沭陽(yáng)閘交通橋承載能力分析研究

曹睿哲 任小飛 丁 躍

（1.揚(yáng)州大學(xué)，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.江蘇省淮沭新河管理處，江蘇 淮安 223001）

1 問(wèn)題提出

沭陽(yáng)閘位于江蘇沭陽(yáng)縣沭城鎮(zhèn)西南淮沭河上，于1959年10月施工完成。沭陽(yáng)閘交通橋主梁為T(mén) 型梁，橋面高程15 m，凈寬6 m，每跨長(zhǎng)10 m。原荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為汽-10 級(jí)，橋面板、主梁、橫梁等混凝土標(biāo)號(hào)為140#。本工程運(yùn)行至今已50 多年，目前交通量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)值，且超載車(chē)輛較多，故有必要對(duì)工程承載力進(jìn)行分析。

2 技術(shù)狀態(tài)分析

對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件技術(shù)狀況評(píng)定應(yīng)參照相關(guān)橋梁規(guī)范有關(guān)規(guī)定［1］，確定其程度以及對(duì)結(jié)構(gòu)的影響［2，3］。

橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件技術(shù)狀況評(píng)分按公式（1）計(jì)算：

式中：

CIl—第i 類(lèi)部件l 構(gòu)件的得分；

k—第i 類(lèi)部件l 構(gòu)件出現(xiàn)扣分的指標(biāo)的種類(lèi)數(shù)；

U、x、y—引入的變量；

i—部件類(lèi)別；

j—第i 類(lèi)部件l 構(gòu)件第j 類(lèi)檢測(cè)指標(biāo)；

DPij—第i 類(lèi)部件l 構(gòu)件第j 類(lèi)檢測(cè)指標(biāo)的扣分值，根據(jù)構(gòu)件各檢測(cè)指標(biāo)扣分值進(jìn)行計(jì)算。

橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系的技術(shù)狀況評(píng)分，按公式（2）計(jì)算：

式中：

SPCI、PCI、SBDCI—分別為橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系的技術(shù)狀況評(píng)分；

m—部件種類(lèi)數(shù)；

Wi—第i 類(lèi)部件的權(quán)重。

橋梁總體技術(shù)狀況評(píng)分按公式（3）計(jì)算：

式中：

Dr—橋梁總體技術(shù)狀況評(píng)分；

WD—橋面系在全橋中的權(quán)重，一般取0.2；

WSP—上部結(jié)構(gòu)在全橋中的權(quán)重，一般取0.4；

WSB—下部結(jié)構(gòu)在全橋中的權(quán)重，一般取0.4。

根據(jù)本橋?qū)嶋H狀況按上述公式計(jì)算得Dr=65，橋梁技術(shù)狀況為三類(lèi)［1］。

3 混凝土強(qiáng)度等級(jí)分析

依據(jù)混凝土橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件實(shí)測(cè)強(qiáng)度推定值或測(cè)區(qū)平均換算強(qiáng)度值，計(jì)算推定強(qiáng)度勻質(zhì)系數(shù)Kbt或平均強(qiáng)度勻質(zhì)系數(shù)Kbm［1］，確定混凝土強(qiáng)度評(píng)定標(biāo)度。

推定強(qiáng)度勻質(zhì)系數(shù)：

式中：

Rit—混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度推定值；

R—混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)。

平均強(qiáng)度勻質(zhì)系數(shù)：

式中：

Rim—混凝土測(cè)區(qū)平均換算強(qiáng)度值。

沭陽(yáng)閘橋梁橋墩、橋面大梁強(qiáng)度推定值分別為14.1 MPa、17.9 MPa，混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)都為140#，推定強(qiáng)度勻質(zhì)系數(shù)分別為1.00、1.28，橋墩、橋面大梁的混凝土強(qiáng)度檢測(cè)評(píng)定標(biāo)度均為1，交通橋的混凝土強(qiáng)度等級(jí)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但不滿(mǎn)足現(xiàn)行《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

4 鋼筋保護(hù)層分析

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21-2011），檢測(cè)構(gòu)件或部位的鋼筋保護(hù)層厚度平均值應(yīng)按公式（6）計(jì)算：

