基于檢測的連續(xù)剛構(gòu)橋病害分析及承載能力驗算

黃柳云 孟金 程振庭

摘要：為了解某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的工作狀況，對該橋在現(xiàn)役狀態(tài)下承載力檢測評定開展研究：系統(tǒng)分析了全橋構(gòu)件外觀缺陷、村質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)等拎查評定，根據(jù)檢查結(jié)果按照《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行技術(shù)狀況等級評定;并根據(jù)相關(guān)規(guī)范和檢測數(shù)據(jù)計算出主橋承載能力驗算的相關(guān)參數(shù)，同時在考慮外觀病害、村質(zhì)缺損狀況及橋梁變形的影響下，利用有限元軟件MIDAS/Civil對橋梁結(jié)構(gòu)承載能力進(jìn)行檢算評估。根據(jù)檢測結(jié)果和計算分析表明：該橋在現(xiàn)役狀態(tài)下承載能力和正常使用性能滿足設(shè)計荷載等級要求，但主要構(gòu)件存在裂縫、剝落、露筋、蜂窩和麻而等病害，對結(jié)構(gòu)承載能力有較大影響，建議后期應(yīng)及時采取防治措施，并加強(qiáng)巡查和養(yǎng)護(hù)。

關(guān)鍵詞：預(yù)應(yīng)力混凝土：連續(xù)剛構(gòu)：病害分析：安全等級

中圖分類號：u448.23DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.01.007

0引言

我國公路橋梁在最近幾十年得到了迅速發(fā)展，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋以其整體穩(wěn)定性好、抗震能力強(qiáng)、預(yù)應(yīng)力強(qiáng)度高、跨越能力強(qiáng)等優(yōu)勢獲得了大規(guī)模應(yīng)用，己成為設(shè)計方案中最常見的選擇。但由于設(shè)計經(jīng)驗不足、施工質(zhì)量管控不嚴(yán)及運(yùn)營時限過長等原因，導(dǎo)致不少連續(xù)剛構(gòu)橋梁出現(xiàn)了諸如跨中下?lián)线^大、梁體開裂等病害，這些病害的出現(xiàn)使得橋梁的實承載能力降低，影響到橋梁的正常使用。

針對這一問題，目前國內(nèi)外學(xué)者開展了相應(yīng)研究。彭偉等以三峽庫區(qū)某連續(xù)剛構(gòu)橋為研究對象，對橋梁進(jìn)行了外觀檢測和承載力驗算分析，得出該橋滿足規(guī)范要求的結(jié)論;董曉兵等根據(jù)某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的外觀檢測結(jié)果，對該橋的主要病害裂縫成因利用有限元軟件分別進(jìn)行了定量分析與實體單元分析，認(rèn)定箱梁開裂原因主要為預(yù)應(yīng)力損失及超載，并提出了相應(yīng)的加固維修方案;陳祥方等基于某在役預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋梁的檢測結(jié)果，系統(tǒng)分析了該橋承載力的評定過程，實現(xiàn)了檢測結(jié)果的量化應(yīng)用;張椿明等以某服役多年的石拱橋為研究對象，利用有限元軟件ANSYS對橋梁進(jìn)行了仿真模擬，并對比了檢測結(jié)果，得出承載力滿足設(shè)計荷載等級要求;Andric等采用模糊層次分析法（FAHP）對橋梁在多種危險狀況下的風(fēng)險評估進(jìn)行了分析，提出了一種新的災(zāi)害風(fēng)險評估框架;Anania等研究了后張預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的破壞倒塌模式，提出了制造不足對失效模式的影響。

本文以廣西某連續(xù)剛構(gòu)橋為例，系統(tǒng)分析該橋的外觀檢查與材質(zhì)狀況專項檢查評定過程，采用分層綜合評定與5類橋梁單項控制指標(biāo)相結(jié)合的方法綜合評定全橋技術(shù)狀況等級，結(jié)合有限元軟件驗算評估橋梁結(jié)構(gòu)的承載力，為橋梁后期安全運(yùn)營提供技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

廣西某連續(xù)剛構(gòu)橋（圖1）是南寧至河池高速公路上的一座大型橋梁，全長285.5m，橋面全寬24.5m，左右幅橋面寬均為12.25m。設(shè)計荷載：高速公路“汽車-超20級”“掛車-120”。上部結(jié)構(gòu)采用75m+125m+75m三跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)箱梁，截面為單箱單室直腹板，箱梁頂面寬度為12.5m，底寬7m，梁高由跨中2.50m二次拋物線變化至墩頂梁高6.80m。下構(gòu)中0#臺為重力式U型橋臺、3#臺為肋板式橋臺，主墩采用柔性薄壁墩，橋臺基礎(chǔ)均為樁基礎(chǔ)，墩基礎(chǔ)采用明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋面系采用現(xiàn)澆混凝土鋪裝，支座均采用盆式橡膠支座。

