南坞大桥灾后安全性评定

张中俊 盖轶婷

0 引言

我国幅员辽阔，也是一个地质灾害多发的国家，而作为城市间、区域间的纽带——公路，其功能的特殊性决定了必须穿越大量的复杂地质构造，因此受地质灾害影响的几率也较大。本文以受滑坡体冲击的南坞大桥结构安全鉴定为背景，对该桥病害产生的成因以及安全性进行科学分析评价。

1 病害现状

南坞大桥上部结构为三联先简支后连续预应力混凝土连续组合箱梁桥，跨径组合：(5×25+5×25+5×25)m。桥面系为双幅分离式布置，单幅截面由四个预应力小箱梁组成，桥面宽为：0.5 m(防撞护栏)+10.75 m(行车道)+0.5 m(防撞护栏)。上部梁高142.4 cm，下部采用直径150 cm的双柱式墩，墩高在11.623 m～20.9 m，U形桥台，桩基础。设计荷载为公路—Ⅰ级。大桥全貌见图1。

该桥在建设过程中南侧山体曾出现过滑坡地质灾害，滑坡体对8号段桥跨区域产生了较大冲击。桥梁完工后发现8号A墩柱内侧有9条可见半环横向裂缝，裂缝最大宽度值为0.59 mm，最大长度为2.6 m;外侧墩有8条可见半环横向裂缝，裂缝最大宽度值为0.26 mm，最大长度为2.1 m，上述裂缝均超出规范限制。

2 病害成因分析

为明确病害成因，本文采用大型数值分析程序ANSYS对南坞大桥进行了分析。

2.1 数值分析

1)桩土模拟—土弹簧单元。桩土作用历来就是上下部联合分析的难点，本文采用Link10单元来模拟。该单元独一无二的双线性刚度矩阵特性使其成为一个轴向仅受拉或仅受压杆单元。使用只受压选项时，如果单元受拉力作用，刚度就消失。因此本文采用该单元对桩基与其周围土体的相互作用进行模拟［1］。

2)桩基模拟。桩基模拟采用Beam4单元，该单元是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。这种单元在每个节点上有六个自由度：x，y，z三个方向的线位移和绕x，y，z三个轴的角位移，可用于计算应力硬化及大变形的问题。通过一个相容切线刚度矩阵的选项来考虑大变形(有限旋转)的分析。

3)墩、盖梁模拟。由于要对墩柱及其周围一定范围的裂缝进行细致分析，而混凝土开裂后的非均匀性及各向异性的特点，应用有限元来模拟混凝土的力学性质是一个极为复杂的问题。ANSYS中的实体单元Solid65具有自动判断拉裂与压碎的功能，因此本文采用该单元对墩、盖梁进行模拟。该单元为八个节点实体单元，每个节点有三个自由度，即x，y，z三个方向的线位移;还可对三个方向的含筋情况进行定义［2］。

在用Solid65模拟混凝土时还要确定以下材料参数：

1)弹性模量(Ec);2)轴向极限抗压强度;3)轴向抗拉强度; 4)泊松比;5)开口裂缝剪力传递系数;6)闭合裂缝剪力传递系数; 7)轴向受压应力—应变关系。

剪力传递系数βt(开口、闭合)表示开裂面的状态。其取值范围为0.0～1.0，0代表光滑的裂缝，无剪应力传递，1代表粗糙的裂缝，剪力完全传递。有关资料显示其值取0.05～0.25较为合适。本文通过试算发现，其取值对收敛性有一定影响，对计算结果影响不大，所以为计算收敛，分别取值0.2及0.5。对于1)，2)，3)参数由实测或换算得到，泊松比取0.2，7)可根据实测值套用清华模型的本构关系得到［3］。

此外，桩与土弹簧采用线单元划分，墩采用映射网格划分，盖梁采用自用网格划分，如图2所示。

2.2 荷载模拟及工况

1)荷载。恒载：上部结构恒载对盖梁的作用采用整体分析模型得出。滑坡体土压力荷载：按p=α·γ·H得出。2)工况。由于该桥目前尚未通车，因此对病害的分析采用以下两个工况进行：工况一：未安装箱梁，仅考虑墩柱盖梁自重及滑坡体土压力荷载;工况二：上部结构安装箱完成，增加箱梁及上部结构二期荷载的作用。

2.3 数值分析结果

1)未安装箱梁时的墩柱分析。由图3可见，在侧向土压力作用下，8号墩柱的外侧出现横向裂缝，向外侧偏位约0.706 cm，计算最大拉应力为4.31 MPa，混凝土已经开裂，与现场外观检查相符。此外，分析表明8号A墩在桩墩结合处内侧也出现了拉应力超限现象。2)安装箱梁时的墩柱分析。工况二的分析过程分两步进行，首先建立全桥整体模型，主要是为了得到上部主梁的支反力，以及主梁对下部结构变位的弹性约束(该作用在第二步将以弹簧刚度的方法施加到盖梁上)。其次，建立细部实体模型，将第一步得到的力边界条件及约束施加到模型上。

安装箱梁后8号墩柱在侧向滑坡体压力作用下，计算最大拉应力为3.48 MPa，同样墩柱混凝土出现开裂，横向位移为0.769 cm。因此滑坡体是导致墩柱横向裂缝的主要原因。

3 实桥试验及裂缝扩展分析

为对该桥安全性进行全面评价，本文针对该桥的病害进行了现场加载试验。经加载效率分析得出，试验荷载车辆共需总重30 t(自重+砂石料)工程车六辆，按8号A墩反力最不利位置布载，布载位置见图4。裂缝扩展观测采用标距为12 cm的应变计进行［4］，由静态数据采集系统TDS602进行信号处理。

裂缝宽度变化由观测应变值换算得出，试验荷载作用下部分裂缝扩展结果见表1。由表1看出，试验荷载作用下，裂缝宽度有所增长，且卸载后部分数值不可恢复，说明在设计荷载作用下，上述裂缝处于不稳定状态。

表1 裂缝扩展 mm

4 结语

本文对受滑坡灾害的桥梁进行了数值模拟分析及现场加载试验，对病害成因及目前结构的安全性进行了全面分析。分析得出，滑坡体土压力是病害产生的主要原因，目前结构存在的裂缝宽度已超出规范限制，且为不稳定裂缝，建议进行加固处理。

［1］ 任 伟，宋一凡，赵小星.在役桥梁混凝土桩基安全性评价方法［J］.中外公路，2008，28(2)：129-132.

［2］ 陆新征，江见鲸.利用ANSYS Solid 65单元分析复杂应力条件下的混凝土结构［J］.建筑结构，2003，33(6)：22-24.

［3］ 任 伟，赵 煜，栾好发.粘贴钢板加固持荷RC梁承载力数值分析方法［J］.交通运输工程学报，2007，7(6)：96-100.

［4］ 李德寅.结构模型实验［M］.北京：科学出版社，1996.