陳楊利

（福建省永正工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，福建　福州 350012）

0　引言

對(duì)于斜拉橋等體系復(fù)雜結(jié)構(gòu)，常規(guī)的質(zhì)量檢查、驗(yàn)算分析往往無(wú)法明確結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)，現(xiàn)行橋梁檢測(cè)評(píng)估規(guī)范[1～3]明確指出，對(duì)于體系復(fù)雜，結(jié)構(gòu)檢算等方法難以明確判定承載能力的橋梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)開展荷載試驗(yàn)。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者[4～6]對(duì)斜拉橋加固改造的結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載試驗(yàn)評(píng)定，但主要局限于斜拉橋整體結(jié)構(gòu)工作狀況的評(píng)定，理論計(jì)算未體現(xiàn)實(shí)際損傷狀況，缺乏加固部位的精細(xì)分析與評(píng)定。

橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的荷載試驗(yàn)評(píng)定是通過(guò)施加荷載的方式對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的靜、動(dòng)力特性進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試，對(duì)實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，獲取橋梁結(jié)構(gòu)承載能力的量化指標(biāo)并確認(rèn)其是否滿足標(biāo)準(zhǔn)或設(shè)計(jì)要求所進(jìn)行的活動(dòng)。顯然，準(zhǔn)確的理論模型提供了結(jié)構(gòu)在實(shí)際狀態(tài)的客觀基準(zhǔn)，是荷載試驗(yàn)評(píng)定結(jié)果可靠性的先決條件。李兆霞[7]指出大跨橋梁以結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估為目標(biāo)的有限元模擬，必須是建立于銜接理論基礎(chǔ)上的多尺度結(jié)構(gòu)模擬，需建立關(guān)鍵構(gòu)件的局部模型以分析在橋梁結(jié)構(gòu)全尺度有限元模型中無(wú)法模擬的細(xì)節(jié)行為。基于上述思想，本文以某帶協(xié)作體系斜拉橋箱梁腹板加固工程的荷載試驗(yàn)評(píng)定工作為例，淺談該類結(jié)構(gòu)的有限元模型建立，損傷分析與承載能力評(píng)定。

1　概述

1.1　工程概況

某斜拉橋于2011年建成通車，主橋?yàn)?10 m+（125+35）m獨(dú)塔單索面不對(duì)稱斜拉橋，采用塔、梁、墩固結(jié)體系，橋面凈寬33.00 m。主梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系，標(biāo)準(zhǔn)斷面為單箱五室扁平箱梁結(jié)構(gòu)，箱梁采用C55混凝土，梁高2.8 m。全橋共34對(duì)斜拉索，110 m跨側(cè)橋面處斜拉索標(biāo)準(zhǔn)間距為5.2 m，125 m跨側(cè)橋面處斜拉索標(biāo)準(zhǔn)間距為6.0 m。橋梁設(shè)計(jì)荷載：城-A級(jí)，人群2.5 kN/m2?？傮w布置見圖1所示。

1.2　主要病害與加固方案

該橋竣工后，發(fā)現(xiàn)3#墩兩側(cè)7.4 m范圍主梁的直腹板存在30條豎向裂縫或斜向裂縫。其中：A型腹板存在 25條裂縫，裂縫寬度最大測(cè)讀值為2.20 mm；B型腹板存在5條裂縫，裂縫寬度最大測(cè)讀值為0.36 mm。2014年～2016年該橋三次外觀檢測(cè)結(jié)果表明，腹板裂縫數(shù)量均有少量增加，少數(shù)裂縫寬度有輕微擴(kuò)展現(xiàn)象，其中有代表性的腹板裂縫縫寬未見明顯擴(kuò)展現(xiàn)象。腹板裂縫分布形態(tài)見圖2所示。

