連續(xù)剛構(gòu)橋承載能力鑒定中部分關(guān)鍵參數(shù)的檢測與分析

黃光清

(招商局重慶公路工程檢測中心有限公司， 重慶 400067)

連續(xù)剛構(gòu)橋梁由于其跨越能力強、施工便利且有良好的經(jīng)濟性，近幾十年來在國內(nèi)得到了大量建設(shè)。由于在早期的設(shè)計中認(rèn)識不足，致使很多運營期的連續(xù)剛構(gòu)橋梁出現(xiàn)了有效預(yù)應(yīng)力不足、箱梁產(chǎn)生橫向裂縫和斜向裂縫、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的下?lián)系葐栴}[1-2]。因此，在評估連續(xù)剛構(gòu)橋梁承載能力時，其結(jié)構(gòu)外觀及裂縫、混凝土強度、結(jié)構(gòu)的下?lián)稀㈩A(yù)應(yīng)力損失、荷載試驗結(jié)果等幾個參數(shù)的檢測和評估是分析橋梁承載能力的關(guān)鍵[3-4]。

1 工程背景

K4特大橋為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，由左右2幅獨立橋跨組成，橋跨布置為(98+180+98) m；單幅橋面全寬12 m,行車道11 m。主梁采用直腹板單箱單室、三向預(yù)應(yīng)力混凝土箱型截面。單幅箱梁底板寬6.5 m，頂板寬12.5 m，兩側(cè)懸臂長各3.0 m。主梁和薄壁墩身均采用C50混凝土，承臺采用C30混凝土。

K5大橋為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，橋跨布置為(77+140+77) m；橋梁分左右幅,單幅橋面全寬12 m,行車道11 m。主梁采用直腹板單箱單室、三向預(yù)應(yīng)力混凝土箱型截面。單幅箱梁底板寬6 m，頂板寬12 m，兩側(cè)懸臂長各3.0 m。梁和薄壁墩身采用C50混凝土，承臺采用C30混凝土。

兩橋設(shè)計荷載均為公路-Ⅰ級。

2 關(guān)鍵參數(shù)檢測與分析

2.1 主要外觀病害

2.1.1 K4特大橋

該橋左右幅受檢區(qū)頂板底面、底板底面存在較多縱向裂縫，裂縫總數(shù)為87條，總長132.7 m，15%左右的裂縫寬度超限。抽檢的4處中跨跨中縱向預(yù)應(yīng)力波紋管均壓漿不飽滿?；炷岭x析、麻面處較多，部分節(jié)段混凝土存在空洞，抽檢的1處豎向預(yù)應(yīng)力波紋管壓漿不飽滿。

2.1.2 K5大橋

該橋左右幅橋受檢區(qū)段頂板、底板均存在縱向裂縫，部分裂縫寬度超限，超限裂縫占總量的5%左右；抽檢的2處豎向波紋管未見壓漿，抽檢時滲水，對應(yīng)梁段的腹板存在縱、斜向裂縫，最寬處已達(dá)到0.6 mm。抽檢的2處縱向預(yù)應(yīng)力波紋管管內(nèi)壓漿不飽滿，在中跨跨中位置管道空隙量約1 cm～2 cm。新街岸邊跨端部箱梁上游腹板外側(cè)混凝土崩裂約0.3 m2，內(nèi)側(cè)腹板外鼓、開裂。

2.1.3 外觀檢測結(jié)果分析

兩橋均存在箱梁開裂(主要為縱向開裂)、波紋管外露、混凝土表觀缺陷等病害，K4橋?qū)挾瘸蘖芽p比例較高，其他外觀檢測結(jié)果并無明顯差異。

檢測時，這2座橋為新建橋梁，尚未通車，承受活載作用較小，且由于建成時間較短(約18個月)，收縮徐變造成的預(yù)應(yīng)力損失尚處于初期，因此僅從外觀上看，裂縫等尚未大量開展，特別是箱梁頂、底板橫向裂縫和腹板斜向裂縫尚未大量出現(xiàn)，部分評定參與者僅憑外觀檢測結(jié)果和同類運營期橋梁對比，堅持認(rèn)為2座橋梁技術(shù)狀況尚可，無需進(jìn)行限載和加固。

