老舊拱橋病害檢測及承載能力檢算

田亞洪，譚曉晶，楊成標(biāo)

（1.昆明市公路工程質(zhì)量檢測中心有限公司，云南 昆明 650217；2.云南省建筑科學(xué)研究院，云南 昆明 650223）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，一大批老舊橋梁由于年久失修、原設(shè)計荷載等級底等原因已無法滿足日益增長的交通需求，老舊橋梁服役期間的性能已引起社會廣泛關(guān)注[1-2]。橋梁的定期和經(jīng)常檢查是保障其安全的基本手段，常規(guī)的橋梁病害檢查以人工目測觀察結(jié)合儀器觀測進行，調(diào)查和分析各種病害大小、影響程度和危害等，再綜合評估結(jié)構(gòu)的性能。對于老舊橋梁安全檢測，文獻［3-4］介紹了舊橋檢測的主要內(nèi)容和相關(guān)檢測項目并指出橋梁病害類型和病害原因，列出了幾種舊橋的加固方法與建議。劉海洋等人［5］發(fā)現(xiàn)鋼筋混凝土桁架拱橋的病害受超載和基礎(chǔ)不均勻沉降的影響較為嚴(yán)重，并提出了相應(yīng)的性能評估方法。李禹劍等人［6］針對老舊橋梁難以診斷以及診斷結(jié)果不準(zhǔn)確等問題，提出了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的老舊橋梁診斷方法。此外，由于橋梁老舊問題和車輛流量的加大，李玉軍［7］提出了老舊橋梁的養(yǎng)護和加固建議，陳忠祥［8］針對老舊圬工橋梁提出了相應(yīng)的加固及養(yǎng)護措施。老舊橋梁由于服役年限較久，性能衰退，加之承受荷載等級增大，因而其承載力是關(guān)注重點。本文從老舊橋梁病害檢測角度入手，評估其承載力性能，以供行業(yè)參考。

1 橋梁概況

橋梁為跨徑45m的單跨雙肋拱橋，拱肋為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，兩肋之間通過橫系梁進行連接（圖1所示）。拱肋為高1.2m、寬0.5m的矩形截面，兩側(cè)橋臺為重力式U型橋臺，橋面寬度5.5m。橋梁原設(shè)計荷載：汽車-15級。該橋建于上世紀(jì)90年代初，在經(jīng)歷2012年5.7級地震后封閉，現(xiàn)需對其進行病害檢測和承載能力評定，以確定其是否滿足行人通行要求。

圖1 橋梁現(xiàn)場

2 病害檢測

根據(jù)文獻［9］的相關(guān)規(guī)定，將全橋劃分為17個部件，按部件在橋梁中的重要程度，給每個部件賦予不同的權(quán)重值，然后根據(jù)每個部件的病害情況對單個部件進行評定，最后計算全橋的得分值，同時要考慮按照重要部件中最差缺損狀況進行結(jié)構(gòu)評定。病害檢查包括上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)和橋面系及附屬設(shè)施。

經(jīng)檢查，橋梁拱肋底板現(xiàn)2條縱向裂縫，長度約0.8m左右、裂縫主要呈順橋向沿拱肋邊緣延伸，局部混凝土破損、蜂窩麻面。西岸多處立柱底部開裂、砼剝落破損，局部有鋼筋外露銹蝕現(xiàn)象，伸縮縫處蓋梁有比較嚴(yán)重滲水鈣化伴有青苔生長，表明伸縮縫處防水功能失效。全橋多處拱肋底板、腹板、立柱、蓋梁、系梁表明有水漬、局部伴有滲水鈣化現(xiàn)象發(fā)生。東、西岸橋臺側(cè)墻灌木雜草生長、側(cè)墻砌石表層脫落、側(cè)墻滲水。橋面板外側(cè)雜草滋生、橋面現(xiàn)多處網(wǎng)裂、伸縮縫遭破壞、多處護欄扶手、立柱砼破損露筋、部分護欄扶手?jǐn)嗔?、部分護欄立柱與扶手連接構(gòu)造失效。橋梁典型病害如圖2所示。

圖2 典型病害

3 承載力檢算

依據(jù)設(shè)計規(guī)范，分別計算主要承重構(gòu)件在承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的承載力。根據(jù)《公路鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》，當(dāng)滿足以下條件時，即認(rèn)為結(jié)構(gòu)承載能力滿足檢算荷載要求：

（1）承載能力極限狀態(tài)下，正截面抗彎強度大于該截面的最不利內(nèi)力組合值；

（2）承載能力極限狀態(tài)下，斜截面抗剪強度大于該截面的最不利內(nèi)力組合值；

（3）承載能力極限狀態(tài)下，偏心抗壓強度大于該截面的最不利內(nèi)力組合值。

利用Midas civil有限元軟件，將橋梁各構(gòu)件離散成單元、節(jié)點，并輸入邊界條件、材料、荷載等參數(shù)，進行建模分析，驗算主要構(gòu)件的結(jié)構(gòu)承載能力。根據(jù)材料強度實測結(jié)果，計算模型的材料：拱肋為C30砼；蓋梁、立柱、系梁為C25砼；受力主筋和構(gòu)造鋼筋分別為Ⅱ級鋼筋和Ⅰ級鋼筋。