式中：

Dni—鋼筋保護(hù)層厚度實(shí)測(cè)值；

n—檢測(cè)構(gòu)件或部位的測(cè)點(diǎn)數(shù)。

檢測(cè)構(gòu)件或部位的鋼筋保護(hù)層厚度特征值Dne應(yīng)按公式（7）計(jì)算。

式中：

SD—鋼筋保護(hù)層厚度實(shí)測(cè)值標(biāo)準(zhǔn)差，根據(jù)公式（8）計(jì)算，精確至0.1 mm；

KP—判定系數(shù)。

根據(jù)鋼筋保護(hù)層厚度特征值Dne與設(shè)計(jì)值Dnd比值確定混凝土保護(hù)層檢測(cè)標(biāo)度。沭陽(yáng)閘交通橋橋墩和橋面大梁的Dne/Dnd分別為0.94、0.58，沭陽(yáng)閘交通橋橋墩的混凝土保護(hù)層厚度檢測(cè)評(píng)定標(biāo)度為2，說(shuō)明該構(gòu)件混凝土保護(hù)層厚度滿(mǎn)足要求，僅對(duì)鋼筋耐久性有輕度影響；沭陽(yáng)交通橋大梁的混凝土保護(hù)層厚度檢測(cè)評(píng)定標(biāo)度為4，說(shuō)明該構(gòu)件的混凝土保護(hù)層厚度不足，對(duì)鋼筋耐久性有較大影響，易造成鋼筋銹蝕。

5 碳化狀況分析

根據(jù)測(cè)區(qū)混凝土碳化深度平均值與實(shí)測(cè)保護(hù)層厚度平均值的比值KC，確定混凝土碳化評(píng)定標(biāo)度［4］。根據(jù)沭陽(yáng)閘交通橋各構(gòu)件的碳化深度和實(shí)測(cè)保護(hù)層厚度計(jì)算橋墩KC=0.51～1.52，橋面大梁KC=0.99～3.17，4#孔左橋墩、10# 孔左橋墩、16# 孔右橋墩、19#孔橋墩、22#孔橋墩、25#孔橋墩和25# 孔下游大梁的混凝土碳化狀況評(píng)定標(biāo)度為1 或2，說(shuō)明構(gòu)件有少量碳化現(xiàn)象，且所有碳化深度均小于混凝土保護(hù)層厚度；其余橋墩構(gòu)件的混凝土碳化狀況評(píng)定標(biāo)度為3 或4，說(shuō)明該構(gòu)件的主要受力部位局部碳化深度大于混凝土保護(hù)層厚度，對(duì)鋼筋失去保護(hù)性。交通橋上下游大梁除25﹟孔下游大梁外，其余構(gòu)件的混凝土碳化狀況評(píng)定標(biāo)度均大于3，說(shuō)明交通橋大梁嚴(yán)重碳化。

6 鋼筋銹蝕分析

混凝土中鋼筋銹蝕電位檢測(cè)宜采用半電池電位法，參考電極可采用銅/ 硫酸銅半電池電極，評(píng)定混凝土橋梁鋼筋發(fā)生銹蝕的概率或銹蝕活動(dòng)性，并應(yīng)按照測(cè)區(qū)銹蝕電位水平最低值，確定鋼筋銹蝕電位評(píng)定標(biāo)度。沭陽(yáng)閘交通橋橋墩鋼筋半電池電位檢測(cè)值不均勻，電位水平最低值在-71～-580 mV，橋面大梁電位水平最低值大于-200 mV，4# 孔左橋墩、16#孔右橋墩、19#孔橋墩、22# 孔橋墩、25#孔右橋墩的鋼筋銹蝕電位評(píng)定標(biāo)度為1，說(shuō)明該構(gòu)件無(wú)銹蝕活動(dòng)性；4#孔右橋墩、7#孔右橋墩、16#孔左橋墩、25#孔左橋墩的鋼筋銹蝕電位評(píng)定標(biāo)度為3，說(shuō)明該構(gòu)件有銹蝕活動(dòng)性，發(fā)生銹蝕的概率大于90%；10# 孔左橋墩、13# 孔右橋墩的鋼筋銹蝕電位評(píng)定標(biāo)度為5，說(shuō)明該構(gòu)件存在銹蝕開(kāi)裂區(qū)域；橋面大梁的鋼筋銹蝕電位評(píng)定標(biāo)度為1，說(shuō)明該構(gòu)件無(wú)銹蝕活動(dòng)性。

7 沭陽(yáng)閘交通橋現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)

載荷試驗(yàn)［5，6］選擇第19、22 跨進(jìn)行，動(dòng)載試驗(yàn)主要是進(jìn)行結(jié)構(gòu)自振特性測(cè)試和動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試，針對(duì)主橋結(jié)構(gòu)代表性截面（跨中截面）進(jìn)行布點(diǎn)測(cè)試，檢測(cè)橋跨結(jié)構(gòu)整體剛度及動(dòng)力響應(yīng)。測(cè)定橋梁在檢驗(yàn)荷載作用下測(cè)試截面的應(yīng)力和撓度，并與理論計(jì)算值相比較，以對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)使用性能和工作狀態(tài)作出評(píng)價(jià)。

