鋼筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)承載能力評定方法的研究

張 璐

(甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司,甘肅 蘭州 730000)

1 工程概況

某線東黑河大橋上部結(jié)構(gòu)采用4×12.6 m空心板+T梁，全長62.4 m。下部結(jié)構(gòu)采用柱式墩，柱式臺，樁基礎(chǔ)。橋?qū)?2.0 m，橫向布置為：1.5 m(人行道+護(hù)欄)+9.0 m(行車道)+1.5 m(人行道+護(hù)欄)。該橋修建于1965年，原設(shè)計荷載等級為汽—13，拖—60。1997年進(jìn)行加固，將簡支梁變?yōu)樗目缫宦?lián)的連續(xù)梁，加固后設(shè)計荷載等級為汽車—20級，掛車—100。

2 橋梁缺損狀況檢查

通過對橋梁結(jié)構(gòu)材料缺損狀況檢查，以判斷橋梁結(jié)構(gòu)損壞程度和原因，及時發(fā)現(xiàn)橋梁存在的安全隱患，進(jìn)一步提出檢測、試驗或監(jiān)控的建議。

經(jīng)現(xiàn)場檢查該橋上部結(jié)構(gòu)存在的主要病害如表1所示。

表1 橋梁上部結(jié)構(gòu)病害統(tǒng)計表

2.1 梁體水蝕

從圖1，圖2可以看出全橋T梁總數(shù)為28片，翼板水蝕梁為25片，占全橋T梁總數(shù)的89.29%。

病害成因分析：由于邊梁翼板、腹板和梁底水蝕嚴(yán)重，導(dǎo)致梁體抗剪能力、抗扭能力和混凝土耐久性降低，進(jìn)而造成梁體承載能力降低。中間T梁翼板水蝕的原因是橋面鋪裝層的損壞，雨水沿橋面鋪裝層裂縫滲入，從濕接縫處流向兩側(cè)翼板。邊梁翼板水蝕的原因是人行道板較寬，且由預(yù)制混凝土板拼裝組成，雨水從預(yù)制板間及橋面鋪裝層滲入，并由護(hù)欄底座流向邊梁。

2.2 梁體裂縫

腹板斜向、豎向、U形裂縫：該橋共有梁28片，均存在裂縫梁為19片，占全橋T梁總數(shù)的67.9%。從表2看出0～L/4段腹板斜向裂縫23條、L/2處腹板斜向裂縫71條、3L/4～L段腹板斜向裂縫20條，最大縫寬小于0.15 mm的有85條，最大縫寬不小于0.15 mm的有29條。根據(jù)簡支梁受力分析得出0～L/4，3L/4～L段主要受剪應(yīng)力，L/2處主要受拉應(yīng)力。

表2 梁體腹板裂縫統(tǒng)計表

病害成因分析：本橋腹板斜向裂縫主要集中在受剪區(qū)域，腹板豎向裂縫主要集中在受拉區(qū)域，且該橋梁腹板較薄剛度不足，而該條線路交通量較大，受汽車荷載作用T梁剪力和拉應(yīng)力過大，超過混凝土抗剪和抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生裂縫。根據(jù)簡支梁受力分析得出0～L/4段主要受剪應(yīng)力，結(jié)合該橋裂縫出現(xiàn)的位置和發(fā)展方向可以判斷出：斜向裂縫產(chǎn)生在主要受剪應(yīng)力作用的區(qū)域。裂縫產(chǎn)生的原因是由于該橋梁腹板較薄剛度不足，建設(shè)年代久遠(yuǎn)，且交通量較大等因素的影響，導(dǎo)致梁受汽車荷載作用所產(chǎn)生的剪力過大，超過腹板混凝土抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生裂縫(見圖3)。

3 橋梁材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)的檢測

橋梁材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)包含混凝土強(qiáng)度檢測評定、鋼筋銹蝕電位檢測評定、混凝土碳化深度檢測評定和橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率檢測評定等多方面內(nèi)容，本文將著重從這幾個方面進(jìn)行闡述。

3.1 上部結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度評定、鋼筋保護(hù)層厚度檢測評定

經(jīng)現(xiàn)場檢測與統(tǒng)計計算，該橋所有上部結(jié)構(gòu)構(gòu)件強(qiáng)度評定標(biāo)度均為1，強(qiáng)度狀況良好。

3.2 鋼筋銹蝕電位檢測

本橋采用半電池電位法，對每個測區(qū)布設(shè)20個測點。測試結(jié)果如表3所示。

表3 混凝土鋼筋銹蝕電位檢測結(jié)果

3.3 混凝土碳化狀況檢測

混凝土碳化評定結(jié)果見表4。

表4 混凝土碳化評定結(jié)果

3.4 鋼筋保護(hù)層厚度檢測

鋼筋保護(hù)層厚度檢測結(jié)果見表5。

表5 鋼筋保護(hù)層厚度檢測結(jié)果

從表5中可以看出4個測區(qū)的保護(hù)層對鋼筋的耐久性有輕度影響不顯著；2個測區(qū)的保護(hù)層對鋼筋的耐久性有輕度影響；1個測區(qū)的保護(hù)層對鋼筋的耐久性有影響；7個測區(qū)的鋼筋保護(hù)層對鋼筋耐久性有較大影響。

