基于靜載試驗(yàn)的既有板橋承載能力評定

杜 婷，劉莉萍，楊 陽

（1.隴東學(xué)院土木工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000；2.甘肅省高校黃土工程性質(zhì)及工程應(yīng)用省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 慶陽 745000）

部分早期建造的中小橋梁隨著使用年限不斷增加，出現(xiàn)了不同程度的病害，已不能滿足當(dāng)前重載交通的要求[1-5]。這類橋梁繼續(xù)運(yùn)營會存在比較大的安全隱患，因此對既有橋梁的承載能力進(jìn)行檢測評估[6-9]，是使橋梁安全運(yùn)營、使用壽命延長的有效方法。目前主要通過研究板橋的開裂機(jī)理及影響[10-14]、運(yùn)用健康監(jiān)測系統(tǒng)評判橋梁安全性[15]和有限元分析[16-17]等方法對空心板橋的承載力進(jìn)行檢測評價(jià)。

本文檢測對象為我國G309 國道K1264+300 處的混凝土板橋馬蓮河橋，于1975 年10 月建成。通過觀察發(fā)現(xiàn)目前該板橋的橋墩和梁體均出現(xiàn)不同程度的開裂，部分支座處有銹蝕和傾斜現(xiàn)象，為了驗(yàn)證該橋梁是否影響車輛的正常運(yùn)行，通過對其采用現(xiàn)場外觀質(zhì)量調(diào)查、混凝土表面抗壓強(qiáng)度測試、梁體混凝土碳化深度測試以及現(xiàn)場靜載試驗(yàn)的方法，并經(jīng)過理論計(jì)算、數(shù)據(jù)分析和整理，參照該橋竣工文件，提出檢定意見。

1 板橋簡介

馬蓮河板橋橋跨結(jié)構(gòu)采用7 跨的鋼筋混凝土T 型簡支梁，跨徑為22.2 m。T 梁采用C25 混凝土，凈高和腹板寬度分別為135 cm 和160 cm，翼板高8~14 cm。該橋?yàn)閮绍嚨离p向行車，全長170.5 m，橋面凈寬7.0 m，兩側(cè)設(shè)有寬度為0.75 m 的人行道，橋上凈高4.5 m，橋下凈高22.7 m。橋梁的重力式橋墩、U 型橋臺、球形支座和擴(kuò)大基礎(chǔ)均采用C20 混凝土，設(shè)計(jì)荷載為汽-13 級，拖-60 級。進(jìn)行檢測時(shí)，為了能夠記錄清楚橋梁主要承重構(gòu)件的變化情況，對其進(jìn)行編號，見表1。

表1 橋梁構(gòu)件編號表

2 檢測方法

2.1 橋梁外觀質(zhì)量檢查

通過目測檢查橋面鋪裝層有無裂縫、剝落、坑槽，護(hù)欄和泄水孔是否完好，結(jié)構(gòu)鋼筋是否外露等，同時(shí)輔以數(shù)碼相機(jī)、高倍望遠(yuǎn)鏡等工具進(jìn)行配合，檢測結(jié)果如圖1 所示。

圖1 橋梁外觀檢查結(jié)果

通過觀測發(fā)現(xiàn)混凝土梁體外觀質(zhì)量良好，但由于雨水和污水的侵蝕，出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，并有部分混凝土剝落、鋼筋外露、銹蝕等現(xiàn)象。1#墩和2#墩墩身均出現(xiàn)大量裂縫，其中1#墩裂縫較多，裂縫寬度均在0.4~0.8 mm 之間，墩身兩側(cè)圓弧端裂縫為環(huán)向裂縫與豎向裂縫交錯(cuò)延伸，豎向裂縫最長達(dá)1 m，最寬達(dá)0.5 mm，如圖1（a）和（b）所示。0#橋臺有斜向裂縫兩道約60°方向，縫寬0.5~1 mm，延伸1 m 左右，如圖1（c）所示。

該橋橋面鋪裝混凝土磨損嚴(yán)重，砂石外露，路緣石和人行道裂損嚴(yán)重，欄桿和扶手外觀質(zhì)量良好，球形支座銹蝕嚴(yán)重，個(gè)別支座發(fā)生偏移。全橋泄水孔完好，未堵塞。

