预应力砼桁架T构桥梁剪力铰及拉压支座病理分析

时间：2024-07-28

刘海弯，李龙辉，谢巍，陈科

(长安大学公路学院，陕西西安710064)

洪塘大桥主跨为120 m预应力砼斜拉桁架T型结构，这是一种较为特殊的桥梁结构形式，综合斜拉、桁架及T形刚构三种结构的受力特点［1－3］。两个三角桁架中间经剪力铰连接，主桥和引桥经拉压支座连接，桥梁主墩是V型墩，基础为钻孔桩基础。对该桥检测发现，剪力铰处发生错台，跳车现象严重，同时荷载反复作用下，拉压支座也常破坏，造成桁架横向刚度不足，桁架空间变位较大。本文采用大型有限元软件Midas/civil2012对该桥进行了模拟分析(见图1)。

图1 洪塘大桥有限元模型

1 病害机理分析

在两个桁架之间设置剪力铰，减小了预应力砼斜拉桁架T构的超静定次数和跨中弯矩，但增加了墩梁固结处的弯矩和推力，使行车性能差，汽车通过时剪力铰两侧受不对称荷载，引起剪力铰错台，造成跳车，剪力铰受到较大的冲击力，在反复荷载作用下，易发生破坏。

拉压支座既承受拉力又承受压力［4］，但该桥修建于20世纪90年代，拉压支座的设计承载力满足汽－20荷载，对现在交通量增加、超载严重的现象已不能满足。在桥梁运营20多年中，拉压支座已更换了两次，以提高拉压支座处的承载能力。

剪力铰和拉压支座作为该桥当中的两个特殊构件，经常发生不同程度的破坏，因此分析可能引起这两种构件损伤的因素是很有必要的。经过综合对比分析，选取预应力损失、刚度折损、基础沉降及活载四种主要因素对两种构件的敏感性进行分析。

1.1 单因素分析［5］

1.1.1 预应力损失对剪力铰和拉压支座影响

该桥的斜拉桁架是预应力混凝土结构，设计过程中预应力损失估计过低、过高都将影响桥梁结构使用，预应力损失过大，有效预应力降低，使结构刚度和承载力降低，挠度增大。而剪力铰和拉压支座受力复杂，容易出现病害，故研究预应力损失对这些部位的影响十分重要。

由图2分析可知:剪力铰Z向挠度，拉压支座反力对预应力损失较敏感。预应力损失对桥梁下挠影响显著，随预应力损失增大，恒载与预应力效应差值增大，跨径越大，下挠越明显，剪力铰部位的Z向挠度就会越大。拉压支座处反力主要由恒载与预应力控制，预应力损失增大，恒载大于预应力效应，预应力使拉压支座受拉，恒载使其受压，随预应力损失增加，拉压支座处拉力减小。当预应力损失40%，拉压支座的反力超过其设计承载能力值，支座发生破坏。

1.1.2 构件损伤对剪力铰和拉压支座的影响

混凝土构件受各种因素的影响易出现开裂、剥落、碳化、钢筋锈蚀等现象，使结构刚度和承载力降低，变形增大，降低桥梁的使用性能，对剪力铰和拉压支座也会产生不同程度的影响。本文通过折减混凝土弹性模量来模拟构件的刚度损失。由图3可知，剪力铰Z向位移对刚度损失最敏感，随刚度损失增加，跨中剪力铰位置出现上挠现象。

图2 预应力损失敏感性分析

图3 刚度损失敏感性分析

1.1.3 基础沉降对剪力铰和拉压支座的影响

预应力砼桁架T构是超静定结构，当基础发生整体沉降或不均匀沉降时，结构产生附加内力，引起桥梁上部结构变形，梁体开裂，甚至导致破坏。

由图4看出，基础整体沉降对预应力混凝土桁架T构桥拉压支座反力和剪力铰Z方向位移和剪力敏感，对拉压支座X方向位移不敏感，即过大的基础沉降将使这两种构件发生破坏。

由图5、图6发现:桥墩绕X轴转动，拉压支座X轴方向位移变化较小，但剪力铰处位移变化较大，最大下挠49.2 mm，其剪力变化也较大，最大为495.8 kN，已超出剪力铰设计值;桥墩绕Y轴负方向转动，拉压支座X轴方向位移变化较大，梁的长度增加，可能造成伸缩缝抵死，拉压支座反力变化较大，最大达到1 298.2 kN，已超出拉压支座设计值，拉压支座破坏，剪力铰处位移变化较小。

