重載交通下在役裝配式T梁橋承載力評估要點研究

■林張濱

(福建省高速公路達通試驗檢測有限公司，福州 350004)

1 概述

由于道路交通運輸體系建設(shè)的不完善，超載車輛一直都是一個危害橋梁長久運營的重大隱患?！霸缙谛藿蛄很囕v荷載標準過低”、“新建公路橋梁設(shè)計荷載仍然不滿足交通荷載增長要求”、“人為因素為了追求利益最大化”是構(gòu)成重載交通的三個最主要因素[3]。

為了保障公路橋梁運營期結(jié)構(gòu)的安全，對于重載交通下的橋梁安全性要做好準確評估。目前，采用“橋梁缺損狀況檢查評定”、“橋梁材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)檢測評定”、“橋梁結(jié)構(gòu)荷載試驗”三大塊對結(jié)構(gòu)進行分項檢測，并通過橋梁結(jié)構(gòu)檢算對重載交通下橋梁安全性能做準確評估。

2 車輛荷載等級劃分

我國目前在役橋梁所采用的車輛荷載等級依照的規(guī)范是《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTGD60-2004)(以下簡稱《通規(guī)》)?！锻ㄒ?guī)》中規(guī)定汽車荷載分為公路-Ⅰ級和公路-Ⅱ級，汽車荷載由車道荷載和車輛荷載組成，車道荷載由均布荷載和集中荷載組成。在橋梁結(jié)構(gòu)整體計算時采用車道荷載，而在橋梁結(jié)構(gòu)局部加載時采用車輛荷載，且車輛和車道荷載的作用不得疊加[1]。

本文所選橋梁結(jié)構(gòu)為福建省高速公路建設(shè)常見的裝配式預應(yīng)力混凝土T梁橋，荷載等級為公路-Ⅰ級。公路汽車荷載的加載模式按照《通規(guī)》中規(guī)定的車道荷載計算方法加載，如圖1所示。按照車道荷載的取值規(guī)定，可以分為三個步驟：(1)均布荷載標準值取qk=10.5kN/m；(2)集中荷載標準值按一下規(guī)定選取：橋梁計算跨徑小于或等于5m時，Pk=180kN；橋梁計算跨徑等于或大于50m時，Pk=360kN；(3)當橋梁的計算跨徑在5m～50m之間時，Pk值采用直線內(nèi)插法求得。在計算結(jié)構(gòu)的剪力效應(yīng)時Pk值要乘以1.2的增大系數(shù)。車輛荷載的主要技術(shù)見表1。車輛荷載的立面、平面尺寸圖如圖2所示。

圖1 公路-Ⅰ級汽車荷載縱向加載模式

表1 車輛荷載的主要技術(shù)指標

圖2 車輛荷載的立面、平面尺寸圖

3 橋梁評估體系及要點

為掌握橋梁的實際運營狀態(tài)，判斷其技術(shù)狀況與安全狀況能否滿足重載交通的要求，需要建立重載交通下橋梁評估體系。評估體系建立如圖3所示。

圖3 橋梁評估體系

該體系的要點主要有：

(1)現(xiàn)場交通量調(diào)查

依據(jù)現(xiàn)場實際調(diào)查的典型代表交通量、大噸位車輛混入率和軸荷載分布情況，根據(jù)規(guī)范公式確定活載影響修正系數(shù)。

(2)橋梁缺損狀況檢查

根據(jù)施工圖紙，對該橋現(xiàn)有橋面系、上部結(jié)構(gòu)和下部墩臺結(jié)構(gòu)等目所能及的部位進行外觀檢查。

(3)橋梁材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)檢測評定

根據(jù)推斷，選擇行駛路線上缺損狀況檢查結(jié)果較差的梁片開展橋梁材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)檢測評定，主要評定參數(shù)包括：幾何形態(tài)參數(shù)、材質(zhì)強度、鋼筋銹蝕電位、氯離子含量、電阻率、碳化狀況、鋼筋保護層厚度、自振頻率等。

(4)實橋荷載試驗

實橋荷載是根據(jù)原設(shè)計荷載等級開展試驗，主要包括：橋梁靜載試驗和動載試驗檢測。其中靜載試驗根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特性和缺損狀況檢查結(jié)果，對橋跨結(jié)構(gòu)的受力控制截面進行靜載試驗，測定試驗荷載作用下控制斷面的撓度、應(yīng)變、裂縫變化以及病害影響情況；動載試驗通過自振特性試驗和無障礙行車試驗。通過橋梁靜載試驗綜合評價橋梁的整體剛度、強度情況。

4 評估實例

某大橋位于某國家高速福建境內(nèi)路段，于2002年建成通車。該路段通車后，客貨運輸量大，日益增長的交通量給路段管理造成很大的壓力。為了緩解通行壓力，對該路段進行擴建，先期需要探明現(xiàn)有橋梁結(jié)構(gòu)承載能力。

大橋全長 386.56m，跨徑布置為 3×(4×30)m，為預應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁結(jié)構(gòu)。30mT梁采用交通部通用圖紙結(jié)構(gòu)。設(shè)計荷載等級為：汽－超20級，掛－120。根據(jù)改造要求，需要對該橋進行承載能力綜合評定。