2.2 構(gòu)件混凝土強(qiáng)度檢測

2.2.1 檢測原理

采用HT225A 型回彈儀檢測橋梁構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度?；貜梼x通過彈簧驅(qū)動(dòng)重錘彈擊混凝土表面，通過測量反彈回來的重錘距離來推算混凝土強(qiáng)度。

2.2.2 檢測步驟

1）測區(qū)和回彈測點(diǎn)布置。試驗(yàn)時(shí)選取清潔、干燥和平整的區(qū)域（無蜂窩、麻面、浮漿、油垢和殘?jiān)龋┚鶆虿贾脺y區(qū)，并在每個(gè)測區(qū)均勻布置16 個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行回彈測試。

2）測區(qū)平均回彈值計(jì)算。首先將測得的16 個(gè)數(shù)值按其大小進(jìn)行排序，然后找出其中3 個(gè)最大值和3 個(gè)最小值，將其剔除，最后把剩余的10 個(gè)回彈值取其平均值作為測區(qū)回彈平均值。

3）梁體混凝土碳化深度檢測。在不影響結(jié)構(gòu)承載能力和運(yùn)行的情況下，在有代表性的混凝土梁上鉆孔（避開鋼筋），使用1%濃度的酚酞酒精溶液和深度測量工具進(jìn)行檢測，通過混凝土的顏色變化來區(qū)分出混凝土碳化和未碳化的交界面，交界面到混凝土表面的垂直距離即為混凝土梁的碳化深度。檢查完畢后用同等級或高一等級的水泥砂漿將鉆孔封閉。

4）混凝土強(qiáng)度的推定。由于板橋梁體和橋墩測區(qū)數(shù)均少于10，根據(jù)JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》[18]，利用測試出的回彈值和混凝土碳化深度，計(jì)算其混凝土強(qiáng)度推定值（f(cu，e)）如公式（1）所示

表3 2#墩混凝土抗壓強(qiáng)度結(jié)果MPa

表4 混凝土T 梁抗壓強(qiáng)度結(jié)果MPa

根據(jù)表2—表4 可知：

1）①1#墩、2#墩、混凝土T 梁測試狀態(tài)均為側(cè)面、光潔、風(fēng)干，測試角度均為水平；②平均碳化深度均為3.5 mm。

2）①根據(jù)各測區(qū)回彈值和碳化深度得出1#墩1—8測區(qū)的強(qiáng)度換算值分別為23.9、25.5、27.1、31.3、29.2、31.0、24.2 和34.2 MPa；②計(jì)算1#墩測區(qū)的抗壓強(qiáng)度平均值為28.3 MPa，強(qiáng)度推定值為23.9 MPa；③實(shí)測強(qiáng)度值23.9 MPa 大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度值20 MPa，滿足要求。

3）①根據(jù)各測區(qū)回彈值和碳化深度得出2#墩1—3測區(qū)的強(qiáng)度換算值分別為39.9、30.1、39.6 MPa；②計(jì)算2#墩測區(qū)的抗壓強(qiáng)度平均值為36.5 MPa，強(qiáng)度推定值為30.1 MPa；③實(shí)測強(qiáng)度值30.1 MPa 大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度值20 MPa，滿足要求。

4）①混凝土T 梁只有1 測區(qū)得到強(qiáng)度換算值為58.8 MPa，其他測區(qū)無混凝土強(qiáng)度換算值；②計(jì)算混凝土T 梁的強(qiáng)度推定值為58.8 MPa；③實(shí)測強(qiáng)度值58.8 MPa 大于設(shè)計(jì)強(qiáng)度值25 MPa，滿足要求。

2.3 靜載試驗(yàn)

