预应力混凝土箱梁砸击后损伤检测与仿真分析

王鸣军

(常州市市政管理处，江苏常州 213002)

0 前言

2012年12月22日上午11时左右，常州某大桥引桥第五联附近打桩机倒塌，桥梁受到撞击多处受损。为全面了解和掌握此次事故对桥梁结构总体技术状况和安全性能的影响，本文选取砸击事故后受损的预应力混凝土箱梁为研究对象，通过对受损桥梁主体结构及其附属构件的全面检查结果，掌握了大桥桥面砸击后重要结构部位的技术状况。同时，对桥面砸击进行了结构损伤仿真分析，研究了桥面砸击引起的箱梁受力分布规律[1-4]。从而为此类事故造成的桥梁损伤状况及其加固维修提供了经验与技术支撑。

1 工程概况

事故桥梁为常州市某大桥引桥第五联，跨径组合为(3×30)m，单箱5室结构，分别于支座处和每跨跨中处设置横隔板，箱梁横断面为斜腹板截面，桥面宽度30.5m，底板宽23.5 m。箱梁高1.70m，顶板厚25 cm，底板厚22 cm～40 cm，腹板厚45 cm～75 cm。主梁采用C50混凝土，桥墩、桥台采用C30混凝土，桥面铺装采用8 cm厚沥青混凝土铺装+1mm防水层+5 cm厚钢筋混凝土铺装。设计荷载：公路-I级，人群荷载：3.5 kN/m2。桥梁总体布置如图1所示，事故现场参见图2所示。

2 箱梁砸击后受损区域调查

通过对大桥受到砸击后的损伤和缺陷进行全面、细致、深入的现场检查，查明结构主要构件的损伤区域及损伤程度，以便能分析、评价损伤对桥梁技术状况产生的影响。

图1 常州市某大桥引桥第五联总体布置及典型断面图(单位：cm)

图2 常州市某大桥引桥第五联受打桩机倒塌砸击事故现场

经事故现场调查与测定，打桩机砸击后大桥主要受损区域包括：(1)受砸击区域主要为引桥第五联15#～16#墩间跨；(2)桥面铺装与箱梁顶板砸击面积大致为(1.5×1.5)m2，沿桥梁纵向为15#～16#墩间跨东侧距15#墩顶伸缩缝中心21.0m～22.5m，横向为东侧端部5.2 m～6.7 m范围。砸穿区域附近桥面铺装多处位置有坑槽；(3)东侧约7.6 m非机动车道栏杆、约5.7 m分隔墩栏杆被砸断，相应受损部位下方混凝土局部破损。

3 箱梁砸击后结构技术状况检测结果

3.1 箱梁表观状况检查

针对箱梁受到直接砸击的情况，深入检查箱梁混凝土顶板、腹板及底板混凝土损伤状况。检查区域参见图3所示，共检查了A～E五个箱室。

图3 检查区域示意图

A箱室检查结果表明：(1)约(4.0×4.0)m2区域顶板混凝土受冲击破碎、劈裂、脱空(敲击)。由于砸击区靠近中腹板，所以靠近中腹板区域顶板破损更为严重。(2)受砸区附近纵向预应力筋锚固齿板混凝土受损严重，室内东(近边腹板)、西(近中腹板)两侧锚固齿板混凝土均在顶板连接处破碎，西锚固齿板尤为严重，钢筋露出。(3)东侧锚固齿板沿锚固尖端形成约40 cm×40 cm的劈裂区(混凝土尚未脱落)，西侧锚固齿板沿锚固尖端形成长约30 cm、宽约0.12 mm的斜向分叉裂缝。顶板损伤区域具体位置及技术状况参见图4、图5所示。

图4 A箱室内箱梁顶板受损区域示意图(单位：cm)

图5 A箱室内箱梁顶板、预应力锚固齿板受损实景

B箱室检查结果表明：(1)箱室内混凝土受损区域主要为A、B箱室间的中腹板和与之相交的顶板区域，且A、B箱室实测受损中心位置在纵向上基本吻合；(2)顶板混凝土形成(4.0×0.2)m2的劈裂区域；腹板与顶板交接处混凝土纵向开裂，开裂长度约4.0 m，宽度约0.4～0.7 mm；(3)在砸击中心区域两侧，腹板混凝土产生5条斜向裂缝L1～L5，裂缝L1长约0.3m，宽小于0.1mm；裂缝L2长约1.3m，宽约0.2mm；裂缝L3长约1.0m，宽约0.12mm；裂缝 L4长约 0.5 m，宽约0.2 mm；裂缝L5长约 0.6 m，宽约0.08～0.1 mm。损伤区域具体位置及技术状况参见图6、图7所示。