2檢測結(jié)果分析

2.1橋梁外觀檢測

通過對該橋的外觀檢測，發(fā)現(xiàn)病害主要有裂縫、剝落、露筋、蜂窩和麻面，這些病害集中于上部結(jié)構(gòu)的箱梁外底板、箱梁外腹板、箱梁內(nèi)頂板、箱梁內(nèi)腹板、橫隔板和下部結(jié)構(gòu)橋墩（臺）等部位，主橋部分破壞形態(tài)如圖2所示。

主橋檢查表明：箱梁內(nèi)、外側(cè)有數(shù)條縱向裂縫，其中左幅箱梁內(nèi)側(cè)裂縫最長，達(dá)10.04m，最大縫寬0.10mm;右幅箱梁外側(cè)裂縫數(shù)量最多，共計67道，縫長合計54.90m，最大縫長4.83m，最大縫寬0.20mm，發(fā)現(xiàn)存在少許網(wǎng)狀裂縫及斜向裂縫，裂縫均未超過規(guī)范限寬，全橋箱梁伴隨出現(xiàn)混凝土剝落、露筋且銹蝕、蜂窩、麻面等病害;橋臺帽梁存在少量豎向裂縫，側(cè)墻及背墻有3道斜向裂縫超過規(guī)范限寬;橋面鋪裝出現(xiàn)輕微開裂及破損。

2.2橋面線性測量

本橋測點布置首先用原己布設(shè)點，按路線前進(jìn)方向布設(shè)68個觀測點開展橋梁線性測量工作。為便于表示橋面線形測量結(jié)果，另設(shè)局部樁號、高程系統(tǒng)，自定義基準(zhǔn)點高程為100m，起點K0設(shè)于0#臺前端，全橋左、右幅共布置17個測試斷面，其橋面測線結(jié)果如圖3所示。從圖3看出，全橋橋面線形基本平順，主橋及引橋無明顯沉降和下?lián)稀?/p>

3技術(shù)狀況等級評定

根據(jù)公路橋梁技術(shù)狀況《評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011），首先，按“基層先評”的原則逐級打分，具體為對所檢測橋梁，按橋型劃分檢查部件及權(quán)重，從橋梁構(gòu)件、橋梁部件到橋梁上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系，最終對橋梁總體技術(shù)狀況進(jìn)行評分。剛構(gòu)橋總體技術(shù)評分見表1.

計算出主橋左幅及右幅技術(shù)狀況評分分別為80.5、80.2，技術(shù)狀況等級評定均為2類，表明結(jié)構(gòu)有輕微缺損，對橋梁使用功能無影響。

4承載能力檢算

4.1舊橋相關(guān)檢算系數(shù)確定

4.2承載能力檢算評估

由于主橋為跨徑125m的大跨剛構(gòu)橋，梁端支座反力偏大，其承載能力需詳細(xì)驗算，故結(jié)合檢測結(jié)果，計入按照相關(guān)規(guī)范和檢測數(shù)據(jù)計算出的主橋承載能力相關(guān)參數(shù)。同時，在考慮外觀病害、材質(zhì)缺損狀況及橋梁變形的影響下，驗算評估主橋運(yùn)營狀態(tài)下的承載能力，系統(tǒng)分析橋梁結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)。

4.2.1計算模型及橋梁沖擊系數(shù)說明

采用橋梁專業(yè)有限元程序Midas/Civil建立全橋有限元桿系單元模型，其中主梁和橋墩均選用梁單元。主橋計算模型共劃分220個單元、227個節(jié)點，如圖4所示。在結(jié)構(gòu)模型建立中，假設(shè)混凝土、鋼筋為理想彈性材料，材料的彈性模量為常數(shù);不考慮橋面鋪裝、護(hù)欄的剛度對橋梁抗彎能力的提高;截面變形符合平截面假設(shè)。

在橋梁沖擊系數(shù)計算中，考慮該橋設(shè)計時根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTJ021—89），該橋跨徑大于45m，不計橋梁沖擊系數(shù);本次計算根據(jù)規(guī)范《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60-2015），通過有限元計算得到該橋橋梁沖擊系數(shù)為0.05.

