钢-混组合梁桥边梁断裂破坏修复方法研究

摘 要：钢-混组合梁桥结合了钢材和混凝土两种材料的优点，具有质量轻、跨度大、施工难度低和经济效益好等特点。疲劳破坏是钢结构桥梁的一种典型病害，因此本文以某座钢-混组合桥梁主梁的“工”形钢梁疲劳断裂事件为例，详细阐述了该桥的临时加固、计算和疲劳分析过程。本文采用有限元模型根据桥梁原设计图纸、临时加固方案和相关技术资料建模，对桥梁断裂前后的受力状况进行了分析，评价加固措施的有效性和其对桥梁力学性能的影响。然后，结合有限元应力结果和相关规范对该桥进行疲劳验算，根据验算结果对该类型桥梁的后续养护工作提出相关建议。

关键词：钢-混组合梁桥；疲劳破坏；有限元模型；加固方案

中图分类号：U 44 " 文献标志码：A

钢-混凝土组合梁是在钢结构和混凝土结构基础上发展起来的一种新型结构型式。它主要通过在钢梁和混凝土翼缘板之间设置剪力连接件（栓钉、槽钢、弯筋等），抵抗两者在交界面处掀起及相对滑移，使其成为一个整体，并共同工作。与钢筋混凝土梁相比，钢-混凝土组合梁可以减轻结构质量，减少地震效应和截面尺寸，增加有效使用空间，节省支模工序和模板，缩短施工周期，提高梁的延性等。与钢梁相比，它不仅可以减少用钢量，还可以提高刚度、稳定性、结构抗火性和耐久性等[1]。

钢-混凝土组合梁在我国城市立交桥梁中已得到广泛应用，疲劳破坏作为桥梁钢结构的典型病害，在日常的养护工作中多发于细部构造，例如肋板焊缝处。本文以某钢-混组合梁“工”形钢梁疲劳断梁事件为案例，利用有限元模型对梁体断裂前后进行力学性能分析，并结合规范对其疲劳性能进行验算，评估钢混组合梁的加固效果，期望本文研究成果可以为同类型桥梁的应急评估和抢险工作提供借鉴。

1 工程背景

案例桥梁走向为沪杭高速至徐浦大桥方向，全桥共33跨，总长为678.5m。上部结构为预应力钢筋混凝土空心板梁、普通钢筋混凝土连续箱梁及工字钢梁。桥梁建于1998年，设计荷载为汽车-超20级，挂-120，限载总质量为49t，轴质量为14t。本次受损桥梁为21#孔跨越地铁线的上下行线路，全桥共有6片主梁，5道中横梁和2道端横梁，中横梁与端横梁均采用焊接“工”形断面，主梁梁高为1.68m，中横梁梁高为1.4m，端横梁梁高为1.68m。由于该桥跨越地铁轨道，日常巡检中未能全面覆盖，因此在2023年3月的专项检查中，桥梁养护部门发现该桥梁的工字钢梁出现较为明显的下翼缘板及腹板开裂现象。断裂处长80cm，最大宽度为1.1cm，已贯通至腹板。断裂位置距下翼缘板的横向焊缝2cm。

钢梁跨中处腹板出现竖向断裂1处，裂缝长1.2m，最大宽度为9mm，断裂处呈明显的下宽上窄状，并已向上发展至距上翼缘40cm处。断裂位置距腹板斜焊缝50cm。

受损钢梁为边梁，且位置对应的桥面车道为重车道，根据现场检查结果，判定钢梁开裂的原因可能是长期重载交通的作用及振动或冲击而产生的钢梁疲劳损伤。

针对该梁，工程师提出在钢梁开裂区域开孔，并利用高强螺栓锚固加固板的方案，具体施工流程如下。1）以腹板上缘裂缝终端为中心，打直径30mm的止裂孔。2）临时加固采用贴板栓接加固，对连接板表面进行除锈清理，安装时涂层抗滑移系数不小于0.30。3）在开裂区域进行开孔，将螺栓预拉力设计为355kN，连接板与下翼缘板（腹板）相互压紧后，应该从加固件中间向端部逐次钻孔安装，并拧紧螺栓。在开孔过程中，需要尽可能避免削弱钢梁截面。