為確保橋梁承載水平符合設(shè)計(jì)要求，原設(shè)計(jì)單位于2016年對(duì)該橋3#墩中心線兩側(cè)7.4m范圍主梁腹板進(jìn)行加固。先采用閉合法灌縫注漿修補(bǔ)已有裂縫，然后采用增大截面法進(jìn)行加固。腹板加固方案示意，見圖3所示。

圖1　橋梁總體布置圖（單位：cm）

圖2　腹板裂縫分布示意圖（單位：cm）

圖3　主梁加固示意圖

2　試驗(yàn)方案簡(jiǎn)介

2.1　初始有限元模型建立

斜拉橋有限元模型根據(jù)主梁模擬形式的不同主要分為單主梁模型、板殼模型和實(shí)體模型等。單主梁模型建模簡(jiǎn)便、計(jì)算速度快，工程應(yīng)用廣泛，如橋梁設(shè)計(jì)時(shí)便是采用簡(jiǎn)單的“魚骨”形。其不足之處主要是無(wú)法準(zhǔn)確考慮主梁的翹曲剛度而易導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)、剪切計(jì)算結(jié)果失真。板殼模型和實(shí)體模型則較真實(shí)地模擬了主梁的質(zhì)量分布和剛度特性，但通常建模比較復(fù)雜，計(jì)算效率較低，主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)局部的精細(xì)分析。

制定荷載試驗(yàn)方案時(shí)所建立的有限元模型要求能夠反應(yīng)結(jié)構(gòu)主要力學(xué)特征，準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)構(gòu)自振頻率等動(dòng)力特性，較精確分析主梁、主塔及斜拉索等構(gòu)件在設(shè)計(jì)荷載作用下的內(nèi)力、應(yīng)力分布情況，以便確定試驗(yàn)工況及相應(yīng)測(cè)試截面，其分析目標(biāo)同設(shè)計(jì)類似，可采用簡(jiǎn)單的“魚骨”形。本文初始模型為Midas civil有限元軟件建立的施工監(jiān)控計(jì)算模型。該模型包括34個(gè)桁架單元和183個(gè)梁?jiǎn)卧渲行崩鞑捎描旒軉卧M，塔、梁及墩均采用梁?jiǎn)卧M，初始有限元模型見圖4所示。

圖4　初始有限元模型

2.2　試驗(yàn)工況及測(cè)試內(nèi)容

根據(jù)加固后橋梁最終結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按最不利受力的原則，結(jié)合加固的具體內(nèi)容、范圍及改造前病害嚴(yán)重程度選擇測(cè)試截面，確定相應(yīng)試驗(yàn)工況。該項(xiàng)目試驗(yàn)工況分為特殊工況和常規(guī)工況。測(cè)試工況及內(nèi)容詳見表1所列。特殊工況是針對(duì)存在損傷、相對(duì)薄弱的加固部位的專門試驗(yàn)工況，主要目的為測(cè)試加固部位在最不利荷載作用下的結(jié)構(gòu)真實(shí)響應(yīng)，為該部位損傷分析提供可靠的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)了解新舊混凝土的協(xié)調(diào)變形能力和裂縫開展?fàn)顩r，驗(yàn)證加固處置效果。常規(guī)工況則是根據(jù)斜拉橋結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)，對(duì)全橋內(nèi)力和變位最不利的部位進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試截面選擇以能反應(yīng)橋梁最不利受力狀態(tài)為原則，根據(jù)結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，測(cè)試截面布置及測(cè)點(diǎn)見圖5、圖6所示。

2.3　試驗(yàn)荷載

以城A級(jí)車道荷載（含沖擊力）+人群荷載為控制荷載，按等效原則擬定試驗(yàn)荷載大小。工況荷載和加載位置采用荷載試驗(yàn)效率進(jìn)行控制，對(duì)于鑒定性荷載試驗(yàn)，試驗(yàn)效率值應(yīng)大于或等于0.95，且不得大于1.05[2]。該項(xiàng)試驗(yàn)各工況荷載效率為0.95～1.03，試驗(yàn)效率詳見表1所列。