2.2 橋面線形

連續(xù)剛構(gòu)橋梁橋面線形變化反映了主梁的下?lián)锨闆r，是分析預(yù)應(yīng)力損失狀況的重要參數(shù)之一，屬于承載能力鑒定分析的必測項目。這2座橋橋面鋪裝后未及時進(jìn)行橋面線形測量，在本次測量前9個月，某檢測單位對橋面線形進(jìn)行了觀測，在此將這2次結(jié)果進(jìn)行對比分析。

依據(jù)工程測量規(guī)范[5]對橋面線形進(jìn)行了觀測，測點布置在上、下游側(cè)車道邊沿處及橋面中心處，測點水平間距5.0 m，與前次測量一致。但由于前次測量未設(shè)置永久觀測點且測點標(biāo)識被毀損，致使具體測點位置存在一定偏差。

2次測量的高程差值即橋面線形變化，反映了測量期間主梁的下?lián)锨闆r，其典型監(jiān)測曲線見圖1、圖2。

圖1 K4特大橋右幅橋面高程與前次測量差值

圖2 K5大橋左幅橋面高程與前次測量差值

從圖1可知，由于2次檢測的測點位置存在偏差，因此所測得的箱梁下?lián)暇€形不夠平滑，但總體趨勢非常明顯：兩邊跨未見明顯下?lián)?，中跨普遍下?lián)?，中跨跨中最大下?lián)霞s90 mm。兩橋墩(距伸縮縫98 m、278 m處)墩頂高程變化值分別為-0.2 mm、-3.7 mm。

從圖2可知，由于2次測量的測點位置存在偏差，結(jié)果顯示左幅橋的1號墩墩頂(距伸縮縫77 m處)下沉8.5 mm，2號墩墩頂(距伸縮縫217 m處)下沉19.5 mm，且大樁號側(cè)伸縮縫的高程亦存在最大-20 mm差值，不能對中跨的下?lián)嫌幸粋€準(zhǔn)確的判斷。

為解決這個問題，對測量結(jié)果及測點位置偏差的影響進(jìn)行分析和處理。

由于連續(xù)剛構(gòu)橋下?lián)现饕w現(xiàn)在中跨，因此作如下處理：1) 扣除橋面縱坡影響；2) 扣除主墩沉降影響。僅考慮中跨線形，處理結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 處理后K4特大橋右幅中跨橋面曲線比較

圖4 處理后K5大橋左幅中跨橋面曲線比較

從圖3、圖4可以看出，扣除縱坡后的2次實測中跨橋面曲線幾乎一致，可用來準(zhǔn)確分析橋面下?lián)馅厔莺土恐怠?/p>

從圖3、圖4還可知，2次檢測期間，K4特大橋右幅和K5大橋左幅中跨橋面線形總體趨勢為中跨普遍下?lián)?，跨中最大，分別為87.8 mm、12.9 mm。

由于上述下?lián)现颠€包含了2次測試時的溫差影響、混凝土收縮徐變影響[6-7]以及可能的恒載變化影響，需通過計算將其扣除。

K4特大橋右幅異常撓度值：f=87.8-45.7(溫差、混凝土收縮徐變影響規(guī)范計算值)=42.1 mm。

K5大橋左幅異常撓度值：f=12.9-9.5(溫差、混凝土收縮徐變影響規(guī)范計算值)=3.4 mm。

從線形監(jiān)測結(jié)果看，K4特大橋9個月期間產(chǎn)生的下?lián)现得黠@異常，K5大橋基本正常。

2.3 混凝土強度

混凝土強度是連續(xù)剛構(gòu)承載能力檢測的基本參數(shù)，采用超聲回彈法、鉆芯法對2座橋進(jìn)行了檢測，依據(jù)《超聲回彈綜合法檢測混凝土強度技術(shù)規(guī)程》[8]第5.1.3條，將每梁段作為單個構(gòu)件來檢測和評價。每個梁段測區(qū)數(shù)量取10個，測區(qū)尺寸為400 mm×400 mm，結(jié)果如下。

