云南某桥梁结构检测技术研究与ANSYS模拟分析

潘 昆

1 工程概况

该大桥位于云南省曲靖市，是连接曲靖市南北的咽喉要道，在交通运输中起到至关重要的地位。该桥为桁架拱桥，桥梁全长455 m，桥面宽 22.5 m。共分 13孔，每孔跨径35 m。桥梁上部结构形式为斜杆式钢筋混凝土桁架拱。主梁混凝土设计标号不详，受力主筋相当于Ⅰ级光圆钢筋。原设计荷载等级约相当于汽车—20级、挂车—100。

上部结构由12片桁架梁分两段预制安装，拱矢跨比为f/L=1/8，桁架梁间距为2.02 m。桁架与桁架上弦设横隔板和横拉杆联系，下弦用挖空隔板连接，其他设剪刀撑加强横向稳定。均采用预制横系构件焊接和焊接后浇灌接头混凝土。每孔桁架两端现浇联系梁，架设复孔板。桁架与桁架间铺设预制微弯板，在复孔板和微弯板上铺设钢筋网。

2 桥梁检查

2.1 桥梁外观检查

拱肋:拱肋整体状况较好。第1孔的4号、6号拱肋和第13孔的8号拱肋在拱顶截面附近的下缘发生横向受弯开裂，裂缝宽度约2 mm～5 mm，自底边向上延伸5 cm～10 cm。其他拱肋拱顶未见开裂;横系梁:第4孔墩顶处边肋横梁因渗水导致混凝土受腐脱落、钢筋外露锈蚀。第8孔墩顶处1号、2号肋之间横梁处有一明显斜裂缝，宽度1 cm，长度40 cm。其余横系梁未见开裂、钢筋锈蚀现象;腹杆:腹杆状况较好，除第1孔9号肋个别斜腹杆受弯开裂，其他腹杆均无开裂现象;剪刀撑:第5孔5号、6号肋之间剪刀撑根部开裂明显宽度为0.5 mm的通缝，第6孔3号、4号肋之间剪刀撑根部开裂宽度0.2 mm，长度20 cm。其余各孔未见有开裂现象;墩台检查:桥梁墩身状况较好，除了部分混凝土表面的温度裂缝和收缩裂缝外，并未见有大的受力裂缝及大的破损。

2.2 桥梁内部结构测试

2.2.1 混凝土碳化情况测试

本次检测采用现场钻孔，然后喷酚酞试剂的方法来测试原桥混凝土碳化深度。检测结果表明，桥梁各构件混凝土碳化程度严重，碳化深度均大于6 mm，主拱圈和直腹杆的碳化深度分别为25 mm，27 mm，基本达到受力钢筋的位置，钢筋易受到有害物质的侵害;桥台和主墩的碳化深度均大于30 mm，说明桥台和主墩的混凝土品质较差，密实度不好，等级较低。

2.2.2 混凝土抗压强度测试

主拱圈混凝土的平均强度为36.2 MPa，直腹杆混凝土的平均强度为34.8 MPa，斜腹杆混凝土的平均强度为38.3 MPa，剪刀撑混凝土的平均强度为 32 MPa，桥台混凝土的平均强度为26.5 MPa，主墩混凝土的平均强度为24.3 MPa。

根据推算出的混凝土强度值，由经验公式可估算出混凝土的实际弹性模量为:主拱圈 E=30.1 MPa，直腹杆 E=30.9 MPa，斜腹杆 E=30.3 MPa，剪刀撑 E=25 MPa，桥台 E=21.7 MPa，桥墩E=18.2 MPa。

3 原结构设计内力计算

3.1 横向分布计算

为准确把握桥梁在活载作用下的受力状态，利用ANSYS建立空间杆系模型，使用直接法计算桁架拱桥的横向分布系数，计算得到了拱顶截面的横向分布影响线和横向分布系数，见图1，表1。

