某高墩支座沉降下受损梁体的承载能力分析

王累

（四川公路工程咨询监理有限公司，四川 成都 610041）

一、工程概述

该桥梁上部结构为（4×40+5×40+3×30+3×30+3×30+3×30）m预制T梁、连续箱梁，桥长725m，桥面设计为单向两车道，总宽10.25m，其中行车道总宽9.25m。下部构造桥台采用肋桥台、桩式桥台，桥墩采用桩柱式矩形墩。该桥5号墩发生沉降，造成第5跨、第6跨桥面塌陷，简支T梁梁体受损，如图1所示。

图1 桥墩沉降倾斜图

二、桥梁主要病害

（一）梁体病害

根据现场检测发现5号桥墩沉降，T梁梁体受损伴有大量细小裂缝，且第5跨、第6跨的梁体裂缝走向基本对称并指向5号桥墩，因此本文针对第6跨的病害展开分析。第6跨梁体腹板存在斜裂缝(约45°，支座往跨中方向0m～10m范围内)，共计167条；跨中附近区域梁体马蹄侧面存在斜裂缝(约45°)，共计39条。典型病害照片如图2所示。

图2 典型裂缝分布图

（二）支座病害

根据现场检测发现第6跨小里程侧1～4#支座均存在部分脱空、剪切变形，同时1～4#T梁均存在移位现象，大里程侧2～4#支座向上游侧发生剪切变形3mm～4mm。

三、桥梁预拱度分析

为评估梁体线形状况，给预应力损失及梁体的技术状况评价提供参考依据，在桥梁荷载加载前、卸载后，测量第6跨T梁梁底线形，分析加载前、卸载后梁底线形变化。（增加第8跨梁底线形作为对比跨）。

（一）测量方法

为测量本桥梁底的线形，在梁底黏贴徕卡全站仪L型小棱镜，用全自动0.5s徕卡测量机器人测量棱镜坐标。

（二）测量位置

第8跨、第6跨测点位置：梁体两端防落梁装置位置处（距离支座约2m）、各横隔板处共计7测点。梁底测点布置图如图3所示。

图3 梁底测点位置

（三）测量结果

用徕卡0.5s测量机器人置于桥下视野通透处，在荷载加载前、卸载后测量每个测点，第6跨T梁梁底线形加载前、卸载后跨中预拱度测量数据如表1所示。测量数据显示：6-1#、6-2#、6-3#梁卸载后较加载前的预拱度减小，6-4#梁预拱度无重大变化；6-1#、6-2#、6-3#梁较对比跨的预拱度减小，损失了部分预应力和承载能力，其中6-1#、6-2#梁预拱度减小为负值，损失较大的预应力和承载能力。

表1 梁体预拱度测量结果

四、桥梁建模分析

针对该桥第6跨采用有限软件MIDAS/civil开展详细计算分析工作。

（一）参数设置

该桥第6跨简支T梁采用C50混凝土，荷载等级为城市-A级。桥梁从小里程面向大里程，桥墩顶横桥向左偏0.40m，顺桥向向大里程方向偏移0.10m，竖直方向最大沉降0.60m。

根据现场实测数据，5-1#～5-4#支座横桥向左偏0.40m，顺桥方向向大里程方向偏移0.10m，5-1#支座沉降0.6m，5-2#支座沉降0.5m，5-3#支座沉降0.4m，5-4#支座沉降0.3m。荷载组合选择“自重+恒载+支座沉降荷载+钢束一次+钢束二次+收缩二次+徐变二次”[1]，分析运行程序，荷载组合的梁单元内力图如图4所示，位移变形图如图5所示。

