摘 要：鋼-混組合梁橋結(jié)合了鋼材和混凝土兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，具有質(zhì)量輕、跨度大、施工難度低和經(jīng)濟(jì)效益好等特點(diǎn)。疲勞破壞是鋼結(jié)構(gòu)橋梁的一種典型病害，因此本文以某座鋼-混組合橋梁主梁的“工”形鋼梁疲勞斷裂事件為例，詳細(xì)闡述了該橋的臨時(shí)加固、計(jì)算和疲勞分析過程。本文采用有限元模型根據(jù)橋梁原設(shè)計(jì)圖紙、臨時(shí)加固方案和相關(guān)技術(shù)資料建模，對橋梁斷裂前后的受力狀況進(jìn)行了分析，評價(jià)加固措施的有效性和其對橋梁力學(xué)性能的影響。然后，結(jié)合有限元應(yīng)力結(jié)果和相關(guān)規(guī)范對該橋進(jìn)行疲勞驗(yàn)算，根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果對該類型橋梁的后續(xù)養(yǎng)護(hù)工作提出相關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：鋼-混組合梁橋；疲勞破壞；有限元模型；加固方案

中圖分類號：U 44 " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

鋼-混凝土組合梁是在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)型式。它主要通過在鋼梁和混凝土翼緣板之間設(shè)置剪力連接件（栓釘、槽鋼、彎筋等），抵抗兩者在交界面處掀起及相對滑移，使其成為一個(gè)整體，并共同工作。與鋼筋混凝土梁相比，鋼-混凝土組合梁可以減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，減少地震效應(yīng)和截面尺寸，增加有效使用空間，節(jié)省支模工序和模板，縮短施工周期，提高梁的延性等。與鋼梁相比，它不僅可以減少用鋼量，還可以提高剛度、穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)抗火性和耐久性等[1]。

鋼-混凝土組合梁在我國城市立交橋梁中已得到廣泛應(yīng)用，疲勞破壞作為橋梁鋼結(jié)構(gòu)的典型病害，在日常的養(yǎng)護(hù)工作中多發(fā)于細(xì)部構(gòu)造，例如肋板焊縫處。本文以某鋼-混組合梁“工”形鋼梁疲勞斷梁事件為案例，利用有限元模型對梁體斷裂前后進(jìn)行力學(xué)性能分析，并結(jié)合規(guī)范對其疲勞性能進(jìn)行驗(yàn)算，評估鋼混組合梁的加固效果，期望本文研究成果可以為同類型橋梁的應(yīng)急評估和搶險(xiǎn)工作提供借鑒。

1 工程背景

案例橋梁走向?yàn)闇几咚僦列炱执髽蚍较?，全橋?3跨，總長為678.5m。上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土空心板梁、普通鋼筋混凝土連續(xù)箱梁及工字鋼梁。橋梁建于1998年，設(shè)計(jì)荷載為汽車-超20級，掛-120，限載總質(zhì)量為49t，軸質(zhì)量為14t。本次受損橋梁為21#孔跨越地鐵線的上下行線路，全橋共有6片主梁，5道中橫梁和2道端橫梁，中橫梁與端橫梁均采用焊接“工”形斷面，主梁梁高為1.68m，中橫梁梁高為1.4m，端橫梁梁高為1.68m。由于該橋跨越地鐵軌道，日常巡檢中未能全面覆蓋，因此在2023年3月的專項(xiàng)檢查中，橋梁養(yǎng)護(hù)部門發(fā)現(xiàn)該橋梁的工字鋼梁出現(xiàn)較為明顯的下翼緣板及腹板開裂現(xiàn)象。斷裂處長80cm，最大寬度為1.1cm，已貫通至腹板。斷裂位置距下翼緣板的橫向焊縫2cm。

鋼梁跨中處腹板出現(xiàn)豎向斷裂1處，裂縫長1.2m，最大寬度為9mm，斷裂處呈明顯的下寬上窄狀，并已向上發(fā)展至距上翼緣40cm處。斷裂位置距腹板斜焊縫50cm。

受損鋼梁為邊梁，且位置對應(yīng)的橋面車道為重車道，根據(jù)現(xiàn)場檢查結(jié)果，判定鋼梁開裂的原因可能是長期重載交通的作用及振動(dòng)或沖擊而產(chǎn)生的鋼梁疲勞損傷。

針對該梁，工程師提出在鋼梁開裂區(qū)域開孔，并利用高強(qiáng)螺栓錨固加固板的方案，具體施工流程如下。1）以腹板上緣裂縫終端為中心，打直徑30mm的止裂孔。2）臨時(shí)加固采用貼板栓接加固，對連接板表面進(jìn)行除銹清理，安裝時(shí)涂層抗滑移系數(shù)不小于0.30。3）在開裂區(qū)域進(jìn)行開孔，將螺栓預(yù)拉力設(shè)計(jì)為355kN，連接板與下翼緣板（腹板）相互壓緊后，應(yīng)該從加固件中間向端部逐次鉆孔安裝，并擰緊螺栓。在開孔過程中，需要盡可能避免削弱鋼梁截面。