圖1 應(yīng)力云圖（單位：kPa）

圖2 位移云圖（單位：m）

7.1 靜載試驗(yàn)分析

使用橋梁荷載試驗(yàn)分析系統(tǒng)BLT V1.0.2.1 計(jì)算，交通橋在試驗(yàn)荷載作用下的應(yīng)力云圖和位移云圖如圖1、圖2 所示。

靜載試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1、表2。

從表1 和表2 可以看出，各測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)均大于1，表明結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況與理想狀況相比偏于不安全，第22 跨結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況優(yōu)于第19 跨結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況。

7.2 動(dòng)載試驗(yàn)分析

使用橋梁領(lǐng)域通用結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)系統(tǒng)Midas Civil 2012 計(jì)算，得到橋梁的一階振型和二階振型如圖3、圖4 所示。

動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果如圖5、圖6 所示。

動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果表明：橋梁的自振頻率實(shí)測(cè)值均大于理論值，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度較大；一般橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼比在0.01～0.08 之間，實(shí)測(cè)的阻尼比在0.025～0.058 之間，表明結(jié)構(gòu)具有良好的阻尼特性及耗散外部能量輸入的能力。

8 交通橋承載能力分析

按設(shè)計(jì)荷載計(jì)算時(shí)，本交通橋汽車(chē)荷載為汽-10 級(jí)。按照汽-10 級(jí)進(jìn)行復(fù)核，交通橋跨中所承受的最大彎矩M跨中=869.7 kN·m，支座所承受的最大彎矩M支座=-1161.0 kN·m，截面抗彎極限狀態(tài)承載彎矩Md=1388.1 kN·m，交通橋承載能力滿(mǎn)足要求。而實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，因本橋交通量特別大，大型車(chē)輛也較多，故按照公路Ⅰ級(jí)進(jìn)行復(fù)核［7］，交通橋跨中所承受的最大彎矩M跨中=1794.6 kN·m，支座所承受的最大彎矩M支座=-1452.8 kN·m，截面抗彎極限狀態(tài)承載彎矩Md=1388.1 kN·m，交通橋承載能力不滿(mǎn)足要求。

9 結(jié)論

根據(jù)檢測(cè)和靜、動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果以及安全復(fù)核結(jié)論，對(duì)本交通橋評(píng)價(jià)如下：

（1）交通橋橋梁技術(shù)狀況為三類(lèi)。

表1 第19 跨靜載試驗(yàn)結(jié)果表

表2 第22 跨靜載試驗(yàn)結(jié)果表

（2）交通橋橋墩、橋面大梁的混凝土強(qiáng)度等級(jí)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但不滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范要求。

（3）交通橋大梁的混凝土保護(hù)層厚度不足，對(duì)鋼筋耐久性有較大影響，易造成鋼筋銹蝕。

（4）交通橋部分橋墩出現(xiàn)嚴(yán)重碳化現(xiàn)象，上下游大梁主要受力部位全部測(cè)點(diǎn)混凝土碳化且碳化深度大于混凝土保護(hù)層厚度。

（5）交通橋部分橋墩發(fā)生銹蝕的概率大于90%，并存在銹蝕開(kāi)裂區(qū)域。

（6）靜載試驗(yàn)各測(cè)點(diǎn)的校驗(yàn)系數(shù)均大于1，表明結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況與理想狀況相比偏于不安全。

圖3 一階振型（f=12.838Hz）

圖4 二階振型（f=19.768Hz）

圖5 第19 跨車(chē)速10km/h 跑車(chē)試驗(yàn)加速度時(shí)程曲線(xiàn)

圖6 第19 跨車(chē)速10km/h 跑車(chē)試驗(yàn)頻率

（7）動(dòng)載試驗(yàn)的自振頻率實(shí)測(cè)值均大于理論值，說(shuō)明橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度較大；結(jié)構(gòu)具有良好的阻尼特性及耗散外部能量輸入的能力。

（8）在原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下交通橋承載能力滿(mǎn)足要求；但根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，按公路Ⅰ級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核，交通橋承載能力不滿(mǎn)足要求。

通過(guò)以上分析，鑒于本橋已使用50 多年，部分橋墩和大梁混凝土碳化較嚴(yán)重，部分橋墩存在銹蝕開(kāi)裂區(qū)域，而且交通橋原設(shè)計(jì)荷載僅為汽-10 級(jí)，故考慮到本橋目前交通量大，超載車(chē)輛較多，建議將交通橋上部結(jié)構(gòu)更換為預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支板橋。

［1］中華人民共和國(guó)交通部.公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程（JTG/TJ21-2011）［S］.北京：人民交通出版社，2012：12-16.

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