T型刚构桥安全技术评估探讨

GXF360 2019-09-20

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0 引言

T型刚构桥，其墩身截面内力和跨中截面正弯矩及支点负弯矩均比简支结构小，并且上、下部结构具有良好的整体性，内力可进行调节，实现上、下部结构的协调性，而且方便了平衡悬臂的施工方法，又省掉了大型支座系统，施工简便，经济效益较好[1-2]。然而，在运营期间T构桥在混凝土长期收缩徐变和汽车荷载冲击作用下，悬臂端会发生下挠，从而导致悬臂端和挂孔之间形成折角，增大冲击作用，使伸缩缝的处理和养护困难、行车不适，且各T构之间不能共同工作，使其跨径受到限制[3]。因此，T型刚构桥目前已较少采用。

本文以某大跨度T型刚构桥为工程背景，通过历年监测结果、有限元软件理论分析和荷载试验验算，对桥梁的安全性进行科学、准确的评估。

1 工程概况

该桥主桥长265m，为T构加挂梁组合体系，跨径组合为52.5m+2×80m+52.5m，T构悬臂长为2×27.5m，挂孔为25m预应力混凝土简支T梁，原设计荷载为汽车-20级，挂车-100，采用悬拼法施工。该桥于1995年建成通车，2006年对桥面进行了二次铺装，至今已运营22年。从历年检测结果看，该桥病害严重，主要为桥梁下挠趋势明显，且有转动发生，桥体开裂、破损严重，预应力钢绞线锈蚀、预应力损失较大。

1.1 挠度监测

对主桥的挠度测点布置如图1所示，在主桥两端、T构最大悬臂处和T构的中轴线布置，共11个测点。由挠度监测结果来看，1995年到2005年T构最大悬臂端最大下挠6.1cm；2006桥面二次铺装，2007年较2006年最大下挠1.1cm,2009年较2007年最大下挠1.7cm，22年累计最大下挠9.8cm，由此判断桥体发生了转动且还在继续下挠。其原因为结构的刚度变化、二期重铺自重变大、混凝土收缩徐变等变形作用以及局部预应力损失过大，导致桥梁出现不同程度的下挠。

图1 测点布置

图2 挠度测试结果

1.2 外观检测

通过外观检测结果可见：本桥桥面存在多处横、纵向裂缝及护栏破损露筋，伸缩缝缺失、损坏严重；挂梁腹板、底板、横隔板开裂破损，梁端封锚混凝土损坏露锚；T构箱梁破损开裂，支座出现剪切、老化破坏、变形等现象，钢绞线有轻微锈蚀，预应力管道未压浆；墩柱混凝土强度差异较大，部分墩柱外层混凝土开裂破损，个别墩柱有船撞痕迹[4]。

综上，该桥技术状况处于差的状态，部分重要构件有较严重的缺损，桥梁正常使用功能明显降低，鉴定为四类桥，需要进行安全性评估及荷载试验。

2 基于结构现状的安全性评估

2.1 计算参数的选取

由于桥梁现状下的混凝土强度、钢绞线强度与设计值差异较大，而且铺装层进行了重新铺装，原设计参数已不符合实际情况，因此须对计算参数进行重新选定。

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根据实测数据，选取参数如下：

(1)混凝土抗压强度的推定值为25.2MPa；(2)混凝土计算容重为25.5 kN/m3；(3)二期恒载为88.63kN/m；(4)由于钢绞线有轻微锈蚀，预应力管道未压浆等病害存在，预应力强度取值按原设计的65%进行计算；(5)冲击系数按旧规范取值为0。汽车荷载、温度、收缩徐变均取原设计参数，详见89桥规[4]。

本文对该桥进行承载能力极限状态验算和正常使用极限状态验算。

2.2 承载能力极限状态验算

如图4所示，对T构划分为10个块进行拼装，由此根据10个截面的承载力验算进行分析。计算结果如表1、表2所示，在荷载组合Ⅰ和组合Ⅲ作用下，00#～8#截面不能满足抗弯极限承载能力要求；在组合Ⅰ作用下，0#～9#截面不满足抗剪承载能力要求；在组合Ⅲ作用下，0#～8#截面不满足抗剪承载力要求。分析原因主要为混凝土强度过低，预应力损失较大，桥面重新铺装自重增大，导致桥体承载能力不合格。

图3 有限元模型

图4 截面编号

表1 承载能力极限状态正截面抗弯验算结果

截面编号承载能力Md/(kN·m)组合Ⅰ验算结果荷载效应/(kN·m)是否满足组合Ⅲ验算结果荷载效应/(kN·m)是否满足00175956.5233083.8No215138.7No0169437.0205270.6No189259.3No1135636.4180706.6No166537.5No2114592.2158711.7No146291.7No392891.7132730.8No122519.3No477711.9108692.5No100688.4No564580.086751.6No80740.4No651062.267635.6No62624.3No738109.848022.4No43737.0No826864.831070.9No27192.1No917264.216392.2Yes13812.4Yes109781.35162.1Yes4318.4Yes

