支架倒塌对整体现浇箱梁桥受力性能影响分析

章照宏，万 智，杨明辉

(1.湖南省高速公路管理局，湖南长沙 410001;2.湖南省交通科学研究院，湖南长沙 410015;3.湖南大学土木工程学院，湖南长沙 410082)

0 引言

在我国，箱梁桥由于其整体受力性能优越而得到了广泛应用［1］。箱梁桥的适用范围很广，在30～300 m的跨径内均具有良好的竞争优势，对于大跨径变截面箱梁桥，一般采用悬臂浇注或者悬臂拼装的方式施工，而对于小跨径的等高度小箱梁桥，一般采用预制场整体预制再通过架桥机铺设的方式施工，对于跨径居中，截面宽度较大整体箱梁，一般采用满堂支架现浇的方式施工，对于满堂支架施工的桥梁，最关键的是支架在浇筑过程满足强度及稳定要求，以免造成不可挽救的悲剧。文献［2～4］总结了国、内外近年来发生的由支架倒塌引起事故，并对其支架倒塌的原因进行了分析，但对支架倒塌后结构的受力性能缺乏相应的研究。

1 工程概况

本文的研究对象为3×57 m预应力混凝土连续箱梁桥，主梁断面为单箱单室箱型截面，梁高3.2 m，箱梁顶板全宽8.3 m，顶板厚度25 cm;底板宽度为4.5 m，厚度为50 cm(墩顶)～22 cm(跨中);腹板厚度为为75 cm(墩顶)～45 cm(跨中)，截面尺寸如图1所示，采用C50混凝土，设计荷载为公路Ⅱ级，人群荷载为3.45 kN/m2。

该桥共分三段进行现浇施工，第1段长度为第1跨57 m和第2跨的12 m，第2段长度为第2跨剩下的45.8 m和第3跨的12 m，第3跨剩下的48 m为第3施工段，按顺序依次进行整体支架现浇，强度达到要求后张拉对应段的预应力钢束。

图1 跨中截面尺寸图(单位:cm)

该桥在完成第2段预应力箱梁混凝土浇筑后约20 d，突遇罕见暴雨致山洪暴发，第2跨支架被洪水彻底冲毁，但此时第2段箱梁混凝土内预应力尚未张拉，此时，该桥第2施工段为非预应力混凝土结构，完全以钢筋混凝土承受结构的自重，如果混凝土龄期不足或者梁高较小的话，很有可能结构就会坍塌。现场有关单位立即对支架倒塌后的结构性能进行了初步调查，调查结果发现:该桥中跨跨中有下挠，与混凝土浇筑后第4天的桥面标高相比，跨中下挠了大约9.7 cm，而且箱梁内部的底板及腹板位置出现了大量可见裂缝。为防止出现更大的事故，现场专家讨论后决定对第二跨预应力进行预应力张拉，张拉后发现，梁体上挠了5.9 cm，大量裂缝闭合，裂缝宽度明显减小。

为分析支架倒塌后该桥的结构性能，本文采用有限元分析软件ANSYS建立实体模型对该桥进行分析，从理论上模拟支架倒塌的过程，分析支架倒塌后梁体的位移、裂缝形态及应力状态，并与现场实测挠度及裂缝形态进行对比。

2 计算模型及参数

2.1 计算模型

基于弹性理论的平面有限元分析软件不能准确地评估开裂后钢筋混凝土的结构性能，因此本文采用大型有限元软件ANSYS对该桥进行模拟，计算模型如图2所示。ANSYS分析模型采用实体单元，采用能考虑混凝土开裂及压碎的Solid65单元对混凝土单元进行模拟，对于箱梁中的普通钢筋，通过配筋率的形式采用整体钢筋模型进行考虑，采用杆单元(Link8)模拟预应力钢绞线，不考虑混凝土和钢筋之间的粘结滑移［5］，预应力损失按照规范进行计算［6］。