3　局部損傷評(píng)估與有限元模型修正

為滿足局部精細(xì)分析的需求，同時(shí)要求降低計(jì)算分析成本，便于工程應(yīng)用，本文建立了兩個(gè)模型，一個(gè)是采用板殼和實(shí)體單元建立的加固部位局部分析模型，另一個(gè)是用于整體分析的單主梁模型。利用工況一試驗(yàn)荷載作用下的結(jié)構(gòu)真實(shí)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果，對(duì)局部損傷進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)整體分析模型進(jìn)行修正。

圖5　測(cè)試截面及測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：cm）

本文所建立的加固部位局部模型取自圖1所示的整體現(xiàn)澆段，模型包括2 540個(gè)板單元和60個(gè)實(shí)體單元，墩頂處主梁實(shí)體段采用實(shí)體單元模擬，其它部位采用板單元模擬，加固部位腹板由原腹板單元和加厚單元兩部分組成，局部模型見圖7所示。

圖7　局部模型

局部模型支座約束按實(shí)際考慮，而其它梁段對(duì)局部模型的約束作用考慮如下：針對(duì)腹板加厚部位采用原設(shè)計(jì)截面和不考慮損傷的組合截面的兩種情況，對(duì)工況一荷載作用下的整體模型主梁內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算比較，結(jié)果表明整體單主梁模型中局部分析模型相鄰單元的彎矩相對(duì)差值為0.66%，剪力相對(duì)差值僅為0.08%，扭矩相對(duì)差值僅為0.01%，腹板加厚對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力影響不明顯。因此，本文以整體單主梁模型在工況一荷載作用下所計(jì)算得到的局部分析模型相鄰單元內(nèi)力作為外加荷載，施加在局部模型上。

因結(jié)構(gòu)尺寸、彈性模型等物理參數(shù)意義明確，工程實(shí)用性好，本文選取加固區(qū)域原腹板厚度為修正參數(shù)，通過(guò)調(diào)整原腹板厚度，不斷修正迭代，當(dāng)有限元計(jì)算值與試驗(yàn)值之間關(guān)系達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，則可確定損傷程度。該項(xiàng)目目標(biāo)值的確定基于以下思路：

（1）表2比較了工況一荷載作用下不考慮損傷情況時(shí)的腹板剪應(yīng)變計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值。

表2　不考慮損傷時(shí)剪應(yīng)變計(jì)算結(jié)果一覽表

從表2可以看出B型腹板實(shí)測(cè)應(yīng)變小于理論應(yīng)變，表明加固后B型腹板實(shí)測(cè)抗剪強(qiáng)度優(yōu)于不考慮損傷的組合截面抗剪強(qiáng)度，可以認(rèn)為原B型腹板損傷不明顯；A型腹板實(shí)測(cè)應(yīng)變大于理論應(yīng)變，表明原A型腹板存在一定程度損傷，A型腹板加固后實(shí)際截面抗剪強(qiáng)度無(wú)法達(dá)到不考慮損傷的組合截面抗剪強(qiáng)度，應(yīng)考慮損傷引起的截面強(qiáng)度削弱影響。

（2）在截面布置對(duì)稱、荷載基本對(duì)稱情況下，箱梁同一截面的各腹板實(shí)測(cè)與理論剪應(yīng)變比值關(guān)系應(yīng)基本一致，即表2中各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)與理論值應(yīng)一致。若忽略B型腹板損傷，對(duì)原A型腹板進(jìn)行損傷修正后，A型腹板實(shí)測(cè)與理論剪應(yīng)變比值應(yīng)處于0.86～0.90之間。迭代計(jì)算表明，當(dāng)對(duì)原A型腹板厚度考慮0.7的折減系數(shù)時(shí)，各腹板實(shí)測(cè)與理論剪應(yīng)變比值基本一致，結(jié)果見表3所列。