3.5 橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率檢測評定

根據(jù)實測自振頻率fmi與理論計算頻率fdi的比值，按表6確定自振頻率的評定標(biāo)度。

表6 橋梁自振頻率評定標(biāo)準(zhǔn)

該橋上部結(jié)構(gòu)理論計算自振頻率fdi為7.68 Hz，現(xiàn)場實測自振頻率fmi為9.38 Hz，fmi/fdi=1.22，橋梁自振頻率評定標(biāo)度為1。

4 橋梁承載能力檢算

4.1 主梁荷載效應(yīng)檢算結(jié)果

依據(jù)相關(guān)規(guī)范要求取用結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)、荷載分項系數(shù)。采用有限元法計算承載能力極限狀態(tài)下最不利荷載工況產(chǎn)生的截面荷載效應(yīng)組合值。截面設(shè)計抗力效應(yīng)采用MIDAS Civil軟件RC設(shè)計模塊，依據(jù)設(shè)計規(guī)范進(jìn)行驗算(見表7)。

表7 主要控制截面最不利荷載效應(yīng)組合值及設(shè)計抗力效應(yīng)

4.2 正截面抗彎強(qiáng)度檢算

不考慮橋面鋪裝混凝土參與共同作用，依據(jù)評定標(biāo)準(zhǔn)，分別按計入和不計入惡化、折減的情況，計算得到的跨中、墩頂正截面抗力效應(yīng)及其與最不利荷載效應(yīng)組合值如表8所示。

表8 跨中、墩頂截面抗彎強(qiáng)度檢算表

由表8可知：計入惡化、折減系數(shù)后，跨中截面正截面抗彎承載力大于最不利荷載組合效應(yīng)值，墩頂截面4-3號梁截面抗彎承載力大于最不利荷載組合效應(yīng)值，4-2號板截面抗彎承載力小于最不利荷載組合效應(yīng)，正截面抗彎強(qiáng)度不滿足設(shè)計荷載要求。

4.3 斜截面抗彎強(qiáng)度檢算

不考慮橋面鋪裝混凝土參與共同作用，依據(jù)評定標(biāo)準(zhǔn)，分別按計入和不計入惡化、折減的情況，計算得到的支點斜截面抗力效應(yīng)及其與最不利荷載效應(yīng)組合值見表9。

表9 支點截面抗剪強(qiáng)度驗算表

由表9可知：計入惡化、折減系數(shù)后，支點截面4-2號板、8-3號梁斜截面抗剪承載力均小于最不利荷載組合效應(yīng)值，不滿足最不利荷載組合效應(yīng)。

4.4 主梁剛度驗算

不考慮橋面鋪裝混凝土參與共同作用，采用有限元法計算承載能力極限狀態(tài)下最不利荷載工況下產(chǎn)生的最大撓度，依據(jù)評定標(biāo)準(zhǔn)，計算得到的最大撓度值與容許撓度見表10。主梁的容許撓度為：

表10 主梁剛度檢算表

fd=[f]=l/600=21 mm。

由表10可知,4-2號板、4-3號梁最不利工況下主梁最大撓度均小于容許撓度，主梁剛度滿足設(shè)計要求。

5 橋梁承載能力評定結(jié)果

1)由于該橋梁腹板較薄剛度不足，建設(shè)年代久遠(yuǎn)，且交通量較大等因素的影響，導(dǎo)致梁受汽車荷載作用所產(chǎn)生的剪力過大，超過腹板混凝土抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生裂縫。以及橋面排水系統(tǒng)等原因造成腹板、翼板水蝕嚴(yán)重。

2)由于鋼筋保護(hù)層較薄，因此對結(jié)構(gòu)鋼筋耐久性產(chǎn)生了影響。

3)承載能力極限狀態(tài)下，4-2號板墩頂正截面抗彎強(qiáng)度小于該截面的最不利內(nèi)力組合值，支點截面4-2號板、4-3號 梁斜截面抗剪承載力均小于最不利荷載組合效應(yīng)值。截面荷載效應(yīng)與設(shè)計抗力效應(yīng)之比大于1.2，需進(jìn)行荷載試驗進(jìn)一步確定其承載能力。

4)正常使用極限狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)變形滿足設(shè)計規(guī)范要求的容許值。

5)在汽車—20級，掛車—100荷載作用下，東黑河大橋上部結(jié)構(gòu)承載力不滿足設(shè)計要求。