图2 ANSYS计算模型

通过ANSYS中的单元生死和荷载步模拟该桥第2跨支架冲垮对结构受力性能的影响，有限元模拟该桥的施工过程的加载步如表1所示，自重采用惯性力取加速度为9.8 N/kg进行计算，运营阶段时汽车荷载采用影响面进行加载，截面梯度温度按《公路桥涵设计通用规范》［6］进行计算。

2.2 材料取值

混凝土本构关系采用《混凝土结构设计规范》［7］建议的公式，如下式所示:

表1 有限元分析过程

式中，εc为混凝土应变;σc为混凝土应力;fc为混凝土棱柱体抗压强度;ε0为峰值应力对应应变;εcu为极限应变，按照规范计算可分别求得ε0=0.000 2，εcu=0.003 3，有限元分析中采用多线性等向强化模型(MISO)对混凝土进行分析。

普通钢筋的应力—应变关系可采用理想弹塑性模型，ANSYS中采用双线性等向强化模型BISO模拟。普通钢筋通过配筋率的形式在混凝土中加以考虑。

预应力采用初应变法进行模拟，利用节点耦合的方法将预应力筋节点和混凝土连成整体。ANSYS采用多线性等向强化模型MISO对混凝土本构进行模拟。

3 有限元分析结果

3.1 挠度分析结果

表2列出了ANSYS实体模型垮架及张拉第2跨预应力过程中第2跨跨中截面位移结果，图3为垮架后梁体变形图。

表2 不同阶段第2跨跨中截面位移 cm

从表2和图3可以发现，支架倒塌的瞬间第2跨跨中截面单元的竖向变形为8.16 cm，而现场实测的竖向变形为9.7 cm，ANSYS分析值与实测值比较接近。张拉4束底索后，跨中截面竖向位移上升2.77 cm，接着张拉剩下的6根通长索后又上升了3.19 cm，而现场实测结果发现，预应力筋完全张拉后，跨中竖向位移上升5.9 cm，预应力张拉过程中，有限元分析结果与实测结果非常接近。说明该实体模型能较好的模拟垮架这一过程，计算模型可靠。

图3 支架倒塌后桥梁挠度示意图(单位:m)

3.2 裂缝形态分析

支架倒塌后，施工单位立即组织相关人员对第2跨箱梁内部上、下游腹板的裂缝形态进行了描绘，图4为第2施工段实测裂缝形态示意图，有限元程序ANSYS计算得到箱梁桥裂缝形态如图5所示。结合图4和图5可以发现，有限元计算得到的裂缝形态与实测裂缝的范围及裂缝开展高度基本一致，但有限元计算发现，墩顶区域及第1施工段与第2施工段接缝区域也会出现大量裂缝，实测时没在这些区域发现大量裂缝，主要原因可能是，由于箱梁高度较大，顶板附近裂缝不容易发现，且预应力张拉后部分裂缝闭合了。

图4 实测裂缝形态

图5 有限元计算裂缝形态

3.3 应力结果分析

依据施工阶段通过对该桥进行模拟，可得到各阶段混凝土及钢筋应力。选取各跨的跨中截面、各墩墩顶附近截面及接缝位置附近截面作为控制截面，表3为支架倒塌后各控制截面处混凝土及钢筋的应力，表4列出了标准组合(组合Ⅰ:1.0荷载+1.0汽车荷载+1.0正温度梯度;组合Ⅱ:1.0荷载+1.0汽车荷载+1.0负温度梯度)下各控制截面处的混凝土及钢筋的应力。

可以发现，支架倒塌的瞬间，2号墩顶截面上缘、接缝位置、第2跨跨中截面下缘及3号墩墩顶截面上缘拉应力均大于混凝土的抗拉强度，均出现了大量裂缝，这与实测及有限元分析的裂缝图比较吻合;支架倒塌时刻，桥梁结构中的钢筋应力最大为259.4 MPa，最大应力出现在3号墩墩顶截面上缘，但该应力值小于HRB335钢材的屈服强度标准值，说明支架倒塌瞬间，虽然第2施工段以钢筋混凝土承受自重，但梁内钢筋仍没有屈服，如果通过预应力张拉及其他加固措施能闭合梁体裂缝，可以认为该桥仍可按弹性体计算。