2.3.1 K4特大橋

根據(jù)箱梁混凝土超聲回彈測試結(jié)果，結(jié)合相應(yīng)梁段和測區(qū)的鉆芯強度結(jié)果來進(jìn)行修正，得出左幅橋測試的25個梁段中，最高強度為57.4 MPa，最低強度為41.0 MPa，9個梁段的強度在設(shè)計值50.0 MPa以下。

右幅橋箱梁所測試的12個梁段中，混凝土最高強度為62.9 MPa，最低強度為45.0 MPa，1個梁段的強度在設(shè)計值50.0 MPa以下。

2.3.2 K5大橋

左幅橋測試的22個梁段中，最高強度為67.4 MPa，最低強度為50.6 MPa。右幅橋箱梁所測試的14個梁段中，混凝土最高強度為73.4 MPa，最低強度為47.7 MPa，2個梁段的強度在50.0 MPa以下。

2.3.3 混凝土強度測試結(jié)果分析

1) K4特大橋的主梁混凝土平均強度較K5大橋低，其最低值較設(shè)計強度50 MPa相差較多，離散性也較K5大橋大，說明K4特大橋的混凝土強度存在較為嚴(yán)重的缺陷，而K5大橋混凝土強度則相較設(shè)計值略有欠缺。

2) 由于這2座連續(xù)剛構(gòu)橋各梁段實測強度值變化較大，在承載能力檢算時的取值可采用3種方式：

(1) 每個梁段都采用實測強度值；(2) 采用所有梁段實測強度值的平均值；(3) 采用所有梁段實測值的最小值。

根據(jù)規(guī)范對強度測區(qū)的表觀要求及現(xiàn)場工作時的實際情況，采用方式(3)較適宜，主要基于以下2點認(rèn)識：

① 由于這2座橋箱梁混凝土強度很不均勻，而橋梁的破壞則是從最薄弱的部分開始的，因此，可將超聲回彈綜合法測得的各梁段強度中的最小值作為代表值對結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算。

② 在強度檢測時，選擇的是梁段混凝土表觀質(zhì)量相對較好的區(qū)域劃分測區(qū)的，測出的最低強度并不是結(jié)構(gòu)實際的最低強度。因此，取超聲回彈綜合法測得的各梁段強度中的最小值作為代表值來對結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算是較為適宜的。

2.4 預(yù)應(yīng)力損失

對于大跨徑梁橋的有效預(yù)應(yīng)力檢測，一般有應(yīng)力釋放法，包括混凝土盲孔法、普通鋼筋應(yīng)力釋放法及直接對預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行反拉等方法[9]，而在連續(xù)剛構(gòu)橋梁中，這些方法可靠性和準(zhǔn)確性均有待進(jìn)一步提高。

2.4.1 估算方法

依據(jù)規(guī)范及相關(guān)文獻(xiàn)[10-13]，按照如下方法對結(jié)構(gòu)有效預(yù)應(yīng)力進(jìn)行估算：

2.4.2 估算結(jié)果分析

1) K4特大橋右幅

若僅根據(jù)2次測得的主梁下?lián)狭窟M(jìn)行反推分析，則K4右幅預(yù)應(yīng)力損失約為8.3%。如果再考慮從橋梁建成到第1次線形觀測這段時間箱梁的下?lián)?，則預(yù)應(yīng)力損失會更大。

假定異常下?lián)蠟榫€性發(fā)展，則由271 d異常下?lián)贤扑愠蓸蚝笾恋?次線形測試時總的異常下?lián)现禐?5.722 mm，事實上，連續(xù)剛構(gòu)橋梁的下?lián)弦?guī)律為前期發(fā)展快，后期發(fā)展速度越來越慢，因此實際的異常下?lián)现祽?yīng)大于這個計算值。