图6 B箱室内箱梁顶、腹板受损区域示意图(单位：cm)

图7 B箱室内箱梁顶板、预应力锚固齿板受损实景

C、D、E箱室检查结果表明：箱室内混凝土顶、底、腹板混凝土基本完好，未发现劈裂、破碎区域。纵向预应力筋锚固齿板混凝土锚固完好，未发现劈裂、破碎及开裂区域。

3.2 预应力钢筋及主筋受损状况检查

针对砸击区域钢筋外露情况，深入检查预应力钢筋及主筋受损状况。检查结果表明：(1)A箱室受砸区箱梁顶板3根纵向预应力钢筋(近边腹板1根、近中腹板2根)被砸外露，受损较为严重。钢筋局部下凹变形且波纹管破损。(2)A箱室受砸区箱梁顶板3根(间距约50 cm)横向预应力钢筋被砸外露，钢筋受损非常严重。被砸处波纹管局部破损，并且中间一根下凹变形明显。(3)A箱室受砸区箱梁顶板主筋被砸弯、下凹变形严重，其余混凝土劈裂区域大量钢筋外露；桥面铺装层钢筋网被砸断、弯曲。技术状况参见图8所示。

图8 A箱室内预应力钢筋被砸外露，局部下凹变形，波纹管局部破损，主筋被砸弯实景

4 结构损伤仿真分析与讨论

4.1 计算方法及模型

计算采用大型有限元分析软件MIDAS/FEA。混凝土箱梁采用空间实体单元模拟，预应力钢筋采用空间杆系钢筋单元进行模拟。该大桥引桥第五联有限元分析模型单元划分考虑计算效率和计算精度，于砸击荷载作用区域内单元长度细化为0.5 m，同跨其他部位单元长度取1 m，其他两跨单元长度取2 m。共29 817个实体单元，5 855个预应力钢筋单元。由于现场倒塌荷载砸击的具体状态无法准确确定，此次计算分析取倒塌的打桩机重量6 t，动荷系数约200[5]。砸击荷载采用面荷载模拟，作用面积约(1.5×1.5)m2。结构损伤仿真分析有限元模型及计算荷载模拟参见图9所示。

4.2 仿真分析结果与讨论

在假定的砸击荷载作用下，箱梁顶板理论受损区域大于实测受损区域，大致在(5.5×7.0)m2左右，顶板理论受损区域如图10所示。受砸区同一箱室内边、中腹板应力水平较大，其他箱室内腹板应力水平相对较小。其中，受砸击影响最显著部位位于中腹板与顶板交接区域，大致在(4.0×0.5)m2左右。底板受砸击影响最显著部位位于边、中腹板交接区域，均在(1.5×1.5)m2左右。受损区域中心纵向位置与砸击区域相同。

图9 结构损伤仿真分析有限元模型

图10 箱梁顶板理论损伤区域示意图

5 结论

(1)桥面铺装与箱梁顶板砸击面积大致为(1.5×1.5)m2，直接砸穿。A箱室约(4.0×4.0)m2区域顶板混凝土受冲击破碎、劈裂、脱空。受砸区附近两侧纵向预应力筋锚固齿板混凝均在顶板连接处破碎，钢筋露出。B箱室顶板混凝土形成(4.0×0.2)m2的劈裂区域，腹板与顶板交接处混凝土纵向开裂，腹板混凝土产生5条斜向裂缝。

(2)受砸区A箱室箱梁顶板3根纵向、3根横向预应力钢筋被砸外露，钢筋局部下凹变形且波纹管破损。顶板主筋被砸弯、下凹变形严重。铺装层钢筋网被砸断、弯曲。

(3)砸穿区域附近桥面铺装多处位置有坑槽。约7.6 m非机动车道栏杆被砸断，约5.7 m分隔墩栏杆被砸断。

(4)在假定的砸击荷载作用下，理论仿真分析顶、底板及腹板受损面积略大于实测结果。

[1]谭晟.高等级公路桥梁空心板开裂原因分析研究[D].成都：西南交通大学，2008.

[2]金玉泉.桥梁的病害及灾害[D].上海：同济大学，2006.

[3]黄颖.混凝土板桥病害原因分析及加固方法研究[D].西安：长安大学，2005.

[4]张劲泉，王文涛.桥梁检测与加固手册[M].北京：人民交通出版社，2007.

[5]Anil K.Chopra.结构动力学理论及其在地震工程中的应用[M].北京：清华大学出版社，2005.