水闸结构中预应力空心面板交通桥安全评估

(1.南京水利科学研究院材料结构研究所 江苏 南京 210024) (2.河海大学水利水电学院 江苏 南京 210098)

水闸结构中预应力空心面板交通桥安全评估

喻江1,2胡少伟1陆俊1董茂干1

(1.南京水利科学研究院材料结构研究所江苏南京210024) (2.河海大学水利水电学院江苏南京210098)

山东某水闸结构中预应力交通桥服役多年，其路面出现铺装裂缝、破损及龟裂等病害，影响安全运行，亟需对该水闸结构中涉及的预应力空心面板交通桥进行安全评估。根据交通桥现场情况，采取外观裂缝原位测验、裂缝深度探测、结构安全仿真及动车模型分析的手段，对其预应力空心面板交通桥进行安全评估。评估表明，目前预应力空心面板交通桥承载能力满足要求，沥青铺装层出现纵向、横向裂缝，不满足运行要求。本文评估方法为水闸结构中交通桥的安全评价和后期维护加固提供了参考价值。

水闸结构；空心面板交通桥；雷达探测；动车模型

一、工程概况

预应力空心面板交通桥以其结构型式优美、受力特性优良、节能节材等诸多优点，不仅被运用于我国桥梁工程，还被广泛运用于水工结构工程等建设中，成为工程结构中不可或缺的有效结构型式之一[1-3]。

山东某水闸结构为大(I)型水闸工程，自建成运行至今，发挥了巨大的防洪效益、生态效益、经济效益和社会效益。与闸室相连的交通桥采用到预应力空心面板结构，该桥共有36跨，桥长648m，分为9联：9×4×18=648m，联与联之间和桥台处采用D60伸缩缝。单跨跨径18m，每跨9块面板(包括8块中板，1块边板)，单块面板宽1.24m，厚0.9m，板与板之间用铰缝连接。桥面铺装为现浇100mm厚C40现浇混凝土和50mm厚沥青混凝土。根据水利部《水闸安全鉴定管理办法》(水建管(2008)214号)文件要求，对于已建成的该节制闸交通桥，考虑到采用的是预应力空心面板型式，其运行至今的时间里，因路面长期受到人群、汽车等动荷载的作用，尤其是重型货运车辆作用，导致路面出现明显的裂缝，不能满足安全运行规程。因此，针对交通桥出现的问题开展专项检测工作，亟需对其进行安全评价。

二、外观裂缝原位测验

(一)原位测验组织

外观裂缝原位测验技术路线如图1和图2所示。按照《港口水工建筑物检测与评估技术规范》[4]的规定，采取摄影、敲击、尺量等方法，测验36跨空心面板交通桥外观缺陷，详细记录并描述表面缺陷、剥落露筋等情况，记录破损类型的数量、部位与范围，对其进行统计分析。

图1 外观裂缝原位测验技术路线

图2 1段交通桥面板编号

(二)测验分析与评定

通过对交通桥36跨预应力空心面板外观裂缝原位测验分析，得到如下评定结论：交通桥沥青路面的板-板连接处(伸缩缝除外)出现不同程度的横向裂缝和斜裂缝，横向裂缝贯通整个路面，斜裂缝围绕横向裂缝向两边展开，呈燕尾状分布，裂缝宽度在0.1mm～0.6mm之间；靠近上游端约4m位置处，1跨、2跨、3跨、4跨、5跨、6跨、7跨、10跨、11跨、12跨、13跨、14跨、15跨、16跨、20跨、22跨、25跨均出现不同长度的纵向裂缝，其中，1跨、2跨、3跨、4跨、5跨、6跨、7跨、12跨、13跨、14跨纵向贯通，剩余跨段纵向裂缝长度在3m～12m之间，3段、4段、出现2条平行纵向裂缝，12段出现3条平行纵向裂缝。裂缝宽度在0.2mm～0.4mm之间；18段、19段、21段、24段、26段、27段、28段、29段、33段交通桥路面破坏比较严重，纵、横向裂缝相互交错，出现大面积龟裂区，31段、32段甚至出现不同面积的坑洞，严重影响交通通行；对人行道调查表明，36跨每段均出现多条不同裂缝宽度的横向贯穿裂缝，裂缝条数分布如图3所示。

根据《公路桥涵养护规范》(JTGH11-2004)[5]中技术评定标准，该交通桥被划分到三类桥，亟需修补及加固，以确保安全。

图3 交通桥人行道主裂缝条数统计图

三、裂缝深度探测

(一)关键技术

本次交通桥裂缝深度探测关键技术分为路面缺陷判别技术、面板裂缝深度判别技术和预应力筋判别技术3个部分。当交通桥路面存在裂缝或变形错位，雷达波同相轴将出现错断、扭折或紊乱状，以此判别路面缺陷；面板内部混凝土一旦存在欠密实区，必然导致介电常数发生改变，雷达波同相轴混乱或弯曲分布，相比均匀密实区波幅变化明显，波组特征发生明显改变，以此判别裂缝深度；当电磁波传播到预应力钢筋界面时，钢筋对电磁波具有屏蔽性，电磁波在钢筋界面发生全发射，以此来判别预应力筋状态[6-9]。