4.1 現(xiàn)場交通量調(diào)查

通過調(diào)取有關(guān)部門的統(tǒng)計資料獲得該路段通行車輛數(shù)據(jù)，計算得到典型代表交通量影響修正系數(shù)取1.08、大噸位車輛混入影響系數(shù)取1.10，軸荷載分布影響修正系數(shù)取1.30，根據(jù)規(guī)范[2]公式確定活載影響修正系數(shù)為1.16。

4.2 橋梁缺損狀況檢查結(jié)果

截止本次檢查，大橋通車14年。期間橋面系進行了“白改黑”瀝青改造，技術(shù)狀況為2類。上部結(jié)構(gòu)：主要承重構(gòu)件未發(fā)現(xiàn)橫向裂縫，但在支點附近的腹板存在些許斜向裂紋值得關(guān)注；一般承重構(gòu)件在重車道所對應(yīng)梁片橫隔板出現(xiàn)豎向開裂缺損情況，濕接縫存在縱向裂縫流白灰的問題，支座因使用使用年限較久，均出現(xiàn)外鼓、裂紋的現(xiàn)象，部件技術(shù)狀況評為3類。下部結(jié)構(gòu)完好，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，墩柱無沉降現(xiàn)象，部件技術(shù)狀況評為2。大橋技術(shù)狀況等級評定為三類。

經(jīng)分析，T梁支點附近腹板斜向裂縫產(chǎn)生的主要原因：①抗剪承載能力不足；②混凝土收縮徐變引起；③混凝土保護層厚度不足；④車輛荷載作用等。T梁橫隔板豎向裂縫，產(chǎn)生的主要原因：①后拼裝施工構(gòu)件，自身連接不牢靠；②車輛荷載反復作用；③混凝土收縮開裂。重載交通對橋梁結(jié)構(gòu)有影響。

4.3 橋梁材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)檢測結(jié)果

(1)橋梁結(jié)構(gòu)幾何形態(tài)參數(shù)檢測：橋梁結(jié)構(gòu)在持久荷載狀態(tài)下，實測縱向高程與設(shè)計高程值較相近，縱向線形平順，無異常突變情況，跨中截面沒有出現(xiàn)下?lián)羡E象；

(2)混凝土強度：大橋T梁混凝土強度評定標度均為1；

(3)鋼筋保護層厚度：大橋鋼筋保護層厚度評定標度為2，鋼筋混凝土保護層厚度對結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性有輕度影響；

(4)混凝土碳化深度：大橋T梁凝土碳化評定標度取1；

(5)鋼筋銹蝕電位：大橋T梁筋銹蝕電位評定標度取2。

4.4 橋梁荷載試驗

(1)靜載試驗

撓度：各測試截面撓度校驗系數(shù)為0.66～0.96，相對殘余撓度最大值為10.5%。應(yīng)變：各測試截面應(yīng)變校驗系數(shù)為0.72～0.96，相對殘余應(yīng)變最大值為11.6%；T梁細部截面應(yīng)變校驗系數(shù)為0.73～0.98，相對殘余應(yīng)變最大值為13.9%。測試截面撓度和應(yīng)變校驗系數(shù)均小于規(guī)范[2]規(guī)定的1.00，相對殘余應(yīng)變最大值小于規(guī)程規(guī)定的20%。工況一應(yīng)變橫橋向分布情況見圖4。梁片實測撓度值與理論值同等橫向分布，梁片間橫向聯(lián)系好，結(jié)構(gòu)的整體工作性能良好。

圖4 工況一沿橫橋向的應(yīng)變曲線圖

(2)動載試驗

自振特性試驗：該橋試驗聯(lián)實測豎向1階自振頻率為4.69Hz，豎向2階自振頻率為5.35Hz，分別大于理論計算值4.14Hz和4.94Hz，阻尼比為1.19%和1.10%，實測振型與理論計算振型基本一致。無障礙行車試驗：在行車速度10km/h～40km/h情況下，換算成標準車列后，實測得中跨跨中截面的跑車沖擊系數(shù)分別為1.07、1.16、1.14和1.24，均小于理論沖擊系數(shù)1.26。

4.5 橋梁承載能力評定

大橋跨中截面以及支點截面均滿足原設(shè)計荷載下承載能力檢算，但在新規(guī)范的交通荷載下，檢算結(jié)果表明大橋的承載能力無法滿足大橋長期使用要求，因此有必要對大橋進行加固提荷設(shè)計。

5 結(jié)語

(1)在評估重載交通下橋梁的安全性能時，對現(xiàn)場交通量的調(diào)查和對橋梁材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)檢測評定是兩項非常重要的項目。

(2)橋梁承載能力檢測中需要注意的是基于原橋的設(shè)計荷載等級開展實橋試驗，并根據(jù)現(xiàn)場實測結(jié)果，反饋到模型理論計算模型中，通過對模型的調(diào)整檢算現(xiàn)有交通荷載通行承載能力要求。

(3)重載交通下橋梁安全評估是一個需要綜合考慮所有參數(shù)的復雜問題，本文在評估時并沒有考慮橋梁的疲勞效應(yīng)，有待深入研究和探討。