表2 承载能力极限状态斜截面抗剪验算结果

截面编号截面承载能力Qd/kN组合Ⅰ验算结果荷载效应/(kN·m)是否满足组合Ⅲ验算结果荷载效应/(kN·m)是否满足010574.512511.9No11605.2No19605.411866.3No10953.0No28963.411200.3No10286.5No38257.210393.8No9478.7No47685.89603.4No8687.9No57049.98330.4No7916.4No66512.67578.9No7164.8No75816.46460.8No8316.7No85237.05639.1No5495.0No94767.54841.1No4147.4Yes106284.84139.3Yes3445.1Yes

2.3 正常使用极限状态验算

正常使用极限状态按3车道计算，偏载系数为1.15。在使用荷载(组合Ⅰ)作用下，全预应力混凝土受弯构件受拉区法向应力(扣除全部预应力损失)应符合：对于用砂浆(或混凝土)接缝的分块拼装结构，其截面受拉边缘由预加力引起的预压应力必须大于由使用荷载引起的拉应力的1.1倍，即：σh-1.1σ≥0。

2.3.1 混凝土正截面抗裂应力验算

从图5可见，正截面上缘存在拉应力，最大拉应力值为4.5MPa，不满足抗裂要求。

图5 使用阶段组合Ⅰ截面上缘应力(单位：MPa)

(最大拉应力4.5MPa)

图6 使用阶段组合Ⅰ截面下缘应力

(单位：MPa)(下缘无拉应力)

2.3.2 混凝土斜截面主拉应力验算

在使用荷载作用下，预应力混凝土受弯构件在计算主拉应力时，应符合：

荷载组合 width=254,height=17,dpi=110

在该次研究中，对观察组肺癌合并糖尿病患者开展目标性护理干预后，患者的并发症发生率明显低于对照组（P＜0.05）；观察组患者护理后的血糖控制情况优于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）。

荷载组合Ⅱ或 width=258,height=17,dpi=110

目前，武汉理工大学后勤集团先后荣获全国百家诚信示范单位、全国食品与营养示范校园、荣获洪山区首届高校食品安全知识竞赛一等奖、全国高校伙食工作先进集体、中国食品年会普法先进单位、湖北省高校饮食管理工作先进单位、学生最喜爱的校园餐厅等众多荣誉称号。

从图7、图8可见，在组合Ⅰ作用下截面最大主拉应力为3.4MPa，大于规范容许值1.584MPa；在组合Ⅱ、Ⅲ作用下最大主拉应力为3.8MPa,大于容许值1.782MPa。因此，不满足斜截面抗裂规范要求。

图7 组合Ⅰ使用阶段截面主拉应力包络图(单位：MPa)

(最大主拉应力3.4MPa)

图8 组合Ⅱ、Ⅲ使用阶段截面主拉应力包络图(单位：MPa)

(最大主拉应力3.8MPa)

2.3.3 混凝土正截面法向压应力验算

目前，各类大学都对各自的教学进行改革以适应不断发展的社会需求和人对知识掌握的需求。但是所有的改革都不可能是尽善尽美的，在课堂教学改革的过程中也会出现一些不尽人意的方面。

在使用荷载作用下，预应力混凝土构件法向压应力(扣除全部预应力损失)应符合：

荷载组合 width=250,height=17,dpi=110

荷载组合Ⅱ或 width=261,height=17,dpi=110

从图9、图10可见，在组合Ⅰ作用下最大压应力为12.1MPa大于规范容许值9.45MPa；在组合Ⅱ、Ⅲ作用下最大压应力为12.8MPa大于容许值11.34MPa。因此，不满足规范要求。

图9 组合Ⅰ使用阶段截面最大/最小压应力包络图

(单位：MPa)(最大压应力12.1MPa)

图10 组合Ⅱ、Ⅲ使用阶段截面最大/最小压应力包络图

(单位：MPa)(最大压应力12.8MPa)

2.3.4 混凝土斜截面主压应力验算

在使用荷载作用下，预应力混凝土受弯构件在计算主压应力时，应符合：

荷载组合 width=272,height=17,dpi=110

自主开发的结构有限元分析软件ATLAS是一个适用于核电工程的大规模结构快速有限元分析系统，集成了核电设计中所常用的分析功能模块，如弹塑性分析功能、大开孔优化功能、热机耦合分析功能、瞬态分析功能、时程分析功能、楼层响应谱生成功能、反应谱分析功能、应力线性化功能、压力容器防断裂评定功能等。本文通过反应堆压力容器密封性分析，得到以下结论：