雷达的探测纵向分辨率为：

Δh=v/(8f)～v/(4f)

(1)

式中：v为波速，f为频率。

雷达的探测水平分辨率为：

(2)

式中：z为垂距。

当仪器设备一定的条件下，决定探测深度的主要因素为地表电阻率和工作频率，基于导电介质中电磁波的衰减系数与工作频率呈正比。因此，雷达的探测深度估计式为：

(3)

表1 介电常数和速度参数表

(二)探测结果分析

交通桥典型裂缝深度探测解释剖面图(选取1段面板1/4跨)如图4所示。

图4 1段面板1/4跨横向探测解释剖面图

通过对交通桥路面裂缝深度探测分析，显示900MHz高频天线的有效探测深度达1.5cm，路面层的厚度在10cm，预应力混凝土空心面板的空腔在雷达探测剖面图中反映明显。探测结果表明，交通桥路面沥青层与面板之间胶结不充分，局部脱空；沥青层内部存在不密实，松散异常，与沥青路面产生的各类裂缝相对应。

四、结构安全仿真

(一)数值建模方法

对于工程结构仿真模拟分析中，常见的离散方法有：有限差分法(FDM)、有限体积法(FVM)和有限单元法(FEM)[10-12]。其中，有限单元法的最大优点就是，对于不规则的几何区域问题，能够具有很好的适应性。本次安全仿真分析采用FEM法。

(二)本构模型

根据目前国内外对混凝土材料的研究，用来建立该种材料应力-应变关系的模型有：弹性理论模型、塑性理论模型、粘弹性理论模型、塑性断裂理论模型，以及损伤力学理论模型等。在本次结构安全仿真中，钢筋混凝土材料采用Sargin改进公式[13]，其表达式为：

(4)

式中：k3=1，fc=26.80MPa，A=E0/Es=1.41，D=0.8，ε0=0.002。

钢筋混凝土材料输入参数见表2。

表2 钢筋混凝土材料参数一览表

钢绞线材料为双线性应力-应变曲线模型，本构关系表达式为：

(5)

式中：fy表示钢绞线屈服应力，εy表示屈服应变。

钢绞线材料输入参数见表3所示。

表3 钢绞线材料参数一览表

钢垫块本构关系采用双线性随动强化模型(BKIN)，该种模型使用一个双线性来表示应力-应变曲线关系，关系中有两个斜率，一个表示弹性斜率，另一个表示塑性斜率。并采用Von Mises屈服准则，以及推荐强化模型，应力-应变曲线关系表达式为：

(6)

式中：fy表示钢材屈服应力，εy表示屈服应变。

钢垫块输入参数见表4所示。

表4 钢垫块参数一览表

(三)数值仿真分析

结合该节制闸当前工作运营实际情况，选取任一段预应力空心面板(跨度×宽度×高度：18.00m×1.24m×0.90m)(并列9块)进行结构安全分析，建立模型如图5所示，安全仿真结果见表5。

图5 8段全面板结构网格模型

项目类别X向Y向Z向总空心面板最大变形(mm)0.9190.0580.37911.808发生部位靠近左端跨中端部跨中最小变形(mm)-0.927-0.251-11.8080.056发生部位靠近右端端部跨中端部最大正应力(MPa)10.6318.45324.611/发生部位右端部筋处右端部筋处右端部筋处最小正应力(MPa)-24.431-11.699-27.294/发生部位左端部筋处右端部筋处左端部筋处沥青铺装层最大变形(mm)0.9180.0190.37811.785发生部位弯筋转折部位跨中端部跨中最小变形(mm)-0.927-0.251-11.7840.535发生部位弯筋转折部位端部跨中端部最大正应力(MPa)5.0411.6431.286/发生部位右端部右端部跨中底最小正应力(MPa)-10.623-2.438-1.358/发生部位跨中左端部跨中顶预应力筋最大变形(mm)0.7670.0330.49511.765发生部位弯筋转折部位跨中端部跨中最小变形(mm)-0.805-0.199-11.7650.219发生部位弯筋转折部位端部跨中端部最大正应力增量(MPa)45.71010.63619.234/发生部位跨中右端部右端部最小正应力增量(MPa)-47.312-11.092-20.633/发生部位端部左端部右端部

通过对表5分析，集中荷载跨中作用时，空心面板整体最大变形发生在跨中位置，达11.808mm，最小变形发生在端部，达0.056mm；x向最大正应力发生在右端部与预应力筋连接部位，达10.631Mpa，x向最小正应力发生在左端部与预应力筋连接部位，达-24.431Mpa(偏大)，推断为该处应力集中导致。