4.2.2檢算結(jié)果分析

在該橋結(jié)構(gòu)驗算中，主要驗算橋梁在各個不同荷載工況組合并結(jié)合舊橋設(shè)計參數(shù)，參照《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTGD60-2015）進(jìn)行代換，分析得到不同狀態(tài)下的主梁內(nèi)力、應(yīng)力、位移的驗算值?？紤]到該橋左右幅分離、結(jié)構(gòu)形式對稱、施工方法相同，本次選取左幅1#和2#跨進(jìn)行檢算。

1）承載能力極限狀態(tài)檢算

在箱梁正截面抗彎承載能力檢算中，根據(jù)連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)受力特點，選取1#和2#跨最大正彎矩截面、墩頂左側(cè)及右側(cè)最大負(fù)彎矩截面作為主要控制截面;在斜截面抗剪承載能力檢算中，以1#和2#跨墩頂左、右兩側(cè)截面作為主要控制截面。箱梁的荷載效應(yīng)與截面抗力對比如圖5所示。

由圖5可知，對比新舊規(guī)范設(shè)計要求，根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG 1360-2015）進(jìn)行驗算，主梁受荷載效應(yīng)更大，但箱梁各截面的荷載效應(yīng)均小于截面抗力，說明其抗彎承載能力及抗剪承載能力既滿足《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTJ021-89）中高速公路車輛荷載：“汽車-超20級”“掛車-120”“人群荷載：3.0kN/m²”的要求，同時也滿足規(guī)范（JTGD60-2015）中規(guī)定的高速公路汽車荷載等級：“公路-I級”“人群荷載：3.0kN/m²”之要求。

2）正常使用極限狀態(tài)檢算

在對該橋正常使用極限狀態(tài)正截面抗裂、斜截面抗裂驗算中發(fā)現(xiàn)：橋梁在設(shè)計條件下，主橋主梁斷面頂板、底板均處于壓應(yīng)力狀態(tài)，且壓應(yīng)力安全儲備較大。按照《通用規(guī)范》（JTG D60-2015）進(jìn)行代換驗算，發(fā)現(xiàn)主橋主梁斷面頂板、底板絕大部分處于壓應(yīng)力狀態(tài)，僅2號跨中附近處于拉應(yīng)力狀態(tài)，其拉應(yīng)力為0.86MPa，小于最大容許拉應(yīng)力1.86MPa，正截面抗裂驗算符合規(guī)范抗裂驗算要求;1號跨主梁各斜截面σ_tp=-0.65MPa～0.37MPa，2號跨主梁各斜截面σ_tp=-0.43MPa～0MPa，均小于容許拉應(yīng)力評定值1.33MPa，主梁斜截面抗裂驗算符合規(guī)范評定要求。

主梁撓度驗算需滿足：在消除結(jié)構(gòu)自重的長期撓度后，主梁最大撓度不應(yīng)超過計算跨徑的L/600.在對主梁撓度驗算中發(fā)現(xiàn)：1號跨中撓度f_dl=13.13mm<125mm（評定值），2號跨中撓度f_dl=33.73mm<208mm（評定值），其撓度驗算結(jié)果均符合評定要求。

4.2.3承載能力結(jié)果評估

由上述承載能力檢算分析結(jié)果可知：該橋在現(xiàn)役狀態(tài)下的箱梁承載能力和正常使用性能符合原設(shè)計高速公路車輛荷載等級“汽車-超20級”“掛車-120”“人群荷載：3.0kN/m²”的要求，同時滿足規(guī)范（JTGD60—2015）高速公路車輛荷載“公路-I級”“人群荷載：3.0kN/m²”要求。

5 結(jié)論

通過對廣西某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的實際檢測與承載能力檢算評估，得到如下結(jié)論：

1）該橋技術(shù)狀況等級評定結(jié)果為2類，表明結(jié)構(gòu)有輕微缺損，對橋梁使用功能無影響，但主要構(gòu)件存在裂縫、剝落、露筋、蜂窩和麻面等病害，對結(jié)構(gòu)承載能力有較大影響，后期應(yīng)及時采取防治措施，并加強(qiáng)巡查和養(yǎng)護(hù)。

2）由于大跨剛構(gòu)橋的構(gòu)造相對復(fù)雜，雖采用《評定標(biāo)準(zhǔn)》對各類構(gòu)件及病害描述較具體明確，但考慮檢測的全面性與準(zhǔn)確性，還應(yīng)采取必要措施對所有構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)檢查，特別是對橋梁水下墩柱及基礎(chǔ)的檢測。

3）結(jié)合檢測結(jié)果，采用專業(yè)的有限元軟件對橋梁承載能力進(jìn)行檢算評定，主橋承載能力及正常使用性能滿足規(guī)范要求，但主橋箱梁存在彎矩一剪力組合斜向裂縫的情況，考慮后期運(yùn)營期間橋梁的交通壓力增加的可能性，應(yīng)注意控制超載超限情況的發(fā)生。