基于实例溢洪道交通桥结构安全综合评价分析

陈盛辉，胡尧峰，郑汉种

(1.缙云县水利局，浙江 缙云 321400；2.西华大学，四川 成都 610039；3.浙江广川工程咨询有限公司，浙江 杭州 310020)

0 引言

溢洪道交通桥在日常的巡查监测和防汛工作中均起到了重要的作用，也可以作为交通道路通行车辆，是保证交通安全和水库安全运行的重要结构[1]；陆扬[2]认为对桥车辆限速限载，可提高交通桥运行的安全性；王飞等[3]就水闸中工作桥兼做交通桥的工程为例，给出其安全评价的方法，并给出如何计算分析其在不同工况下的内力和构件强度，分析了该工作桥的安全现状；陈浩帆[4]通过ABAQUS软件对石门水库坝顶交通桥进行静动力分析。本工程溢洪道交通桥作为水库枢纽的重要结构，其运行多年后结构老化、失稳破坏，轻则影响过往车辆的人身安全，重则可影响水库大坝安全，因此对交通桥结构安全进行综合评价有着积极的意义。

1 交通桥结构概况

该溢洪道交通桥采用三肋带横拉杆拱架形式。主拱圈净跨L=22.85 m，净矢高f=3.81 m，矢跨比f/L=1/6。桥全长25.5 m，桥面宽4.5 m，桥两侧均设置防护栏杆，栏杆高1 m，但经现场检查发现，实际与原设计局部有些差别，交通桥现场见图1，因此根据现场情况，绘制交通桥平面图，如图2所示。其中本桥荷载标准为旧汽-6设计，最大荷载重量为60 kN，材料为钢筋混凝土结构，混凝土材料全部采用C20。

经现场检查及检测：主拱梁有多处裂缝及混凝土脱落现象，并有多处纵筋及箍筋露筋现象，未见贯穿性裂缝；拉杆多处表面混凝土脱落、裂缝等现象，1处贯穿性纵向裂缝。右侧桥头护栏柱子被撞断；桥面板基本完整，混凝土强度推定值满足原设计强度，桥梁架结构强度经监测满足原设计强度要求，但所检受力构件混凝土碳化深度值均在2 cm以上，碳化深度较深。

2 拱圈内力计算

根据原设计图纸，主拱圈伸入桥墩0.2 m，锚固长度较小，根据现场桥梁情况并考虑桥梁多年运行情况，本次主拱圈验算按等截面圆弧双铰拱计算[5]。主拱圈截面尺寸按0.2 m×0.3 m计算；立柱截面尺寸按0.2 m×0.3 m计算；横系梁截面尺寸按0.15 m×0.2 m计算；主拱圈及副拱上部桥面梁板按填厚0.5 m，r=20 kN/m3计算；跨中部分拱圈与桥面板之间填筑按三角形梁荷载考虑，宽度同拱圈宽0.2 m，最高处按0.5 m考虑。

本工程桥面宽4.5 m，横向布置3个主拱圈，本次取中间跨主拱圈计算，计算宽度取2.25 m。集中力P的计算跨度、立柱计算高度见图3。

参考JTG D60—2004公路桥涵设计通用规范及国内相关文献[6]，按路面上车辆所占的宽度，把车辆荷载换算成条状均布土层，其厚度h0为：

(1)

2.1 计算工况

本次结构计算采用以下三种工况：

工况一：不考虑桥面车辆荷载，考虑桥面行人荷载2.5 kN/m2；

工况二：考虑桥面5 t车辆荷载；

工况三：考虑桥面10 t车辆荷载。

2.2 内力计算

交通桥主拱圈承受荷载主要有均布永久荷载(主拱圈自重、栏杆自重、桥板自重、横系梁自重、腹拱自重)，均布可变荷载(人群荷载、车载)等。其中5 t汽车Q=50 kN，车带长L=4.2 m，车带宽b=2.6 m，则Q5 t汽车=50/(4.2×2.6)=4.58 kN/m2，对应Q10 t汽车=9.16 kN/m2。

根据不同工况下计算拱圈的内力，计算得拱圈的内力如表1所示。

表1 交通桥拱圈内力计算成果

根据得到的内力计算相应的压应力，见表2。

表2 交通桥拱圈压应力计算成果

通过计算得到：随着荷载的增加，拱顶位置受荷载影响最大，本桥梁在仅考虑人群活载2.5 kN/m2且未考虑风荷载作用下主拱圈应力偏大，超出C20混凝土强度，已不满足现行混凝土结构设计规范要求，建议对本桥进行加固处理。