荷载组合Ⅱ或 width=276,height=17,dpi=110

从图11、图12可见，在组合Ⅰ作用下最大主压应力为12.1MPa，大于规范容许值11.34MPa；在组合Ⅱ、Ⅲ作用下最大主压应力为12.8MPa，大于容许值12.29MPa。因此，不满足规范要求。

（4）旅游社区基础。社区是支持和保障生态旅游活动的重要基础，促进和保证社区参与也是生态旅游开发的重要目的[8]。人口基础、一定的经济能力和必要的环境知识储备是影响居民参与生态旅游活动、进行生态旅游决策的主要原因[9-10]。故本研究从人口规模、地区经济、生态意识和居民参与四个维度对区域生态旅游开发的社区因素进行评价。

图11 使用组合1截面主压应力(单位：MPa)

(最大主压应力12.1MPa)

图12 使用组合Ⅱ、Ⅲ截面主压应力(单位：MPa)

(最大主压应力12.8MPa)

综上所述，该桥目前状况下的承载力验算基本均未达到规范要求，承载能力不足，存在较大的安全隐患。分析原因为钢绞线锈蚀松弛，强度下降，混凝土达不到强度要求。为进一步判断桥梁的实际承载能力，需进行静动载试验。

3 荷载试验

3.1 静载试验及分析

3.1.1 试验布置

蓝莓酒是一种以蓝莓为原料发酵酿造的新兴果酒，具有很高的营养价值和保健功能。研究表明，蓝莓酒因含有多酚化合物而具有清除自由基、螯合金属离子、激活其他抗氧化剂和抑制细胞内氧化酶活性等作用[3]，具有降低心血管疾病发病率、防癌、抗癌、抑制炎症等保健功能[4]。本文以浙江余姚市舜南休闲农庄蓝莓种植基地产蓝雨蓝莓果实为原料，以加工成色泽、香气、滋味具有蓝莓酒典型性为主要目标，研究不同酿造工艺对蓝莓果酒风味物质的影响，筛选出蓝莓酒的最适酿造工艺，即低温浸渍预发酵工艺对蓝莓果酒风味物质的影响，得出最佳发酵工艺条件。

由图2可知，在底物质量浓度6～10 mg/mL，玉米醇溶蛋白与Zn2+螯合能力逐渐升高，当底物质量浓度为10 mg/mL时，Zn2+螯合能力为5.92 mg/g，达到最高，此时的酶解度为36.13%。随着底物质量浓度增大，玉米醇溶蛋白Zn2+螯合能力及酶解度均缓慢降低，可能是因为底物质量浓度增大导致反应体系黏度增大，进而影响了分子运动速率，降低了Zn2+螯合能力及底物和酶切位点的结合。

对于主桥T构，该试验选取病害较严重的左幅第49#墩T构悬臂根部B-B截面(最大负弯矩截面)为控制截面，跨中最大正弯矩C-C截面为加载截面，进行加载试验。

甲状腺肿瘤是一种比较常见的内分泌系统肿瘤,其也是普外科一种比较常见的疾病。甲状腺肿瘤发病率呈显著上升的趋势,女性患者较多,良性肿瘤较为常见,一般无非常明显的临床症状。手术方式是治疗该病症的主要方式[1]。

对于主桥挂梁荷载试验，选取病害较严重的左幅第48跨挂梁为试验桥跨结构，跨中最大正弯矩C-C截面进行加载试验。

在醇类燃料中氧分含量较高，因此，燃烧更加充分，燃烧的效率也更高，另外在燃烧过程中不会出现大量排放一氧化碳的状况，但是甲醇本身具有较大的危害性，同时还有腐蚀性，故而甲醇汽车在现阶段很难得到广泛的应用。

图13 静载试验控制截面

3.1.2 试验荷载

试验荷载效率根据弹性理论，计算最不利荷载组合对控制截面B-B截面产生的弯矩值为-25 878kN·m，设计弯矩值-29 008kN·m，荷载效率为0.878。挂梁跨中C-C截面试验弯矩值1 745.1kN·m，设计弯矩值1 833.3kN·m，荷载试验效率为0.952。两个截面的荷载效率均满足《试验方法》[5]的要求。