图4 荷载组合下梁单元内力图

图5 荷载组合下位移变形图

（二）裂缝分析

矩形截面混凝土构件在扭矩作用下，截面上将产生剪应力流，截面扭心处剪力等于零，截面长边外边缘的中点处剪力最大。截面在剪力作用下将产生等值的主拉、主压应力及最大剪应力，由于(τ／ft)＞(τ／fτ)＞(τ／fc)，因此混凝土的开裂是拉应力达到抗拉强度(或拉应变达到极限拉应变)引起的[2]。因此，在截面长边中点附近最薄弱处首先产生一条呈45°角方向的斜裂缝，然后迅速地以螺旋形向相邻两个面延伸，最后形成一个三面开裂一面受压的空间扭曲破坏面，使结构立即破坏，破坏带有突然性，具有典型脆性破坏性质，如图6所示，其中开裂扭矩值为Tcr。

式中ft：混凝土抗拉强度设置值；

wt：截面受扭塑性抵抗矩。

T形的钢筋混凝土纯扭构件，当b＞h，b＞hf时，结构的第一条斜裂缝出现在腹板侧面的中部，其破坏形态和规律性与矩形截面纯扭构件相似。

图6 纯扭构件应力状态及裂缝图

在梁与支座之间相互约束中，控制转动变形的力矩即称为约束力矩。约束力矩绕构件横截面水平轴转动的平面内力矩，产生弯曲变形；而绕构件长度方向水平轴转动的扭矩，产生扭转变形。

从梁单元内力图和位移变形图可以看出，T梁产生正扭矩，梁体受扭后形成约45°斜向裂缝，跟现场实测形成的裂缝方向一致；同时梁体受正扭矩后会使T梁的预拱度值减小，跟预拱度分析结果一致。

五、桥梁荷载试验

（一）荷载工况

第6跨静载试验包括以下内容：

工况一：跨中截面在最大正弯矩中载下的竖向挠度横向分布，跨中截面、支点截面（距支座1m处，下同）在最大正弯矩中载下的应力横向分布和裂缝观测；

工况二：跨中截面在最大正弯矩偏载下的竖向挠度横向分布，跨中截面、支点截面在最大正弯矩偏载下的应力横向分布和裂缝观测。

（二）结果分析

该桥第6跨T梁挠度测试结果分析如表2所示，各工况主测截面校验系数在0.44～0.82之间。根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（以下简称《规程》），结构校验系数小于1.0时，表明结构的实际状况要好于理论状况。最大相对残余变位为12.70%，满足《规程》规定的相对残余变位不大于20%。

分析T梁之间的挠度值和校验系数，可以看出6-1#、6-2#梁相比6-3#、6-4#梁的挠度数值较大，校验系数偏高，结构安全储备较小，说明6-1#、6-2#梁的承载能力削弱，验证了预拱度分析的结果。

在最大试验荷载作用下各控制截面应变观测结果如表3所示，各工况主测截面校验系数在0.42～0.82之间。根据《规程》，结构校验系数小于1.0时，表明结构的实际状况要好于理论状况。相对残余应变绝对值最大为10.00%，满足《规程》规定的相对残余应变不大于20%。

表2 挠度测试结果分析

表3 应变测试结果分析

分析T梁之间的应变值和校验系数，6-1#、6-2#梁相比6-3#、6-4#梁的应变数值较大，校验系数偏高，结构安全储备较小，说明6-1#、6-2#梁的承载能力削弱，与预拱度分析结果一致。

六、结语

本文以某桥为工程背景，分析了桥梁支座沉降和梁体预拱度变化，探究了产生裂缝的原因，通过桥梁荷载试验对该桥梁开展了安全评估。结果表明：从预拱度分析，6-1#、6-2#、6-3#梁卸载后较加载前的预拱度减小，6-4#梁预拱度无重大变化；从理论分析结合建模分析，梁体受扭后形成约45°斜向裂缝，跟现场实测形成的裂缝方向一致，同时梁体受正扭矩后会使T梁的预拱度值减小，跟预拱度分析结果一致；从荷载试验分析，梁体受损后整体承载能力满足荷载城市-A级的正常使用要求，验证了预拱度分析的结果。