3 数值模拟

根据设计图纸与现场详细情况，数值模型共划分97 252个三维实体单元和27 999个节点，交通桥数值分析模型如图4所示。

3.1 本构模型

该交通桥主要为钢筋混凝土结构，钢筋混凝土有限元模型根据钢筋的处理方式分为三种，即分离式、整体式和组合式。

当不考虑混凝土和钢筋二者之间的滑移时，三种模型都可以，本次模拟采用整体式模型。本次计算主要是查看交通桥各部件受力情况，因此计算过程中选用各向同性弹性模型来对结构变形进行数值模拟研究。

3.2 材料属性

考虑到实际现役桥梁已经营运20多年，模型的材料性质一方面参考原设计，另一方面还要根据现场检测情况进行修正，主拱圈由拱肋、桥板、拱波以及横拉杆组合而成，均选用均质材料，材料的各个参数如下：

混凝土材料弹性模量E=2.8×104MPa，泊松比μ=16，容重γ=23 kN/m3。

3.3 工况和边界条件

为了能反映交通桥正常运行状况，并结合现场交通桥的裂缝等问题，分两种工况进行模拟，以交通桥行走2 t车辆荷载至桥中央为工况一，以交通桥行走5 t车辆荷载至桥中央为工况二[7]。边界条件：数值模拟时，岸坡处及支墩底部假定为固端约束。

3.4 计算结果

3.4.1 应力分析

两种工况下的最大主应力云图见图5，最小主应力云图见图6。

从图5，图6中可以看出：

1)大部分结构最大主应力基本表现为压应力，局部表现为拉应力，主要出现在两侧拱圈和桥板中间位置；主拱圈两侧的拉应力较大，在工况一运行条件下拉应力最大值为20.4 MPa，而工况二拉应力最大值达到29.3 MPa；压应力值均不大，最大值出现在拱脚位置。

2)最小主应力分布趋势与最大主应力分布趋势相反，整体模型中绝大部分表现为拉应力，局部表现为压应力，压应力主要集中拱顶和拱顶上部桥板位置，且在拱顶位置的压应力最大，工况一运行条件下的值达到13.0 MPa，而工况二下的压应力值达到18.3 MPa。

3)不同工况下，拱圈位置受到的影响最大，拱圈两侧位置为拉应力，拱顶位置为压应力。

3.4.2 位移分析

模型总位移云图如图7所示，X向位移云图如图8所示，Y向位移云图如图9所示，Z向位移云图如图10所示。

1)从位移云图中可以看出，模型位移分布集中在交通桥中部，其他位置位移值均较小；在工况一下拱顶位移表现最大为1.2 cm，而工况二下位移最大为1.8 cm，很明显在5 t车载作用下，交通桥已经产生过大变形。

2)X向位移分布集中在两侧主拱圈和腹拱位置，左侧位置向左方向变形，右侧位置向右方向变形。Y向位移较小，位移值在0 mm～0.2 mm之间，位移分布集中在主拱圈位置。

3)从位移云图中可以看出，两种工况下模型Z向的位移分布规律和总位移规律相似，Z向最大位移出现的位置、大小和总位移相等，说明此处主要发生的是沉降位移，X向、Y向的位移很小，这从X向、Y向位移云图中得到证实。

4)工况一模型主要部位的Z向位移值在0 mm～12 mm之间，而X向位移值在0 mm～1.8 mm之间，Y向的位移值在0 mm～0.2 mm之间。Z向的位移值比X向、Y向的位移值大了一到两个数量级，这同样较好的说明了从总位移云图中表现为沉降位移所控制这一规律。

5)而工况二下的模型主要部位的Z向位移值在0 mm～18 mm之间，而X向位移值在0 mm～2.5 mm之间，Y向的位移值在0 mm～0.3 mm之间，相比工况一下的，承受较大车载下，竖向位移有较大程度的增大。

4 结语

根据现场观测、数值模拟应变结果分析，交通桥质量评价结论如下：

1)交通桥外观质量较差，存在多处开裂、混凝土脱落、露筋等现象，并且横向拉杆存在一处贯穿性裂缝。

2)两端拱脚应变变化规律基本一致；在小型车载作用下拱顶应变最大值为1.2 cm左右，而在中型车载作用下，拱顶应变达到1.76 cm。

3)本桥梁在仅考虑人群活载2.5 kN/m2且未考虑风荷载作用下主拱圈应力偏大，已不满足现行混凝土结构设计规范要求。综合现场检查检测结果，溢洪道交通桥外观质量较差，承载能力不足，且已出现较大裂缝，存在较大的安全隐患，建议对本桥进行限载2 t，并进行维修加固。