表3　考慮原A型腹板損傷時(shí)剪應(yīng)變計(jì)算結(jié)果一覽表

綜上分析，該項(xiàng)目建模分析時(shí)，加厚段箱梁的B型腹板厚度按無(wú)損傷的組合截面厚度考慮，A型腹板則采用對(duì)原A型腹板考慮厚度折減后的等效厚度，有效厚度為52 cm。

在初始單主梁有限元模型基礎(chǔ)上，依據(jù)加固部位損傷評(píng)估結(jié)果對(duì)加固部位截面腹板厚度進(jìn)行修正，從而建立修正后的整體單主梁有限元分析模型。

4　試驗(yàn)結(jié)果與承載能力評(píng)估

通過(guò)對(duì)加固部位和整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行荷載試驗(yàn)，獲取相應(yīng)控制部位的應(yīng)變、撓度、位移、斜拉索索力等參數(shù)及混凝土裂縫開展變化情況，結(jié)合整體和局部的計(jì)算比較，得到校驗(yàn)系數(shù)、殘余值及最大效應(yīng)值等參數(shù)，評(píng)估結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)。

4.1　加固部位試驗(yàn)分析

工況一對(duì)腹板加厚部位抗剪強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：試驗(yàn)過(guò)程新、舊混凝土結(jié)合良好，未見肉眼可見裂縫。

加厚段箱梁的B型腹板損傷可忽略，A型腹板考慮厚度折減后的有效厚度為52 cm，大于原設(shè)計(jì)腹板厚度40 cm。因此，加厚腹板部位的截面強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，評(píng)估的損傷狀況與腹板實(shí)測(cè)表觀裂縫分布狀況吻合。

4.2　整體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)分析

4.2.1主梁彎矩控制部位

工況二、工況四和工況六對(duì)主梁正、負(fù)彎矩最不利截面進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，實(shí)測(cè)與計(jì)算分析結(jié)果見表4所列。

從表4可以看出，主梁彎矩各控制截面在相應(yīng)工況荷載作用下所檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)變、撓度校驗(yàn)系數(shù)符合《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T J21-2011）規(guī)定的不大于1.00的限值要求；控制截面最大撓度為3.20 cm，符合《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D65-01-2007） 規(guī)定的不大于 1/500（25.00 cm）的限值要求；相對(duì)殘余變位小于《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T J21-2011）規(guī)定的20%限值要求，表明現(xiàn)階段主梁彎矩控制截面強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)整體剛度符合設(shè)計(jì)要求。

4.2.2主塔

工況三對(duì)主塔彎矩最不利截面及塔頂最大水平位移進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，實(shí)測(cè)與計(jì)算分析結(jié)果見表5所列。

從表5可以看出，主塔彎矩控制截面所檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)變及塔頂水平位移校驗(yàn)系數(shù)符合《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T J21-2011）規(guī)定的不大于1.00的限值要求，卸載后變形可恢復(fù)，表明現(xiàn)階段主塔工作狀況較好。

4.2.3斜拉索

全橋累計(jì)34對(duì)斜拉索，本文對(duì)恒載作用下全橋斜拉索和活載作用下最不利斜拉索進(jìn)行測(cè)試分析。

（1）恒載作用下全橋斜拉索索力測(cè)試結(jié)果表明：相對(duì)成橋竣工時(shí)的恒載索力，斜拉索索力變化率為-6.6%～+3.1%，恒載作用時(shí)斜拉索安全系數(shù)最小值為2.87。

（2）控制荷載作用下受力最不利斜拉索（D23）及相鄰斜拉索D22和D24的索力增量測(cè)試結(jié)果表明：工況五試驗(yàn)荷載作用下，受力最不利斜拉索索力校驗(yàn)系數(shù)為0.77～0.91，滿載時(shí)所檢斜拉索最小安全系數(shù)為2.68，符合規(guī)范《公路斜拉橋設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D65-01-2007)第 3.4條規(guī)定：“運(yùn)營(yíng)狀態(tài)斜拉索的安全系數(shù)不應(yīng)小于2.50”。