由于異常下?lián)现?5.722 mm已扣除橋梁建成至第2次測量橋面線形期間的溫差變化、混凝土收縮徐變規(guī)范計算值，因此該異常下?lián)现等坑深A(yù)應(yīng)力損失引起，據(jù)此推算得預(yù)應(yīng)力損失為17.3%。這是一個不可接受的值，說明K4特大橋的預(yù)應(yīng)力損失非常嚴(yán)重。

2) K5大橋左幅

按271 d異常下?lián)?.7 mm全部由預(yù)應(yīng)力損失引起計算，推算得預(yù)應(yīng)力損失為2.8%，如將時間推算至橋梁建成時，則推算得預(yù)應(yīng)力損失為5.5%。

2.5 荷載試驗

當(dāng)通過檢算分析尚無法明確評定橋梁承載能力時，可通過對橋梁施加靜力荷載作用，即靜載試驗，測定橋梁結(jié)構(gòu)在試驗荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并據(jù)此修訂承載能力檢算結(jié)果或直接判定承載能力是否滿足要求。

橋梁自振頻率是橋梁整體剛度的體現(xiàn)，通過實測自振頻率與理論計算頻率之比可確定自振頻率評定標(biāo)度，分析橋梁結(jié)構(gòu)性能。

2.5.1 靜載試驗截面

依據(jù) JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》[14]，結(jié)合兩橋結(jié)構(gòu)特點，選取的靜載試驗截面為：1) 邊跨最大正彎截面A；2) 墩頂附近最大負(fù)彎截面B；3) 中跨L/4負(fù)彎截面C；4) 中跨3L/8正彎截面D；5) 中跨跨中截面E。兩橋截面位置見圖5、圖6。

單位：mm

2.5.2 應(yīng)變測試

靜載試驗中，校驗系數(shù)是指各測點應(yīng)變實測值、各截面實測撓度值與理論計算值之比，是判斷結(jié)構(gòu)整體強度和剛度的重要參數(shù)，這里的理論計算值依據(jù)實測參數(shù)計算所得。各工況下兩橋?qū)崪y應(yīng)變校驗系數(shù)對比見表1。

從表1可知，雖然這2座橋的混凝土強度和預(yù)應(yīng)力損失有明顯差異，但這2座橋梁4幅橋的應(yīng)變測試結(jié)果顯示，其平均校驗系數(shù)并未出現(xiàn)較大差異，最大、最小校驗系數(shù)也都較為離散，并不能從應(yīng)變測試結(jié)果中發(fā)現(xiàn)明顯的規(guī)律性。K4特大橋除個別測點受測試因素和混凝土離散性影響使得校驗系數(shù)超出1.0外，整體上仍滿足JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》[14]的要求，即使是將計算采用的主梁彈模換成設(shè)計混凝土強度等級時的彈模，其校驗系數(shù)整體也處于正常范圍內(nèi)，并不能據(jù)此得出主梁強度不滿足設(shè)計要求的結(jié)論。

單位：mm

表1 各工況下2橋?qū)崪y應(yīng)變校驗系數(shù)對比

2.5.3 撓度測試

在各測試截面分別布置2個撓度測點，采用精密水準(zhǔn)儀從未加載1幅橋面進(jìn)行觀測讀數(shù)。各工況下兩橋?qū)崪y撓度平均校驗系數(shù)對比見表2。

從表2可知，這兩橋?qū)崪y撓度校驗系數(shù)略有差異，約為5%。由于混凝土彈性模量的離散性、測試時的環(huán)境差異等多種因素的影響，結(jié)構(gòu)剛度表現(xiàn)略有差異屬于正?，F(xiàn)象，其數(shù)值均在正常范圍內(nèi)，滿足荷載試驗規(guī)程的要求。因此并不能僅憑撓度實測結(jié)果得出K4特大橋整體剛度表現(xiàn)優(yōu)于K5大橋的結(jié)論，也不能判定橋梁整體剛度不滿足設(shè)計要求。