圖3 結(jié)構(gòu)計算模型

（1）承載力檢算系數(shù)Z1。根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》，橋梁結(jié)構(gòu)承載力檢算系數(shù)Z1需依據(jù)材質(zhì)強度、表觀缺損和結(jié)構(gòu)自振頻率等指標(biāo)結(jié)果來綜合確定。橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力檢算系數(shù)評定標(biāo)度D可按式（1）計算。

式中：αj——某項檢測指標(biāo)的權(quán)重值，Σαj=1，按表1取值；

表1 承載力檢算系數(shù)檢測指標(biāo)權(quán)重

Dj——結(jié)構(gòu)或構(gòu)件某項檢測指標(biāo)的評定標(biāo)度。

根據(jù)Dj值，可查表得到Z1=1.08。

（2）截面折減系數(shù)ζc。綜合考慮材料碳化、風(fēng)化、物理及化學(xué)損傷等檢測指標(biāo)，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件截面的綜合評定標(biāo)度R計算公式為

式中：Rj——某項檢測指標(biāo)的評定標(biāo)度；

αj——某項檢測指標(biāo)權(quán)重值，Σαj=1，按表2的規(guī)定取值。

表2 材料碳化、風(fēng)化、物理化學(xué)損傷權(quán)重

根據(jù)R值，可查表得到ζc=0.99。

結(jié)構(gòu)承載力計算評定可根據(jù)式（3）

式中：γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；

S——荷載效應(yīng)函數(shù)；

R（fd，ζc，ad）——抗力效應(yīng)函數(shù)；

fd——材料強度設(shè)計值；

ad——結(jié)構(gòu)幾何尺寸；

（3）正截面抗彎強度驗算。依據(jù)承載力評定標(biāo)準(zhǔn)，在考慮結(jié)構(gòu)檢算、惡化、折減、修正系數(shù)的情況下，驗算拱肋構(gòu)件正截面抗彎強度值，結(jié)果如圖4和表3所示。

圖4 正截面抗彎驗算結(jié)果

表3 正截面抗彎承載力驗算

由圖4和表3可以看出，在最不利荷載組合時，拱肋各截面的彎矩效應(yīng)值γMu小于其正截面抗彎承載力Mn，表明該橋承載能力極限狀態(tài)下拱肋各截面抗彎強度滿足設(shè)計荷載要求。

（4）斜截面抗剪強度驗算。計入結(jié)果檢算、惡化、折減、修正系數(shù)，驗算拱肋構(gòu)件斜截面抗剪強度結(jié)果如圖5和表4所示。

圖5 斜截面抗剪驗算結(jié)果

表4 斜截面抗剪承載力驗算

由圖5和表3可知，拱肋構(gòu)件各截面斜截面抗剪強度Vn大于最不利荷載組合效應(yīng)值γVd，表明承載能力極限狀態(tài)下該橋梁斜截面抗剪強度滿足設(shè)計荷載要求。

（5）偏心抗壓強度驗算。在計入結(jié)果檢算、惡化、折減、修正系數(shù)的情況下，驗算拱肋各截面偏心抗壓強度結(jié)果如圖6和表5所示。

圖6 偏心抗壓驗算結(jié)果

表5 偏心抗壓強度驗算

由圖6和表5可知，拱肋構(gòu)件各截面偏心抗壓強度Nn大于最不利荷載組合效應(yīng)值γNd，表明承載能力極限狀態(tài)下該橋梁拱肋各截面偏心抗壓強度滿足設(shè)計荷載要求。

4 結(jié)語

（1）橋梁主要病害位置在拱上結(jié)構(gòu)西岸1-3#立柱底部、橋面護欄及伸縮縫部位，立柱病害主要表現(xiàn)為立柱底部混凝土不同程度開裂、混凝土破損、鋼筋銹蝕外露；護欄病害主要表現(xiàn)為構(gòu)件開裂、連接構(gòu)造失效、部分混凝土破損露筋；伸縮縫病害主要表現(xiàn)為防水功能失效。（2）經(jīng)過驗算，在結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)下，橋梁拱肋結(jié)構(gòu)控制截面正截面抗彎強度大于該截面的最不利內(nèi)力組合值，拱肋結(jié)構(gòu)斜截面抗剪強度大于該截面的最不利內(nèi)力組合值，拱肋結(jié)構(gòu)偏心抗壓強度大于該截面的最不利內(nèi)力組合值[9-10]。