为进一步评估，桥梁损伤后，运营阶段梁体应力状态，表4列出了标准组合控制截面应力，由表4可知，标准组合下，各控制截面最大压应力为17.8 MPa，没有拉应力出现，但是压应力超过规范规定受压区混凝土的最大正压应力0.5fck(16.4 MPa)的限制，需要采取相应的加固措施。

表3 支架倒塌后控制截面应力 MPa

表4 标准荷载组合下各控制截面应力 MPa

4 分析结论

采用ANSYS软件的实体单元建模对某箱梁桥进行分析评估，从理论上模拟垮架的过程，分析垮架后梁体的位移、裂缝形态及应力状态，特别是钢筋应力状态。主要结论如下:

1)支架倒塌的瞬间第2跨跨中截面单元的竖向变形为8.16 cm，而现场实测的竖向变形为9.7 cm，ANSYS分析值与实测值比较接近。预应力筋完全张拉后，跨中竖向位移上升5.9 cm，预应力张拉过程中，有限元分析结果与实测结果非常接近。说明该实体模型能较好的模拟垮架这一过程，计算模型可靠。

2)有限元计算得到的裂缝形态与实测裂缝的范围及裂缝开展高度基本一致。

3)支架倒塌时刻，桥梁结构中的钢筋应力最大为259.4 MPa，最大应力出现在3号墩墩顶截面上缘，但该应力值小于HRB335钢材的屈服强度标准值，说明支架倒塌瞬间，虽然第2施工段以钢筋混凝土承受自重，但梁内钢筋仍没有屈服，如果通过预应力张拉及其他加固措施能闭合梁体裂缝，可以认为该桥仍可按弹性体计算。

4)标准荷载组合下，控制截面最大压应力为17.8 MPa，超过规范规定受压区混凝土的最大正压应力0.5fck(16.4 MPa)的限制。

5 加固建议

有限元分析结果表明其标准值组合下正压应力不能满足桥梁规范［6］要求，说明因支架倒塌致使原结构的受力指标部分不满足规范要求，因此必须进行加固处理。为了加强现结构的极限承载能力和正常使用能力，使之能满足设计荷载等级要求，结合混凝土结构加固设计规范对本桥梁作如下维修加固建议:

1)将3跨连续箱梁主桥的桥面现浇层厚度由原来的10 cm增大到12 cm，并将其作为承重结构层参与结构作用。为保证现浇混凝土层与箱梁可靠连接，必须在箱梁和现浇混凝土层结合面间配置竖向结合筋。在加固层上铺设改性沥青防水层，然后铺设5 cm沥青混凝土作为桥面铺装。

2)为提高该桥第2跨承载能力安全系数，闭合已有裂缝及改善截面上下缘应力比，对该桥进行外预应力加固，在第2跨布置2束19Φsj15.24体外预应力筋。

3)对于已有裂缝，在桥面铺装完成后视裂缝的实际情况进行分别处理，对于宽度大于0.1 mm的裂缝采用“壁可法”处理;对于宽度小于0.1 mm的裂缝结合箱梁内、外侧表面涂装采用表面封闭法处理。

4)裂缝处理后，对该桥内、外表面采用涂装处理，以保证桥梁的耐久性。

［1］郭金琼.箱型梁设计理论［M］.北京:人民交通出版社，1991.

［2］谢建民，王建宏.模板支架倒塌事故分析与对策［J］.施工技术，2004，33(2):35 －37.

［3］王有志.桥梁钢管支架安全评估方法研究［D］.天津:天津大学，2004.

［4］白 苹.分节段支架现浇预应力混凝土连续箱梁受力分析与监测［D］.北京:北京交通大学，2010.

［5］程 进，沈旭东，孙 斌，等.基于ANSYS的预应力混凝土曲线梁桥三维施工仿真分析［J］.公路交通科技，2007，24(4):108－112.

［6］JTG D62－2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］.

［7］GB 50010－2010，混凝土结构设计规范［S］.

［8］GB 50367－2006，混凝土结构加固设计规范［S］.