi a n - z h i 。DONG Xi a o b i ng (1 Chi na Ra i l way Br i dg e Sc i e nc e Re s e a r c h I ns t i t ut e，Lt d ，W uh a n 43 0 03 4，Chi na；2St a t e Ke y L a b o r a t o r y o f B r i d g e S t r u c t u r e He a l t h a n d S a f e t y，W u h a n 4 3 0 0 3 4 ，Ch i n a ) Abs t r a c t ：Du e t o t h e a c c i d e n t a 1 a t t a c k o f t he f a l l e n s t e e l s t r uc t u r e s f r o m t he up pe r v i a d uc t ， p a r t o f t h e f l a ng e s i n t he t wo s pa ns of a b r i d g e whi c h i s a pr e s t r e s s e d c o nc r e t e c o nt i nu ou s b ox be a m b r i dg e wi t h s pa n a r r a n ge m e nt of( 3 4+ 4 O+ 3 4) m ，s e v e r e l y c r a c ke d To s t u dy t h e d a ma g e e o nd i t i o n o f t h e s t r uc t u r e a nd t he s a f e t y of t he s t r u c t u r e a f t e r d a ma g e，t he M I DAS Ci v i l s of t wa r e wa s us e d t o e s t a b l i s h t h e f i ni t e e l e me n t mod e 1 o f t he d a ma ge d b ox be a m s ，t o a s s e s s t he c r os s s e c t i o n p r ope r t y o f t he ma i n b e a m a nd c a l c ul a t e t he s t r e s s a nd de f l e c t i o n o f t he ma i n b e a m be f o r e a n d a f t e r t h e d a ma g i ng e v e nt The ANSYS s o f t wa r e wa s us e d t o c o nd uc t s i m ul a t i o n a n a l ys i s of t he c o l l i s i o n e v e n t of t h e br i d ge The r e s u l t s o f t he a n a l ys i s i nd i c a t e t ha t t he d a ma g e o f t he s i ng l e s i d e f l a ng e ma k e s t h e a r e a o f t h e ma i n b e a m c r o s s s e c t i o n r e d u c e d b y 7 7 ，a n d t h e a n t i b e n d i n g s t i f f n e s s o f t h e ma i n be a m c r o s s s e c t i o n r e d uc e d b y 6 6 The s t r e s s a nd d i s pl a c e me n t o f t he m a i n b e a m s b e f or e a n d a f t e r t h e da ma ge ex hi bi t e d s l i gh t c ha ng e s，a nd t he ma i n b e a m s t i l l m e e t s t he c o de r e q ui r e me n t s ，b u t wi t h v e r y s ma l l s t r e s s ma r g i n Un d e r t h e a c t i o n o f i mp a c t l o a d s ，t h e t o p s l a b s a t t h e j u n c t i o n o f t h e f l a n g e s a n d t h e we b s c r a c k e d ，wh i c h i s b a s i c a l l y c o mp l i a n t wi t h t h e a c t u a l c o n d i t i on Ac c o r d i ng t o t he i n s p e c t i o n a nd e v a l ua t i ng r e s u l t s，a s e r i e s of s t r e ng t he ni n g me a s u r e s w e r e t a ke n，i n c l ud i n g c ut t i n g of f 6 0 m l on g b a l us t r a de s i n t he s e c o nd a nd t hi r d s p a ns ，a nd r e mov i n g t h e ma i n b e a m f l a n g e s d a ma g e d f r o m t h e r o o t ，a n d r e c a s t i n g t h e l e v e l i n g l a y e r a f t e r t h e o r i g i n a l p o s t c a s t o n e wa s c h i s e l e d o f f Th e d y n a mi c a n d s t a t i c t e s t s a f t e r t h e s t r e n g t h e n i n g d e mo n s t r a t e t h a t t he p a r t o f t he ma i n be a m s t r e n gt he ne d be a r s l o a d s i n c oo r d i na t i on wi t h t he r e m a i ne d p a r t ，a n d t h e g l o b a l p e r f o r ma n c e o f t h e ma i n b e a m h a s b e e n g r e a t l y i mp r o v e d Ke y wo r d s ：c o n t i n u o u s b e a m b r i d g e ；b o x b e a m ；c o l l i s i o n；s t r e s s ；d e f l e c t i o n ；a s s e s s me n t ；f i ni t e e l e me nt me t h od；, b r i dg e s t r e n gt h e n i ng ( 编辑 ： 陈雷) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m