某连续刚构桥主桥考虑损伤影响的有限元模拟

李敏峰 吴娇媚 陈长华

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075000;2.招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆市 400067；3.河北省高速公路石黄管理处，河北 石家庄 052360)

0 引 言

桥梁运营多年会出现不同程度的病害和损伤，为保证桥梁的正常使用，需对受损桥梁进行检测和必要的加固[1-5].本文根据某连续刚构桥主桥的检测结果，考虑运营多年的桥梁损伤情况，建立合理的有限元损伤模型，为后续利用该模型进行加固分析打下基础.

1 工程概况

1.1 主桥结构

某连续刚构桥于2000年通车.该桥上部结构由主桥和引桥构成，其中，主桥采用主跨140m的连续刚构体系，其跨径布设为78m+140m+78m；主桥0#桥台采用箱型台身、钻孔桩基础，1#、2#桥墩采用双肢薄壁墩身、沉井基础，3#桥墩采用薄壁墩身、钻孔桩基础.主桥纵断面示意如图1所示，箱形横断面如图2所示.

图1 主桥纵断面示意

图2-1 箱梁跨中典型横断面(单位：cm)

图2-2 箱梁支点典型横断面(单位：cm)

1.2 主要材料

(1)混凝土.

表1.1 混凝土

(2)预应力钢材.

纵横向预应力采用Фj15.24mm预应力钢绞线，公称抗拉强度为Ry=1860MPa，张拉控制应力采用0.75Ry，弹性模量Ey=2.0×105MPa；竖向预应力采用直径为32mm的40Si2MnMoV精轧螺纹粗钢筋，极限屈服强度不少于750Mpa，张拉控制应力采用极限屈服强度的0.9倍，弹性模量Ey=2.0×105MPa.

(3)普通钢筋.

除特殊要求外，设计采用钢筋为Ⅰ级、Ⅱ级两种.

2 有限元模型的建立

采用Midas FEA仿真软件建立该桥的有限元模型.

梁体采用实体六面体单元，钢筋采用实体中的杆式钢筋.

本构模型为：混凝土选择总应变裂缝模型，裂缝模型选用旋转裂缝，张拉函数及受压函数均选择弹性[6]；预应力钢绞线材料选用Midas FEA中的Strandl860材料，本构模型为弹性；普通钢筋则为自定义材料，本构模型为弹性.

边界条件为：墩底节点设置为固结，将墩底节点所有自由度进行约束；边跨支座为简支，将竖向位移、横向位移、绕纵向的转动和绕竖向的转动进行约束.

模型示意如图3所示.

图3 桥梁有限元模型示意

3 有限元模型的的损伤模拟分析

桥梁在长期的运营过程中发生了病害，受到一定程度的损伤，需要检测并加固.为保证加固效果，需要在病害检测结果的基础上，掌握桥梁的实际受力状态，进而模拟桥梁现有的损伤状态，对受损桥梁进行加固分析更有实际意义.因此，需要对该连续梁桥的损伤状态进行有效模拟.

3.1 桥梁实际受力分析

该桥原设计是按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023-85)[7]进行的，设计荷载为汽-超20，验算荷载为挂-120；加固设计是按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG JGT3362-2018)[8]计算的，设计荷载为公路Ⅰ级荷载.

(1)荷载工况组合.

主要采用三种荷载组合来计算，组合情况见表3.1.

表3.1 荷载工况组合

混凝土正截面压应力及斜截面主压应力验算取正常使用状态标准组合2进行验算，混凝土斜截面抗裂验算取正常使用状态短期组合3进行验算[6].

(2)计算控制截面.

根据该桥的结构特点，拟定加载控制截面如图4所示.

图4 加载控制截面

(3)计算结果比较.

表3.2 85规范计算结果

表3.3 18规范计算结果

计算结果表明，该连续桥计算结果分别满足85规范和18规范的要求，并具有一定的安全储备.

3.2 考虑结构损伤的模型修正

根据该连续梁桥的检测结果可知，该桥跨中下挠、跨中出现受弯裂缝、腹板斜裂缝等，原因是预应力损失，有效预应力不足；另外，裂缝可能导致混凝土部分截面退出工作，进而导致梁体刚度有损，不能充分发挥作用.因此，从三个方面考虑结构损伤：

(1)混凝土强度值.

由该桥检测报告可知，各构件混凝土的回弹强度推定值大于设计值，说明该桥混凝土强度满足设计要求，因此该桥中，混凝土强度值不考虑折减.

(2)预应力损失.

预应力损失分为时效预应力损失和瞬时预应力损失.时效预应力损失在桥梁的长期运营过程中持续产生效应，是影响结构挠度的主要因素.拟将实体模型的全桥纵向预应力钢束的张拉力大小按梯度折减，分别为折减10%、15%、20%、25%、30%来分析原桥的预应力损失状况.

(3)梁体刚度.

由于裂缝的存在，拟对梁体刚度进行一定程度的折减，分别为折减10%和20%.

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考虑上述结构损伤的情况，建立起损伤模型的情况见表3.4.

表3.4 损伤模型

根据上述折减工况设定进行损伤模型计算，得出各种折减工况下关键截面的挠度，采用挠度拟合方法判断对桥梁实际损伤状态的模拟的合理性.

3.3 损伤模型的挠度计算结果分析

经对损伤模型进行计算，得到主跨跨中A-A截面在各折减工况下的计算结果见表3.5.

表3.5 挠度计算结果/mm

由检测报告知，A-A截面的高程降低8.9cm.而GK10中，有效预应力折减25%，同时梁体刚度折减20%时，A-A截面的下挠值时9.01cm，与实际检测结果接近.因此，采用该工况设定的损伤模型进行后续加固计算较为合理.

4 结 论

本文拟对某在役连续刚构桥主桥进行有限元模拟，模型考虑结构运营多年的损伤情况，主要对混凝土强度、预应力折减和梁体刚度折减这三个参数进行调整，通过对比中跨跨中截面的挠度的有限元计算值和实际检测结果的实测值，选出相对合理的有限元计算模型，为后续加固分析打下基础.从上文中，得到以下结论：

采用Midas FEA建立有限元模型，结合桥梁的实际情况进行材料、边界条件和结构单元的模拟.

结合实际检测结果，主要就混凝土强度、有效预应力和梁体刚度三个主要参数考虑结构损伤比较合理.

通过中跨跨中截面的挠度拟合情况，判断混凝土强度无折减，有效预应力折减25%，同时梁体刚度折减20%时，计算模型的挠度下降值为9.01cm，实测结果为8.9cm，二者更为接近，故认为该模型相对准确，可采用该模型进行后续加固分析.