2.3.1 試驗(yàn)荷載確定

由于該橋擬提高荷載等級為公路II 級，根據(jù)JTG B 01—2014《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[19]規(guī)定，公路II 級標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載為2 輛重量為550 kN 的汽車荷載，考慮到該橋建成于1975 年，使用年代久遠(yuǎn)，且橋梁結(jié)構(gòu)存在明顯損壞，加之該橋的原設(shè)計(jì)荷載等級為汽-13 級，拖-60 級，荷載等級較低，為防止荷載試驗(yàn)過程中對橋梁造成不可恢復(fù)性破壞，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效，因此試驗(yàn)荷載未敢貿(mào)然采用公路II 級標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載進(jìn)行加載，而是采用《公路橋梁荷載試驗(yàn)與結(jié)構(gòu)評定》中的汽-20 級進(jìn)行試驗(yàn)，加載工具采用載重車輛。根據(jù)大跨徑混凝土橋梁的試驗(yàn)方法中的規(guī)定，對該橋采用輕荷載試驗(yàn)，靜載荷載的效率η 取0.5~0.8。根據(jù)該橋控制截面的設(shè)計(jì)荷載內(nèi)力（位移）進(jìn)行等效加載，加載時(shí)采用1 輛重量為297 kN 的北方奔馳載重汽車，車前軸重為57 kN，后軸重為2×120 kN，車型為3 軸，前軸間距4.45 m，后軸間距1.45 m，前輪輪距1.995 m，后輪輪距1.800 m，車長9.365 m，寬2.495 m。

2.3.2 靜載試驗(yàn)荷載加載方式

試驗(yàn)荷載的加載方式依據(jù)G309 線K1264+300 板橋馬蓮河橋的撓度影響線來確定。根據(jù)測試內(nèi)容，靜載試驗(yàn)采取3 種工況，縱橋向都按跨中截面撓度最不利位置進(jìn)行布載，而橫橋向的布載情況如下。

工況1：橫橋向?yàn)槠d（車輛荷載作用于上游側(cè)）；

工況2：橫橋向?yàn)槠d（車輛荷載作用于下游側(cè)）；

工況3：橫橋向?yàn)橹休d。

G309 線K264+30 板橋馬蓮河橋縱向加載車輛布置如圖2 所示，橫橋向加載方式如圖3 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)荷載縱向布置圖

圖3 試驗(yàn)荷載橫向布置圖

2.3.3 靜載試驗(yàn)結(jié)果

通過實(shí)測位移校驗(yàn)用系數(shù)ηω來評價(jià)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和承載力，計(jì)算如公式（2）所示

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在各種工況作用下，第二跨跨中截面處豎向撓度的實(shí)測值與理論計(jì)算值及校驗(yàn)系數(shù)見表5。

表5 第二跨跨中截面處各測點(diǎn)撓度 mm

表5 說明混凝土梁體在3 種工況下，各測點(diǎn)撓度實(shí)測值最大為4.72 mm，最小為2.0 mm，撓度校驗(yàn)系數(shù)平均值分別為1.30、1.44、1.74，最大值為3.24，最小值為0.88，大于正常范圍0.5~0.9 的上限，說明該橋各部分連結(jié)性較差，剛度低，橋梁結(jié)構(gòu)的工作性能較差。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)研究得到該混凝土板橋的性能如下：

1）橋面混凝土磨損嚴(yán)重，砂石外露，人行道破損嚴(yán)重，應(yīng)進(jìn)行修補(bǔ)。欄桿扶手外觀質(zhì)量良好。

2）T 梁、橋墩混凝土強(qiáng)度均符合竣工文件的要求。

3）1#墩裂縫較多，裂縫寬度均在0.4~0.8 mm 之間，縫寬最大達(dá)到0.8 mm，遠(yuǎn)大于規(guī)范規(guī)定的裂縫寬度限制0.2 mm。

4）混凝土梁體在各工況荷載作用下，該橋撓度校驗(yàn)系數(shù)均值大于0.90，說明該橋的剛度不滿足要求。

通過檢測發(fā)現(xiàn)該橋在長期反復(fù)荷載作用下已產(chǎn)生結(jié)構(gòu)損傷和材料老化；另外由于地震影響，梁體發(fā)生移位，墩身出現(xiàn)環(huán)形裂縫，這些均對橋梁產(chǎn)生了不利影響。因此，要提高荷載等級，必須對該橋進(jìn)行加固處理，調(diào)整偏移支座歸位，更換維修銹蝕支座，同時(shí)對橋面和人行道進(jìn)行修補(bǔ)加固，對梁體和墩身的裂縫進(jìn)行修補(bǔ)，并對1#、2#橋墩進(jìn)行加固，以滿足交通通行要求。