2 有限元模型介紹

2.1 整體模型

本文利用ABAQUS-CAE有限元軟件[3]建立整橋的空間有限元模型，利用三維實(shí)體有限元模型對橋梁邊梁開裂情況進(jìn)行仿真模擬，探究邊梁開裂前后，立交橋整體的受力狀態(tài)和內(nèi)力變換情況，評估橋梁結(jié)構(gòu)的安全性能。為進(jìn)一步探索橋梁臨時(shí)修復(fù)加固方案細(xì)部模型的安全性和有效性，本文根據(jù)臨時(shí)加固方案，建立了加固區(qū)域的足尺精細(xì)化分析模型，分析螺栓的開孔對橋梁結(jié)構(gòu)的受力影響。為了建模及分析的便捷性，主梁鋼板采用3D面結(jié)構(gòu)，建立混凝土橋面板采用3D體結(jié)構(gòu)，除此之外，研究還對橫隔板、橫肋以及底板預(yù)應(yīng)力錨固齒塊等細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了建模。模型網(wǎng)格劃分方式采用規(guī)整化網(wǎng)格劃分的方式，主梁端部、跨中、橫隔板以及縱肋單元的網(wǎng)格尺寸為50mm，全橋總單元數(shù)約44萬個(gè)，總節(jié)點(diǎn)數(shù)約46萬個(gè)。

2.2 局部模型

根據(jù)臨時(shí)加固設(shè)計(jì)方案，對梁體鋼板和加固鋼板進(jìn)行開孔，大量開孔會(huì)導(dǎo)致鋼板截面削弱以及產(chǎn)生大量局部損傷，且當(dāng)梁體受荷時(shí)，螺栓孔附近會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，為研究采用該加固方案時(shí)的真實(shí)應(yīng)力情況，須對臨時(shí)加固區(qū)域進(jìn)行精細(xì)化仿真模擬。

在局部模型中，須考慮加固板件和梁體的空間位置和接觸關(guān)系，因此，主梁加固板件采用3D體結(jié)構(gòu)。局部模型按照鋼梁臨時(shí)加固工程設(shè)計(jì)圖，其縱向尺寸為5m，兩側(cè)邊界與裂縫的距離分別為2m和3m。采用自動(dòng)實(shí)體網(wǎng)格劃分的方式對網(wǎng)格進(jìn)行劃分，為了能夠精細(xì)化分析螺栓開孔的局部應(yīng)力狀況，本模型在加固區(qū)域采用尺寸為1～5mm的單元進(jìn)行劃分，越靠近螺栓孔尺寸越小。在非加固區(qū)域采用尺寸為20mm的單元進(jìn)行劃分?？臻g有限元模型如圖1所示。

2.3 材料參數(shù)

鋼-混組合橋主要包括混凝土橋面板和鋼主梁。因此，本次計(jì)算模型中主要包括混凝土和鋼兩種材料，混凝土等級為C50，其彈性模量為35000MPa，泊松比為0.2。鋼主梁和加固板材料均為Q345鋼材，其彈性模量為20000MPa，泊松比為0.3，其工字鋼底板寬為800mm，厚度為35mm。腹板高為1600mm，厚度約為20mm。加固鋼板同樣采用Q345鋼材，主梁腹板加固連接板厚度為14mm，底板加固連接板厚度為24mm。

2.4 荷載和約束

根據(jù)《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJ 11—2011）[2]，該橋梁的設(shè)計(jì)荷載為城—A荷載，本次數(shù)值模擬分為正常使用、邊梁斷裂和臨時(shí)加固3種計(jì)算工況。正常使用工況其邊梁完好；邊梁斷裂工況是根據(jù)實(shí)際斷裂位置和高度切割出對應(yīng)的裂縫來模擬橋梁的帶傷工作狀態(tài)；臨時(shí)加固計(jì)算工況則是在邊梁斷裂工況的基礎(chǔ)上，模擬錨固加固板修復(fù)方案。

實(shí)體模型的支座約束與實(shí)際橋梁設(shè)計(jì)方案保持一致，所有支座均約束豎向約束，其中3#和4#支座按固定鉸支承處理，9#和10#只釋放縱向約束，固定鉸一側(cè)的其他支座（1#、2#、5#、6#支座）只釋放橫向約束，另一側(cè)的其他支座（7#、8#、11#、12#支座）釋放橫向和縱向約束。

2.5 螺栓模擬

螺栓錨固鋼板臨時(shí)加固方案是否有效不僅取決于能否恢復(fù)橋梁正常的整體工作狀態(tài)，還需要保證螺栓孔開孔數(shù)量以及位置的合理性，避免造成次生病害。因此，本研究對螺栓的開孔點(diǎn)位、數(shù)量以及連接方式進(jìn)行了仿真模擬，研究局部鋼板開孔后的真實(shí)受力性能，并評估其安全性。

