地裂缝对钢-混组合连续梁桥使用性能影响研究

刚增军， 冯 威， 张喜荣

(1.陕西省交通控股集团有限公司商漫分公司， 陕西 商洛 726499； 2.西安公路研究院有限公司， 西安 710065)

自20世纪50年代以来，因地质构造、过度开采地下水，西安已陆续出现14条地裂缝，且已发展成为该市目前最典型的城市地质灾害[1]。早期的相关研究大多集中于地裂缝的形成机理、活动规律及分布特征，且相关成果已趋于成熟[1-2]。有研究表明该地裂缝活动仍将持续不断[3-4]，诸多学者就跨地裂缝带进行工程建设开展了研究。初期的研究成果主要分析地裂缝灾害特征，并建议建筑物对地裂缝进行合理避让。彭建兵等[5]分析了地裂缝作用下地铁、隧道、道路、房屋建筑、桥梁及管道工程的灾害特征，提出了地裂缝灾害综合防治对策。陕西省出台了《西安地裂缝场地勘察与工程设计规程》(DBJ 61-6—2006)[6]，对地裂缝场地建筑物的避让距离作出了规定。

我国学者及工程技术人员针对跨地裂缝桥梁建设，特别是高铁桥梁开展了相关研究。石玉玲[7]通过物理模型试验，提出跨越地裂缝采用静定结构简支梁桥较为合理。张茵涛等[8]通过物理模型试验模拟地裂缝不同活动量，对桥墩桩端应力、桥上轨道变形、稳定性等受其影响程度进行分析，得出了以不同斜交角度跨越活动地裂缝带的高铁桥梁结构变形破坏模式。杨涛[9]利用数值模拟方法，研究了跨地裂缝带高铁简支梁桥不同跨长的受力变形特征，提出了跨长优化方案。刘海东等[10]利用FLAC3D数值软件对高铁桥梁以45°与地裂缝地段斜交进行了数值模拟分析。庞旭卿等[11]通过模型试验与数值模拟方法，探究了地裂缝引发的桥梁灾变机理，从而确定了桥梁受地裂缝作用其应力应变特征及受力模式。

钢-混组合梁因其优异的力学性能与显著的经济效益，应用日益广泛。相关研究在我国兴起较晚，但是发展迅速。从 20 世纪 80 年代开始，许多高校以及科研单位开始通过模型试验的方法对钢-混组合梁开展研究。目前的研究热点主要集中于组合结构的界面滑移效应[12]、局部连接件[13]的力学性能、桥面板受力分析[14]等。

面对需求导向强烈的城市建设进程，单纯采取“避让”或简单结构已无法满足迫切的桥梁建设需求，因此开展跨地裂缝建设复杂桥梁结构的研究十分必要。本文拟通过数值仿真方法研究地裂缝对钢-混组合连续梁桥力学性能的影响规律，分析地裂缝引起土体不均匀沉降对钢-混桥梁使用性能的影响，为桥梁运营期的安全预警提供依据，并为跨地裂缝桥梁结构灾害防治提供理论支持。

1 工程背景

1.1 西安地裂缝

西安目前有14条主要地裂缝和4条次生地裂缝，面积大约为250 km2。西安地裂缝运动是三维空间的，除垂直与水平向的位移外，还会在水平向发生扭动[15]。工程建设与运营受位移量最大的垂直位移影响较严重，故着重分析地裂缝垂直位移。雁塔路互通式立交桥位于西安f12地裂缝上，二者以小角度在翠华南路西侧斜交，裂缝走向约NE50°，倾向SE，倾角约80°，一般南侧相对下降。根据相关地测资料及研究成果，立交桥所跨越f12地裂缝处的竖向位移年平均活动速率为2 mm/a，在桥梁设计基准期(100年)内地裂缝引起的土体最大竖向沉降量可取为20 cm[16]。

1.2 工程概况

西安雁塔路互通式立交桥是3跨变截面连续梁桥，其跨径组合为50 m+90 m+50 m，设计荷载等级为公路-Ⅰ级。主梁采用钢-混组合结构，钢主梁跨中梁高2.35 m，墩顶梁高3.85 m。钢箱梁底宽为5.5 m，桥面板顶宽为9.0 m，悬臂长为1.75 m，主梁钢箱梁部分采用Q345钢材。桥梁跨越地裂缝场地平面示意如图1所示。

图1 桥梁跨越地裂缝场地平面示意

2 数值模拟

2.1 有限元模型建立

采用MIDAS Civil软件建立桥梁结构模型，其中上部结构混凝土顶板采用梁单元，弹性模量为3.45×104MPa，容重为25 kN/m3；钢箱采用梁单元，弹性模量为2.05×105MPa，容重为76.98 kN/m3；混凝土与钢板之间采用无质量的刚臂单元连接，桥墩采用梁单元，弹性模量为3.25×104MPa；桩基采用梁单元，弹性模量为3.0×104MPa。桥梁仿真模型如图2所示。桩土的相互作用采用整体建模法，采用GTS NX软件进行分析，即桩基础用梁单元模拟，土体用实体单元模拟，它们之间的接触面用面接触单元Interface模拟。

