损伤组合梁桥控制荷载下的计算参数分析

王刚

(白城市公路管理处，吉林白城 137000)

Wang Gang(Baicheng Highway Management Office，Baicheng 137000，China)

损伤组合梁桥控制荷载下的计算参数分析

王刚

(白城市公路管理处，吉林白城 137000)

以吉林省洮白一级公路洮儿河一号旧桥为例，利用大型有限元软件midas civil，计算了该桥的理论承载能力，结合试验参数，并利用非线性软件midas fea进行了上部结构的损伤模拟，研究了该桥损伤后在控制载荷作用下，正常使用状态的各根主梁主应力、裂缝宽度、挠度等计算参数，从而判断其受控状态。

桥梁，承载能力，主应力，裂缝宽度，挠度

0 引言

当前，桥梁建设已趋于饱和，部分桥梁由于建设年限久远、运营超限已出现各种病害，尤其结构裂缝较为常见，如何保证安全通行，掌握桥梁承载运营能力，已成为公路管理部门面临的技术问题。为明确损伤桥梁运营状态的技术参数，从而给养护工作提供明确的处理意见，针对此方面的分析显得非常有必要。

1 桥梁概况

洮儿河一号旧桥位于S207省道K121+280 km处，桥梁全长为260 m，桥跨结构为15×16.8 m。上部结构为简支工字形微弯板组合梁，梁高100 cm、间距160 cm，混凝土等级C25。下部结构为钻孔灌注桩基础，双柱式墩台，橡胶支座。桥面横向布置为0.5 m+7.0 m+0.5 m，沥青混凝土桥面铺装。设计荷载为:汽—15、挂—80，建成年代1968年，主梁截面及全桥截面尺寸如图1，图2所示。

图1 计算截面尺寸（单位：cm）

图2 主梁截面尺寸（单位：cm）

2 主要病害

各跨主梁底1/4L，1/2L均有横向贯通受力裂缝，Bmax=0.35 mm，2-3号与3-4号主梁之间微弯板处均有纵向裂缝，行驶车辆通过时颠簸感较强。

3 桥梁理论承载能力的计算

此次选用病害较严重的第6跨做分析，采用midas civil进行模拟，按照梁格法基本原理［1］，将杆系划分176个梁单元。其中，端横隔厚度取h=0.2 m;纵向主梁以1 m为1个单元;跨中部分采用虚拟横梁模拟，横梁截面特性取h=0.2 m，b=0.5 m，@= 1 m;车道系数取1，挂车加载按一车道设置［2］，承载能力按组合荷载不利工况计算。通过计算得到在挂车荷载作用下1号梁跨中内力最大值为2 135.96 kN·m，最终确定挂—80为该桥控制荷载。

4 桥梁实体模型

4.1 实体单元及控制荷载的模拟

模拟利用非线性有限元软件midas fea进行。其中，Ⅰ型主梁与微弯板组合边界条件按刚结模拟，微弯板按平面单元处理，共划分55个网格单元。空间实体单元按支座长度、损伤位置划分后生成;端横隔板与Ⅰ型主梁节点共用。控制荷载利用midas civil移动荷载追踪器找出位置后用等效节点载荷代换来完成。

4.2 损伤的模拟

1)刚度折减。日常检查中实测了梁体回弹模量，利用测得的主梁混凝土平均弹性模量2.0×104MPa与理论弹性模量对比，将混凝土弹性模量折减28%进行模拟。

2)裂缝模拟。考虑实体单元特性，裂缝之间无共用节点。结合既有桥梁裂缝损伤位置，建模时，将主梁底、微弯板处相应裂缝位置处节点分割，以期实现主梁横向裂缝、微弯板间的纵向裂缝。

5 分析

5.1 主梁损伤前后主应力分析

将计算得到的数据，通过拟合曲线形式加以分析，如图3所示。

图3 损伤与无损伤情况下桥梁各主梁的主应力

从图3能看出:各根主梁主应力在支座位置及1/4L跨之间，损伤桥应力要小于未损伤桥应力;而在跨中位置的拉应力，有损伤桥的主应力要大于无损伤桥的主应力，这是梁体中间区域由于损伤产生应力集中重新分配的原因导致。此外，受拉区集中在1/4L～1/2L之间，尽管在控制荷载作用下，梁体因刚度损伤所达到的主拉应力也小于混凝土抗拉强度标准值，说明损伤主梁体的裂缝，在控制荷载作用下未能形成受拉破坏裂缝，很大可能为超载所产生。

5.2 损伤后在控制荷载作用下各主梁的跨中裂缝宽度

通过计算控制荷载的实际作用效应，分析得到各根主梁在行车荷载作用下的最大裂缝宽度，数据如表1所示。

表1 各根主梁在行车荷载作用下的最大裂缝宽度

从表1可看出，在挂车控制载荷作用下，位于布置荷载附近的1号，2号，3号，4号主梁裂缝宽度均超过0.25 mm［3］，不能满足正常使用状态要求，且超标严重，其宽度已远大于静载时的既有值(0.35 mm)，说明在裂缝损伤情况下，控制荷载作用将对该桥裂缝破损有加剧破坏的趋势。

5.3 损伤后在控制荷载作用下各主梁的跨中最大挠度

通过实体单元的计算分析，得到各根主梁在行车荷载作用下的最大挠度，数据如表2所示。

表2 各根主梁在行车荷载作用下的最大挠度

依据表2计算数据，能够发现在控制荷载作用下各根主梁挠度均偏大，且位于荷载附近值偏高、荷载较远处依次递减。说明主梁横向刚度基本符合线性分布规律，而在主梁损伤情况下对该桥竖向刚度有明显影响。

6 结语

1)通过对损伤与未损伤梁桥的模拟计算，得出了在控制荷载作用下2种不同工况的主应力变化规律，阐述了不同工况下主应力分布原因。

2)主梁刚度、带有裂缝的损伤对桥梁的正常使用极为不利，即使在不超限的情况下工作，跨中挠度、裂缝宽度均将超过规范允许值，有加剧破损的可能。实际运营中，若出现上述情况应及时限制交通，做加固或改建处理。

［1］ ［英］E·C·汉勃利.桥梁上部构造性能(E.C.汉勃利) ［M］.北京:人民交通出版社，1982.

［2］ JTG D260—2004，公路桥涵设计通用规范［S］.

［3］ JTG H11—2004，公路桥涵养护规范［S］.

Analysis of calculation parameters of damaged composite beam bridge under controlled load

In this paper，a number of old bridge in Jilin province Tao highway Taoerhe White Bridge as an example，the theory of bearing capacity is calculated by using finite element software midas civil，combined with the test parameters and the simulation of the upper structure damage by using nonlinear software midas fea，on the bridge after injury in the control of loads，the main beams the normal state of principal stress，crack width and deflection calculation parameters，and determine its controlled state.

bridge，load capacity，principal stress，crack width，deflection

Wang Gang
(Baicheng Highway Management Office，Baicheng 137000，China)

U443.1

A

1009-6825(2016)35-0187-02

2016-09-30

王 刚(1982-)，男，工程师