沥青铺装层最大变形发生在跨中位置，达11.785mm，最小变形发生在端部，达0.535mm；x向最大正应力发生在右端部与预应力筋连接部位，达5.041Mpa，x向最小正应力发生在左端部与预应力筋连接部位，达-10.623Mpa。

预应力筋最大变形发生在跨中位置，达11.765mm，最小变形发生在端部，达0.219mm；x向最大正应力增量发生在跨中部位，达45.710Mpa，x向最小正应力增量发生在端部，达-47.312Mpa。

(四)动车模型分析

根据对交通桥现场原位测验情况，发现在4面板、5面板，与6面板之间的沥青铺装层表面普遍出现纵向裂缝，该部分恰好为车辆行驶频率高的通道，初步诊断该种裂缝为车辆行驶而导致。因此，通过模拟汽车的4个轮胎传力于4面板、6面板跨中位置处，来推演汽车动荷载作用下的预应力混凝土空心面板结构的运营状态。模拟小车参数见表6。

表6 小车模拟参数一览表

集中荷载包括两部分，一部分为小车的自重荷载10.00吨，另一部分为外加动荷载，见图6所示。

图6 外加动荷载时程曲线

图7 全面板结构小车动载网格模型

项目类别X向Y向Z向总空心面板最大变形(mm)1.010.0190.57514.752最小变形(mm)-1.339-0.268-14.7510.082最大正应力(MPa)11.36311.71318.766/最小正应力(MPa)-20.468-14.333-26.041/沥青铺装层最大变形(mm)1.0430.0540.57314.741最小变形(mm)-1.342-0.245-14.7400.532最大正应力(MPa)6.7712.6590.625/最小正应力(MPa)-18.788-8.019-3.620/预应力筋最大变形(mm)0.9290.0110.71814.748最小变形(mm)-1.245-0.279-14.7460.130最大正应力增量(MPa)55.45823.33668.316/最小正应力增量(MPa)-55.064-36.360-115.05/

对表8进行分析表明，小车作用时，空心面板整体最大变形发生在跨中位置，达14.752mm，最小变形发生在端部，达0.082mm；x向最大正应力发生在右端部与预应力筋连接部位，达11.363Mpa，x向最小正应力发生在左端部与预应力筋连接部位，达-20.468Mpa。

沥青铺装层最大变形发生在跨中位置，达14.741mm，最小变形发生在端部，达0.532mm；x向最大正应力发生在右端部与预应力筋连接部位，达6.771Mpa，x向最小正应力发生在左端部与预应力筋连接部位，达-18.788Mpa。小车轮胎作用位置发生应力集中。

预应力筋最大变形发生在跨中位置，达14.748mm，最小变形发生在端部，达0.130mm；x向最大正应力增量发生在跨中部位，达55.458Mpa，x向最小正应力增量发生在端部，达-55.064Mpa。

五、结论

通过对山东某水闸结构中预应力空心面板交通桥进行外观裂缝原位测验、裂缝深度探测、结构安全仿真及动车模型分析几个方面的安全评估，得到如下结论：

1.交通桥存在桥面铺装裂缝、破损及龟裂现象，该交通桥被划分到三类桥，亟需修补及加固，以确保安全。

2.通过裂缝深度雷达探测表明，交通桥路面沥青层存在多处不密实病害，位置与路面裂缝相对应，进一步体现了原位测验与雷达探测存在的紧密关联。

3.结构安全仿真分析表明，单块空心面板结构协同作用下的承载能力能够满足交通要求，汽车作用部位沥青铺装层与相邻面板部位沥青铺装层结构变形相差很大，不能满足结构与结构之间的力传递，从而导致沥青层出现纵向开裂、横向开裂等病害。

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SafetyAssessmentforPrestressedTrafficBridgewithHollow-panelinSluiceStructures

HUShao-wei1,YUJiang1,2,LUJun1,DONGMao-gan1

(1.DepartmentofMaterialsandStructuralEngineering,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210024,China) (2.CollegeofWaterConservancyandHydropowerEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Due to influences of pavement crack,damage and crack on the surface of deck pavement,its safety assessment is necessary to be performed for prestressed traffic bridge with hollow-panel in sluice structures during its service in Shandong province.According to the actual situation of traffic bridge,four kinds of diagnostic techniques,including in-situ test for the crack appearance,crack depth detection,structure safety simulation,and dynamic vehicle model analysis,are used for safety evaluation.Through this kind of standardized safety assessment,it is shown that its carrying capacity meets the requirement for prestressed traffic bridge with hollow-panel,while its asphalt pavement cannot meet the requirement of the operation.The proposed assessment method provides a powerful reference for safety evaluation and later maintenance reinforcement for the prestressed traffic bridge in sluice structures.

sluice structures;traffic bridge with hollow-panel;radar detection;dynamic vehicle model

国家杰出青年基金(51325904)；水利部公益性行业科研专项经费项目(201501036)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项项目(Y417012)

喻江(1989-)，男，重庆人，博士研究生，从事水工结构病害诊断研究。