2 有限元模型介绍

2.1 整体模型

本文利用ABAQUS-CAE有限元软件[3]建立整桥的空间有限元模型，利用三维实体有限元模型对桥梁边梁开裂情况进行仿真模拟，探究边梁开裂前后，立交桥整体的受力状态和内力变换情况，评估桥梁结构的安全性能。为进一步探索桥梁临时修复加固方案细部模型的安全性和有效性，本文根据临时加固方案，建立了加固区域的足尺精细化分析模型，分析螺栓的开孔对桥梁结构的受力影响。为了建模及分析的便捷性，主梁钢板采用3D面结构，建立混凝土桥面板采用3D体结构，除此之外，研究还对横隔板、横肋以及底板预应力锚固齿块等细部结构进行了建模。模型网格划分方式采用规整化网格划分的方式，主梁端部、跨中、横隔板以及纵肋单元的网格尺寸为50mm，全桥总单元数约44万个，总节点数约46万个。

2.2 局部模型

根据临时加固设计方案，对梁体钢板和加固钢板进行开孔，大量开孔会导致钢板截面削弱以及产生大量局部损伤，且当梁体受荷时，螺栓孔附近会出现应力集中现象。因此，为研究采用该加固方案时的真实应力情况，须对临时加固区域进行精细化仿真模拟。

在局部模型中，须考虑加固板件和梁体的空间位置和接触关系，因此，主梁加固板件采用3D体结构。局部模型按照钢梁临时加固工程设计图，其纵向尺寸为5m，两侧边界与裂缝的距离分别为2m和3m。采用自动实体网格划分的方式对网格进行划分，为了能够精细化分析螺栓开孔的局部应力状况，本模型在加固区域采用尺寸为1～5mm的单元进行划分，越靠近螺栓孔尺寸越小。在非加固区域采用尺寸为20mm的单元进行划分。空间有限元模型如图1所示。

2.3 材料参数

钢-混组合桥主要包括混凝土桥面板和钢主梁。因此，本次计算模型中主要包括混凝土和钢两种材料，混凝土等级为C50，其弹性模量为35000MPa，泊松比为0.2。钢主梁和加固板材料均为Q345钢材，其弹性模量为20000MPa，泊松比为0.3，其工字钢底板宽为800mm，厚度为35mm。腹板高为1600mm，厚度约为20mm。加固钢板同样采用Q345钢材，主梁腹板加固连接板厚度为14mm，底板加固连接板厚度为24mm。

2.4 荷载和约束

根据《城市桥梁设计规范》（CJ 11—2011）[2]，该桥梁的设计荷载为城—A荷载，本次数值模拟分为正常使用、边梁断裂和临时加固3种计算工况。正常使用工况其边梁完好；边梁断裂工况是根据实际断裂位置和高度切割出对应的裂缝来模拟桥梁的带伤工作状态；临时加固计算工况则是在边梁断裂工况的基础上，模拟锚固加固板修复方案。

实体模型的支座约束与实际桥梁设计方案保持一致，所有支座均约束竖向约束，其中3#和4#支座按固定铰支承处理，9#和10#只释放纵向约束，固定铰一侧的其他支座（1#、2#、5#、6#支座）只释放横向约束，另一侧的其他支座（7#、8#、11#、12#支座）释放横向和纵向约束。

2.5 螺栓模拟

螺栓锚固钢板临时加固方案是否有效不仅取决于能否恢复桥梁正常的整体工作状态，还需要保证螺栓孔开孔数量以及位置的合理性，避免造成次生病害。因此，本研究对螺栓的开孔点位、数量以及连接方式进行了仿真模拟，研究局部钢板开孔后的真实受力性能，并评估其安全性。

局部模型螺栓的模拟共分为以下3个部分。1）螺栓模拟：螺栓模拟采用ABAQUS内置的connector单元，根据螺栓的中心位置对单元节点进行排布，并利用tie约束连接梁体和加固板的螺栓孔位。2）钢板接触模拟：由于加固钢板与梁体钢板之间存在摩擦作用，因此在局部模型中，须在两者之间设置“接触”模型，接触性质采用硬接触，罚函数的摩擦系数取0.3。3）螺栓预紧力模拟：螺栓预紧力利用均布荷载均匀加载在加固钢板上。