2.2 土体模拟

土体的材料参数如下：弹性模量为30 MPa，泊松比为0.33，容重为18.6 kN/m3，粘聚力为30 kPa，内摩擦角为20°；地裂缝采用面接触单元Interface模拟，其法向刚度为2 800 kPa、切向刚度为280 kPa、摩擦角为15°，粘聚力为10 kPa。地裂缝上下盘土体采用界面单元分割土体，并将周围平面法向约束来模拟形成；上下盘土体的相对沉降效应，分别在其底面施加强制位移和竖向约束来模拟；土体和桩基因尺寸差异大，故分别以大单元和小单元划分。仿真模型分析中的接触非线性单元采用混合网格进行网格划分，即多数接触非线性单元采用六面体网格划分，对过渡段网格采用四面体进行划分，仿真模型如图2(b)所示。

2.3 加载工况

依据《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》(JTG/T D64-01—2015)，按照正常使用极限状态进行荷载组合，桥梁整体升温25 ℃，整体降温28 ℃，并按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)确定了正负温度梯度。正常使用极限状态建立8种荷载组合，如表1所示，其中作用频遇组合和准永久组合(汽车荷载分项系数由0.7调整为0.4，其余分项系数不变，组合1至组合4分别对应组合5至组合8)各4种工况。引起本桥可变作用长期挠度的荷载主要为基础变位荷载、活载(不考虑冲击系数)和温度梯度。

(a) 桥梁仿真模型

(b) 土体仿真模型

(c) 地裂缝界面模型

表1 作用频遇组合及准永久组合

3 地裂缝对正常使用极限状态影响

3跨连续梁受恒载与地裂缝作用，在中跨两支点处会产生负弯矩，使混凝土板受拉甚至开裂，故将1#和2#个主墩支点选做控制点截面。

3.1 混凝土裂缝

8种工况下混凝土板的裂缝宽度数值如图3所示。

由图3可知，随着沉降不断增大，控制截面1处裂缝宽度减小，最后产生闭合，而控制截面2处裂缝宽度不断增大。因此，地裂缝荷载会使混凝土板开裂宽度增大，但是远小于规范容许值0.1 mm，其最大值仅为0.008 6 mm。这主要是钢箱梁相对梁高较高，主梁截面的抗弯惯性矩较大，加上预应力的作用，混凝土顶板的开裂宽度远小于规范允许值，桥梁结构处于安全状态。

3.2 主梁变形

主梁下挠不仅会影响桥梁的美观与使用者的心理不适，还会对结构受力状态产生影响。钢-混组合梁利用抗剪连接件使钢箱梁和混凝土板成为整体而共同受力，但二者之间仍存在相对滑移，并会使主梁变形增大。依据《公路钢混组合桥梁设计与施工规范》(JTG/T D64-01—2015)，相对滑移引起的主梁变形按10%～15%的附加挠度考虑，此处按保守值15%进行计算。主梁下挠值如图4所示。

由图4(a)可知，荷载工况1下，边跨跨中下挠值较小，中跨跨中下挠值较大，但是远小于挠度允许值0.10 m，桥梁结构较安全。由图4(b)可知，荷载工况2下，左边跨和跨中主梁控制节点处下挠值较大，而右边跨主梁控制节点处下挠值较小。当土体沉降量达到0.097 m时，左边跨主梁跨中的下挠值已达到桥梁的下挠允许值0.10 m，随着土体沉降量的继续增大，左边跨主梁的下挠值持续增大，对桥梁结构的安全产生严重威胁。因此，地裂缝对钢-混组合连续梁的变形影响较大。

(a) 频遇组合(b) 准永久组合(c) 荷载工况3(d) 荷载工况4(e) 荷载工况7(f) 荷载工况8

图3 不同工况混凝土板裂缝宽度

4 结论

通过对钢-混组合连续梁桥与地裂缝斜交进行有限元数值模拟，分析了地裂缝垂直运动作用下混凝土裂缝与主梁变形规律，得出如下结论：

1) 基于桥梁正常使用极限状态分析，随着土体沉降量不断增大，混凝土板裂缝宽度有所增加，但最大宽度远小于规范允许值，即对混凝土板裂缝宽度有影响，但影响有限。

2) 基于桥梁正常使用极限状态分析，当地裂缝上盘土体沉降量为0.097 m时，主梁左边跨跨中变形将超限。随着土体沉降量的继续增大，该处下挠持续增大。因此，地裂缝效应对主梁变形影响较大，应足够重视。

3) 地裂缝垂直运动显著影响桥梁主梁变形，并会增大混凝土板开裂宽度，跨地裂缝建设钢-混组合连续梁桥的健康监测指标应重点关注主梁变形，同时对混凝土裂缝保持关注。