图14 B-B截面测点布置

图15 C-C截面测点布置

3.1.3 试验数据分析

3.1.3.1 应力测试结果分析

由图16可知，T构根部截面上、下测点的校验系数均远小于1，截面上、下部各测点残余应变值均小于20%，可满足《试验方法》的要求。实测应变偏小的主要原因是由于箱梁拼装施工，顶板存在贯通裂缝，箱梁上部的拉应力主要由预应力钢索承担，箱梁顶板混凝土实际上大部分已退出工作，不参与受拉或受拉极小，故其实测的应变与理论计算值相比大大偏小。即混凝土的应变不能反映结构的实际工作状况，已不能够作为评定承载力的依据。由图17可知，挂梁各应变测点校验系数均小于1.05，各关键挠度测点卸载后相对残余变形均小于20%，满足《试验方法》的要求。实测值均小于理论值，但校验系数均接近1，说明结构承载能力安全储备不足。

图16 主桥T构应力测试结果

图17 主桥挂梁应力测试结果

3.1.3.2 挠度测试结果分析

如图18所示，主桥T构的挠度测点布置在49号墩东莞侧牛腿处横桥向等距布置三个测点。图19所示挂梁的挠度测点布置在47号墩和48号墩之间的挂梁上，横桥向牛腿处各布置2个点，跨中等距布置5个点，共9个测点。

图18 主桥T构桥面挠度测点布置

图19 主桥挂梁桥面挠度测点布置

由表3可知,各挠度测点校验系数均小于1，跨中截面各梁底主要测点相对残余变形均小于20%，满足《试验方法》的要求。实测最大挠度为13.98mm，小于理论计算值16.18mm，挠度的校验系数为0.86，满足《试验方法》的要求。各测点挠度实测值均小于理论计算值，说明结构的实际刚度能满足设计荷载要求。

近年来，我国建筑规模不断扩大，地下室的性能也逐渐多样化。从最初简单的存储性能到目前的地下停车场多功效构造的配合，如大型商业区和民防项目，这些功能需要适合、更高设计准则的基础架构。需要设计者不仅具备更专业的设计水平，并且具备前瞻性的设计理念。建筑物的地下结构设计是整个建筑设计的基础，因此，建筑物地下结构设计的重要性对建筑的设计和使用功能非常重要。

表3 主桥T构挠度测试结果 (单位：mm)

项目测点总变形残余变形满载下弹性变形值满载下理论计算值挠度校验系数1-11.080.30-11.38-15.220.752-12.390.18-12.57-15.700.803-13.480.50-13.98-16.180.86

注：挠度值中“-”表示下挠，“+”表示上挠。

由表4可知，挂梁在满载时各挠度测点校验系数均小于1.05，偏载侧边梁的挠度校验系数最大值为0.99，各关键挠度测点卸载后相对残余变形均小于20%，满足《试验方法》的要求。各测点最大挠度实测值均小于理论计算值，但偏载侧挠度实测值接近理论值，说明结构的实际刚度接近设计值，基本没有安全储备。

表4 主桥挂梁挠度测试结果 (单位：mm)

项目测点满载(1485.4kN)卸载相对残余变形满载下弹性变形值满载下理论计算值挠度校验系数30.240.441.84-0.20-2.910.074-3.080.21-0.07-3.29-5.700.585-7.400.12-0.02-7.52-8.580.886-11.28-0.160.01-11.12-11.400.987-14.51-0.490.03-14.02-14.140.99

3.2 动载试验及分析

本次试验的项目主要为：试验桥跨结构的竖向自振基频，试验分脉动试验和跑车试验。

从竹林的经营效益来看，竹林面积在1.33 hm2以下的农户中，竹林面积越小，经营效益越低，而越接近1.33 hm2，产出投入比则越大。表明大多数竹农的竹林经营效益还有待提高，调查区域的农户存在着扩大竹林经营规模的潜力。

表5 动载试验结果

阶数测点位置脉动测试值/Hz跑车测试值/Hz刹车测试值/Hz理论计算值/Hz测试值/理论值第一阶T构4.904.884.913.98123.0%挂梁6.106.116.105.31114.9%

由表5可知,T构的一阶基频测试值大于有限元理论计算值，可满足设计要求。全挂梁结构的一阶基频测试值大于有限元理论计算值，说明结构实际刚度较大，能满足设计要求。

4 结构可靠度分析

基于以上计算分析与检测结果可知,该桥各T构两侧悬臂纵向存在明显下挠；梁体横向扭转趋势随时间不断发展，特别是挂孔的扭转效应最为明显。全桥铺装厚度较厚，结构的自重增大，对结构的受力状况影响较大。桥体钢绞线存在锈蚀，主桥T构预应力锈蚀、管道均未压浆且预应力损失较大。砼开裂破损严重，钢筋多处外露。其承载能力极限状态与正常使用极限状态均不能满足桥梁规范相关条款的要求。因此，该桥的总体技术状况较差，其安全储备不足，存在较大的安全隐患。