表2 各工況下兩橋?qū)崪y撓度平均校驗系數(shù)對比

橋梁荷載試驗主要是檢驗橋梁在使用荷載作用下的工作性能和汽車活載響應(yīng)，不能直接判定橋梁的極限承載能力。對于連續(xù)剛構(gòu)橋而言，活載作用在整體荷載組合里所占的比例更小，加載時結(jié)構(gòu)整體上仍處于彈性工作階段，結(jié)構(gòu)損傷以及預(yù)應(yīng)力損失并不能在測試結(jié)果中得到直觀體現(xiàn)。

2.5.4 豎向基頻

豎向基頻是反映橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度的基本參數(shù)，采用891-4型速度傳感器、INV-8型抗混濾波放大器、INV306D(F)多通道智能信號采集儀以及DASP分析軟件進(jìn)行動態(tài)數(shù)據(jù)采集及后期處理。兩橋豎向基頻測試結(jié)果見表3。

表3 豎向基頻實測結(jié)果對比 Hz

從表3可見，兩橋的1階豎向基頻實測值均略大于理論計算值，2階豎向基頻則較為接近。同時發(fā)現(xiàn)，盡管K4特大橋預(yù)應(yīng)力損失大，混凝土強度更低，但其實測基頻與理論基頻之比卻略大于K5大橋。

2.6 結(jié)構(gòu)檢算

結(jié)合外觀檢查、專項檢測以及荷載試驗結(jié)果，依據(jù)JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》[15]進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算，得出如下結(jié)論：

1) K4特大橋部分梁段的極限承載能力不滿足設(shè)計要求，部分工況下其正常使用極限狀態(tài)不滿足設(shè)計要求。

2) K5大橋極限承載能力和正常使用極限狀態(tài)能滿足設(shè)計荷載的正常使用要求。

K4特大橋開通運營后，其主梁持續(xù)下?lián)希霈F(xiàn)了大量橫向裂縫和斜向裂縫并不斷展開，2年后不得不進(jìn)行加固并設(shè)置健康監(jiān)測系統(tǒng)，事實驗證了其承載能力不滿足設(shè)計要求的結(jié)論。K5大橋則在后續(xù)運營中處于正常狀態(tài)。

3 結(jié)論

本文通過對某高速上2座連續(xù)剛構(gòu)橋部分關(guān)鍵參數(shù)的檢測分析，得出以下結(jié)論：

1) 對于建成時間較短或尚未投入運營的連續(xù)剛構(gòu)橋梁，收縮徐變造成的預(yù)應(yīng)力損失尚處于初期，裂縫等尚未大量開展，特別是箱梁頂、底板橫向裂縫和腹板斜向裂縫尚未大量出現(xiàn)，不能僅憑外觀檢測結(jié)果和同類運營期橋梁比對結(jié)果而判斷橋梁的技術(shù)狀況。

2) 可依據(jù)連續(xù)剛構(gòu)橋梁主梁下?lián)现倒浪闫漕A(yù)應(yīng)力損失并作為承載能力檢算的關(guān)鍵參數(shù)，一定要在橋梁竣工時埋設(shè)橋面線形永久測點并進(jìn)行首次觀測，如測點缺失或變動時，可通過扣除縱坡和主墩影響，比較橋面相對變化得到主梁的下?lián)现怠?/p>

3) 對于檢算時混凝土強度的取值，需依據(jù)橋梁具體技術(shù)狀況和強度實測結(jié)果采取多種方式，找出適宜的取值方法。

4) 連續(xù)剛構(gòu)橋梁的表觀和強度缺陷以及預(yù)應(yīng)力損失通常不能在橋梁靜、動載試驗結(jié)果中直接體現(xiàn)，其承載能力需結(jié)合外觀、強度、主梁下?lián)现档葯z測結(jié)果以及結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果進(jìn)行綜合判定。