4.3　環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)

橋梁結(jié)構(gòu)的損傷和加固等因素往往會(huì)引起結(jié)構(gòu)剛度的變化，從而改變結(jié)構(gòu)的頻率、阻尼等動(dòng)力特性，因此，通過(guò)不同時(shí)期結(jié)構(gòu)動(dòng)力測(cè)試結(jié)果比較，可以檢查結(jié)構(gòu)剛度的變化，為評(píng)估結(jié)構(gòu)損傷或加固效果提供參考數(shù)據(jù)。本文對(duì)加固前后橋梁結(jié)構(gòu)豎向自振特性進(jìn)行測(cè)試，并與理論計(jì)算結(jié)果對(duì)比，結(jié)果見表6所列。

從表6可以看出，加固前后整體結(jié)構(gòu)面內(nèi)自振特性無(wú)變化，表明3#墩處主梁腹板加厚加固對(duì)橋梁整體剛度無(wú)明顯影響。實(shí)測(cè)頻率均大于理論頻率，表明現(xiàn)階段橋梁結(jié)構(gòu)面內(nèi)剛度大于理論剛度，結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計(jì)要求，加固后結(jié)構(gòu)相應(yīng)振型實(shí)測(cè)阻尼比為0.03～0.04，不大于0.05，處于橋梁結(jié)構(gòu)的常值范圍內(nèi)。

5　結(jié)語(yǔ)

（1）加固部位為橋梁結(jié)構(gòu)的薄弱部位，原結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的損傷程度及加固效果是加固橋梁荷載試驗(yàn)的關(guān)鍵分析對(duì)象。荷載試驗(yàn)應(yīng)制定具有針對(duì)性的試驗(yàn)內(nèi)容，并對(duì)損傷和加固效果進(jìn)行評(píng)估。該項(xiàng)目結(jié)構(gòu)局部試驗(yàn)研究表明，腹板加厚段箱梁B型腹板損傷不明顯，而A型腹板損傷對(duì)截面強(qiáng)度影響較大，需對(duì)原A型腹板厚度考慮0.7倍折減系數(shù)以模擬腹板損傷影響，考慮損傷后加固部位腹板等效厚度大于設(shè)計(jì)值，加固部位截面強(qiáng)度符合設(shè)計(jì)要求。

（2）荷載試驗(yàn)分析表明該斜拉橋現(xiàn)階段結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能良好，斜拉索工作狀況良好，各控制截面強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)總體剛度均滿足規(guī)范要求，橋梁承載能力滿足正常使用荷載的通行要求。

（3）該項(xiàng)目損傷評(píng)估結(jié)果與實(shí)際裂縫外觀分布現(xiàn)象吻合，荷載試驗(yàn)效率符合規(guī)范要求，所檢結(jié)果能夠較全面、真實(shí)地反映該橋加固后的結(jié)構(gòu)性能，為加固質(zhì)量評(píng)價(jià)和后期管養(yǎng)提供可靠數(shù)據(jù)支持。

寧夏首個(gè)湖底隧道與管廊合建工程合龍

該項(xiàng)目全長(zhǎng)4.3 km，西起新南公路，東至親水大街，沿線穿越包蘭鐵路及閱海湖，與通達(dá)北街等道路交叉。該項(xiàng)目把下穿閱海湖湖底隧道工程與地下綜合管廊合建施工，隧道全長(zhǎng)1833.3 m，在親水大街與滿城大街之間橫穿閱海湖。隧道按雙向8車道城市主干路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，采用上下行分離的結(jié)構(gòu)型式。隧道中間為雙向行車道，兩邊為人行通道，人行通道上方配備電力倉(cāng)和綜合倉(cāng)，使隧道具備行車、行人、管線敷設(shè)多種功能。