表1 拱顶横向分布系数

表2 汽车荷载作用最不利弯矩及最不利轴力

3.2 活载内力计算

根据各截面内力影响线(见图 2)，按照汽车—20、挂车—100、人群3.5 kN/m2计算拱顶、拱脚截面在活载作用下的最不利内力，计算时不计汽车冲击力。表2为活载最不利内力计算结果。

4 静力荷载试验

4.1 加载原则及加载车辆

实际加载时，采用的车辆为6台中国长春一汽重型车厂生产的FAW 解放型翻斗汽车，单车总重300 kN，车辆特性参数见表3。

表3 加载车辆参数

4.2 与活载设计内力比较

按上述加载工况和试验加载载位进行荷载加载，得到各控制截面试验荷载的内力。

将计算出的在试验荷载作用下的控制截面内力与设计活载作用下的控制截面内力进行比较，结果见表4。

表4 活载设计内力与试验内力的比较

从表4中可以看出，各控制截面的试验荷载产生的效应与设计荷载产生的效应的比值，即试验荷载效率系数在0.86～1.04之间，满足试验荷载效率系数0.85＜η＜1.05的试验要求。

4.3 静力荷载试验结果及分析

1)挠度测试及结果分析。

由两种工况下挠度实测值与理论值的比较结果可以看出，在试验荷载的作用下，各测试截面的实测挠度均与理论挠度相近，校验系数在0.79～0.95之间，且实测的各截面挠度值均小于《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中关于梁式桥竖向挠度允许限值[f]≤l/600的要求，说明该桥实际刚度足够，整体变形、完整性满足设计要求，其工作性能较好，承载能力有一定的富余。

当试验荷载卸除后，控制截面的挠度基本恢复为试验前的初始状态，残余挠度很小，最大为6.28%，远远小于20%，说明在试验过程中结构始终处于良好的弹性工作状态。

2)应变测试结果及分析。

在试验荷载的作用下，各测试截面的实测应变值均与理论应变值相近，校验系数在0.79～0.94之间，说明在试验荷载作用下，结构的强度能够满足使用要求。

从应变实测值与理论值的比较结果可以看出，各测试截面在试验荷载作用下的相对残余变形很小，最大值为8.33%，远远小于20%。说明结构处于良好的弹性工作状态。

3)应变测试结果及分析。

在试验荷载作用下，主梁原有裂缝未发展，未见有新裂缝产生，说明结构处于弹性工作状态。

5 结语

通过对该大桥的主要受力部位，如拱肋、微弯板、横系梁、腹杆、剪刀撑等部位进行全面细致的外观检查，对裂缝的分布、结构外形、混凝土强度、混凝土碳化深度及钢筋锈蚀情况进行测量，以及通过静荷载作用下的应力及挠度测试等试验后，对试验结果进行分析，得到以下结论:

1)通过外观检查，除个别孔出现渗水、钢筋外露锈蚀、混凝土受腐情况外，整体状况良好。

2)经过超声—回弹综合法检测后，发现主拱圈混凝土强度和墩柱混凝土强度均满足设计要求和使用要求，经钢筋锈蚀试验可知该桥上部结构钢筋状况良好。

3)在汽—20，挂—100级静态试验荷载作用下，桥梁反映出来的挠度特征表明，试验孔上部结构的实际竖向刚度满足现有汽—20，挂—100设计要求。

[1] 刘沐宇，袁卫国.桥梁无损检测技术的研究现状与发展[J].中外公路，2002(6):34-37.

[2] M.Gutermann，V.Slowik，K.Steffens.Experimental safety evaluation of concrete and masonry bridges[J].Insight-Non-Destructive Testing and Condition Monitoring，2003，45(12):805-808.

[3] 张立明.Algor、Ansys在桥梁工程中的应用方法与实例[M].北京:人民交通出版社，2005.

[4] 小讽工作室.最新经典 ANSYS及 workbench教程[M].北京:电子工业出版社，2004.

[5] 博弃工作室.APDL参数化有限元分析技术及其应用实例[M].北京:中国水利水电出版社，2004.

[6] 郝文化.ANSYS土木工程应力实例[M].北京:中国水利水电出版社，2005.