3 计算结果分析

3.1 应力

3种工况下最大主拉应力如图2所示。各工况最大主拉应力值分别为155.9MPa、219.8MPa和93.5MPa，它们的最大主应力值均不超过270MPa，其主应力满足《公路钢结构桥梁设计规范》（JTG D64—2015）[3]的要求。边梁的最大主应力为129.9MPa，出现在边梁断裂工况的靠内侧梁体的下翼缘板处，在进行临时修复加固后，钢梁主体的主应力最大值变为68.73MPa，与未发生断裂时的钢梁应力状况基本一致，修复钢板的最大主应力为60.44MPa，这表明修复加固措施能够有效恢复结构的整体受力性能，并且加固板并未出现应力超限的情况。但是整体模型并未考虑螺栓的开孔等局部措施对结构的影响，因此需要辅以局部分析模型，对其进行研究。

3.2 支座反力

在车道荷载作用下，边梁断裂后，在约束1侧，与正常使用状态相比，1#梁的支座反力急剧下降，支座出现负反力，存在支座脱空风险。4#梁处的支座反力会从105kN增至307.931kN，支座反力增幅接近100%。在约束2侧，6#梁的约束2侧的支座反力从177.86降至67kN，同样存在支座脱空的风险。中部的2#、3#和4#支座反力均会增加约60kN左右。

对临时加固工况来说，无论是车道还是车辆荷载，支座反力基本与正常使用状态保持一致，最大误差只有37kN，50%的支座反力误差在10kN以下，证明临时修复加固措施效果显著，能够使桥梁恢复整体正常工作状态。

因此，当边梁断裂后，1#和6#边梁均存在支座脱空风险，易引起重大安全事故，中部梁体支座所承受的荷载会增加，有可能超过支座的极限承载力，导致支座发生破坏，同时，采用螺栓锚固板加固的方法能够有效地恢复桥梁的工作性能，说明加固方案总体有效。

3.3 局部模型结果

在车道荷载作用下，临时加固区域钢梁和加固板的主应力结果如图3所示。根据梁体主应力图可以看到，在下翼缘板紧邻裂缝的两排螺栓孔位处，会出现应力集中现象，产生超过559MPa的主拉应力，根据加固板主应力图，底部下层加固板在裂缝区域，会出现超过348MPa的应力集中区域。

梁体主应力超限区域主要集中在裂缝附近区域的螺栓孔位处，钢板主应力超限区域同样集中在裂缝附近区域。因此，需要对裂缝附近的螺栓区域进行持续性监测，防止钢板局部开裂使临时加固结构发生破坏，导致加固措施失效。

4 结论

本研究利用空间有限元模型对某钢-混组合桥梁从整体到局部的不同工况下梁体的受力状况进行了仿真分析，重点研究了桥梁受力状态在发生断裂以及临时加固前后，在车道荷载作用下的变化规律，分析了桥梁结构安全存在的潜在风险，得出以下主要结论。1）在车道和重车荷载作用下，梁体在各种工况的总体主拉应力均满足《公路钢结构桥梁设计规范》要求，但是根据加固区域局部模型的精细化分析结果，其螺栓开孔区域会产生应力集中现象，出现超限应力，可能会导致梁体和加固板开裂破坏。2）在荷载作用下，边梁发生断裂后，其边梁支座会出现负反力，容易出现支座脱空现象，当桥梁偏载较大时，极有可能发生桥梁安全事故，危及行车安全。

参考文献

[1]聂建国，余志武.钢-混凝土组合梁在我国的研究及应用[J].土木工程学报，1999（2）：3-8.

[2]住房和城乡建设部. 城市桥梁设计规范：CJ 11—2011[S].北京：人民交通出版社，2011：31-32.

[3]中交公路规划设计院有限公司.公路钢结构桥梁设计规范：JTG D64—2015[S].北京：人民交通出版社，2015：8-9.