局部模型螺栓的模擬共分為以下3個(gè)部分。1）螺栓模擬：螺栓模擬采用ABAQUS內(nèi)置的connector單元，根據(jù)螺栓的中心位置對單元節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排布，并利用tie約束連接梁體和加固板的螺栓孔位。2）鋼板接觸模擬：由于加固鋼板與梁體鋼板之間存在摩擦作用，因此在局部模型中，須在兩者之間設(shè)置“接觸”模型，接觸性質(zhì)采用硬接觸，罰函數(shù)的摩擦系數(shù)取0.3。3）螺栓預(yù)緊力模擬：螺栓預(yù)緊力利用均布荷載均勻加載在加固鋼板上。

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力

3種工況下最大主拉應(yīng)力如圖2所示。各工況最大主拉應(yīng)力值分別為155.9MPa、219.8MPa和93.5MPa，它們的最大主應(yīng)力值均不超過270MPa，其主應(yīng)力滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D64—2015）[3]的要求。邊梁的最大主應(yīng)力為129.9MPa，出現(xiàn)在邊梁斷裂工況的靠內(nèi)側(cè)梁體的下翼緣板處，在進(jìn)行臨時(shí)修復(fù)加固后，鋼梁主體的主應(yīng)力最大值變?yōu)?8.73MPa，與未發(fā)生斷裂時(shí)的鋼梁應(yīng)力狀況基本一致，修復(fù)鋼板的最大主應(yīng)力為60.44MPa，這表明修復(fù)加固措施能夠有效恢復(fù)結(jié)構(gòu)的整體受力性能，并且加固板并未出現(xiàn)應(yīng)力超限的情況。但是整體模型并未考慮螺栓的開孔等局部措施對結(jié)構(gòu)的影響，因此需要輔以局部分析模型，對其進(jìn)行研究。

3.2 支座反力

在車道荷載作用下，邊梁斷裂后，在約束1側(cè)，與正常使用狀態(tài)相比，1#梁的支座反力急劇下降，支座出現(xiàn)負(fù)反力，存在支座脫空風(fēng)險(xiǎn)。4#梁處的支座反力會(huì)從105kN增至307.931kN，支座反力增幅接近100%。在約束2側(cè)，6#梁的約束2側(cè)的支座反力從177.86降至67kN，同樣存在支座脫空的風(fēng)險(xiǎn)。中部的2#、3#和4#支座反力均會(huì)增加約60kN左右。

對臨時(shí)加固工況來說，無論是車道還是車輛荷載，支座反力基本與正常使用狀態(tài)保持一致，最大誤差只有37kN，50%的支座反力誤差在10kN以下，證明臨時(shí)修復(fù)加固措施效果顯著，能夠使橋梁恢復(fù)整體正常工作狀態(tài)。

因此，當(dāng)邊梁斷裂后，1#和6#邊梁均存在支座脫空風(fēng)險(xiǎn)，易引起重大安全事故，中部梁體支座所承受的荷載會(huì)增加，有可能超過支座的極限承載力，導(dǎo)致支座發(fā)生破壞，同時(shí)，采用螺栓錨固板加固的方法能夠有效地恢復(fù)橋梁的工作性能，說明加固方案總體有效。

3.3 局部模型結(jié)果

在車道荷載作用下，臨時(shí)加固區(qū)域鋼梁和加固板的主應(yīng)力結(jié)果如圖3所示。根據(jù)梁體主應(yīng)力圖可以看到，在下翼緣板緊鄰裂縫的兩排螺栓孔位處，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生超過559MPa的主拉應(yīng)力，根據(jù)加固板主應(yīng)力圖，底部下層加固板在裂縫區(qū)域，會(huì)出現(xiàn)超過348MPa的應(yīng)力集中區(qū)域。

梁體主應(yīng)力超限區(qū)域主要集中在裂縫附近區(qū)域的螺栓孔位處，鋼板主應(yīng)力超限區(qū)域同樣集中在裂縫附近區(qū)域。因此，需要對裂縫附近的螺栓區(qū)域進(jìn)行持續(xù)性監(jiān)測，防止鋼板局部開裂使臨時(shí)加固結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，導(dǎo)致加固措施失效。

4 結(jié)論

本研究利用空間有限元模型對某鋼-混組合橋梁從整體到局部的不同工況下梁體的受力狀況進(jìn)行了仿真分析，重點(diǎn)研究了橋梁受力狀態(tài)在發(fā)生斷裂以及臨時(shí)加固前后，在車道荷載作用下的變化規(guī)律，分析了橋梁結(jié)構(gòu)安全存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)，得出以下主要結(jié)論。1）在車道和重車荷載作用下，梁體在各種工況的總體主拉應(yīng)力均滿足《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，但是根據(jù)加固區(qū)域局部模型的精細(xì)化分析結(jié)果，其螺栓開孔區(qū)域會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，出現(xiàn)超限應(yīng)力，可能會(huì)導(dǎo)致梁體和加固板開裂破壞。2）在荷載作用下，邊梁發(fā)生斷裂后，其邊梁支座會(huì)出現(xiàn)負(fù)反力，容易出現(xiàn)支座脫空現(xiàn)象，當(dāng)橋梁偏載較大時(shí)，極有可能發(fā)生橋梁安全事故，危及行車安全。

參考文獻(xiàn)

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