1.1.4 活载对剪力铰和拉压支座的影响

洪塘大桥的设计依据是85规范，现桥梁设计采用04规范，04规范与85规范对比，04规范中公路－Ⅱ级与85规范中汽车－20级荷载的效应基本相当，而04规范中公路－Ⅰ级荷载比85规范汽车－超20级荷载效应平均提高约6% ～8%。公路－Ⅱ级车道荷载是公路－Ⅰ级的0.75倍。由于该桥修建时间早，荷载等级不高，现交通量增加，超载严重，使桥梁挠度增大，混凝土开裂、钢筋锈蚀，刚度降低，因此对超载进行分析显得十分必要。

图4 墩结构整体沉降

图5 墩绕X轴转动

由图7可知，汽车超载40%时相当于荷载等级提高到汽车－超20。同时超载对拉压支座的反力影响较大，对剪力铰影响较小。但剪力铰错台时，车辆在错台处跳车，超载将进一步加大错台，故超载对拉压支座和剪力铰都有较大影响。

图6 墩绕Y轴负方向转动

图7 汽车超载敏感性分析

1.2 多因素病害成因分析

经上述分析:引起剪力铰错台主要因素有预应力损失、混凝土刚度降低和基础变位(整体沉降、绕X轴转动和绕Y轴转动)，导致拉压支座拉坏可能因素有混凝土刚度降低、墩绕X轴转动和超载。若将这些因素进行排列组合计算，计算量较大，通过数理统计法用正交表计算会大大减小计算量。

1.2.1 剪力铰处剪力正交试验设计［2］

将影响剪力铰错台因子进行正交试验设计，因子有5个，设计正交表，因变量为剪力铰剪力，其水平的确定通过大量计算得出。

表1 剪力铰错台水平因素表

将上述5个变量因子每次分别单独变化一个水平，与其他因子的水平组合成16个实验组进行计算，16组实验组合情况不予具体阐述。

利用SPSS软件对正交试验的数据进行处理，分析对比这些因素对剪力铰错台水平的影响程度的大小。在SPSS中首次计算时取误差为0，计算结果无统计量和显著水平，将极差最小的预应力损失百分比作为误差估计，重新计算(见表2)得到:预应力损失百分比P=0.058，在显著水平α=0.05上无统计意义，但在显著水平α=0.1上有统计意义。同理，基础整体沉降量、桥墩绕X轴方向转动角度、桥墩绕Y轴负方向转动角度在显著水平α=0.05上有统计意义，对实验结果影响显著。

表2 第二次主体间效应的检验

通过SPSS计算得到，对剪力铰影响程度的大小为:混凝土刚度损失百分比＞基础整体沉降量＞桥墩绕X轴方向转动角度＞预应力损失百分比桥墩＞绕Y轴负方向转动角度。每个因素的最佳水平是基础整体沉降量3 cm，桥墩绕X轴方向转动0.2度，桥墩绕Y轴负方向转动0.05度，混凝土刚度损失15%，剪力值为576.1 kN，超过其抗剪设计值500 kN。

1.2.2 拉压支座反力正交试验设计［2］

根据以上单因素敏感性分析得知造成拉压支座破坏的因素有3个，选择正交表，进行正交试验，其中水平确定是通过大量计算得出。

表3 拉压支座破坏水平因素表

将上述3种影响因子每次只选一个因子改变一个水平，与其他因子水平组合成影响效应较大的9组水平，计算拉压支座处的反力值。

选取支座处反力值时选择1#桁架上游侧数据，在SPSS中首次计算取误差为0，计算结果无统计量和显著水平，将极差最小的预应力损失百分比作为误差估计，重新计算(见表4)得到:混凝土刚度损失百分比，桥墩绕Y轴负方向转动角度均在显著水平α=0.05上有统计意义，对实验结果均影响显著。

通过SPSS计算得到，对拉压支座反力影响大小为:桥墩绕Y轴负方向转动角度＞混凝土刚度损失百分比。每个因素的最佳水平是桥墩绕Y轴方向转动0.2度，混凝土刚度损失15%，拉压支座最大反力为－1 065.2 kN，超过其抗拉设计值400 kN。