運營期橋梁承載能力評定方法研究

文┃姚方舟（邵陽市交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督站）

劉國梁（長沙市西工建設(shè)有限公司）

龍軍（邵陽市交通建設(shè)質(zhì)量安全監(jiān)督站）

關(guān)鍵字：簡支變連續(xù)梁橋；技術(shù)狀況檢查；結(jié)構(gòu)檢算；實際承載能力

0 引言

隨著經(jīng)濟建設(shè)發(fā)展，公路上的車流量逐漸增多，公路橋梁的荷載也隨之增加，加上橋梁在建造以及成橋運營期間會受到許多不利因素影響，導(dǎo)致橋梁的承受能力與交通需求產(chǎn)生一定的矛盾[1]。對服役橋梁，尤其是運營時間長的橋，結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)不明，存在安全風(fēng)險，開展承載能力評定工作就顯得十分必要[4]。通過采用兩種試驗檢測方法評定橋梁結(jié)構(gòu)實際承載能力；一種是以橋梁技術(shù)狀況檢查為基礎(chǔ)，配合結(jié)構(gòu)檢算來評定橋梁承載力；另一種是借助荷載試驗得到變形和應(yīng)力校驗系數(shù)，進而評估試驗橋梁的實際承載力[2]。上述方法通過多個指標(biāo)將橋梁承載能力和其工作狀態(tài)聯(lián)系到一起，不同狀態(tài)選取適宜的值，最終結(jié)果也更加客觀[5]。

本文以某座在運營的預(yù)應(yīng)力混凝土簡支變連續(xù)梁橋為工程背景，采用橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評定的方法來判斷橋梁承載能力是否滿足要求，以期對橋梁安全控制方法提供參考。

1 工程概況

該橋為跨徑3×30m的先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)的預(yù)制裝配式T梁，橋面寬度為12.25m，設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級，其中跨中腹板厚度為20cm，梁端部厚度為54cm，馬蹄寬度為54cm，梁肋間距2.50m，行車道板主梁預(yù)制寬0.70m，橋面橫坡通過調(diào)節(jié)臺帽蓋梁橫坡及翼緣板橫坡而成，T梁梁底馬蹄水平放置。

2 橋梁技術(shù)狀況檢測

該橋建成運營至今有12年，在結(jié)構(gòu)檢算之前對該橋進行技術(shù)狀況檢測，主要出現(xiàn)如下病害：

（1）上部結(jié)構(gòu)

部分T梁出現(xiàn)縱向裂縫，主要集中在馬蹄底部及馬蹄和腹板交接部位，此外T梁頂板底面靠近橋墩位置處存在剝落、掉角現(xiàn)象；濕接縫和橫隔板的剝落、掉角現(xiàn)象較為普遍，局部位置出現(xiàn)泛堿現(xiàn)象，此外橫隔板底部多處出現(xiàn)蜂窩麻面現(xiàn)象；另外多個支座出現(xiàn)縱向剪切變形超限，老化變質(zhì)的現(xiàn)象。

（2）下部結(jié)構(gòu)

蓋梁邊緣出現(xiàn)滲水情況，靠近墩柱位置處出現(xiàn)混凝土破損剝落、鋼筋銹蝕；臺身出現(xiàn)多道豎向裂縫，個別裂縫寬度大于規(guī)范限值；另外墩身出現(xiàn)多處鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土剝落的現(xiàn)象。

（3）橋面系

鋪裝層出現(xiàn)局部坑洼、破損以及變形擁包的現(xiàn)象；伸縮縫錨固區(qū)出現(xiàn)混凝土破損以及橡膠帶老化破損現(xiàn)象；另外護欄局部位置出現(xiàn)混凝土破損、露筋現(xiàn)象，并出現(xiàn)多道豎向裂縫。

根據(jù)檢測結(jié)果按照文獻[3]相關(guān)規(guī)定計算分項檢算系數(shù)，具體如下表：

表1 預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁承載能力檢算系數(shù)（Z1）

表2 預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁承載能力惡化系數(shù)（ξe）

表3 預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁截面折減系數(shù)（ξc）

由上述病害可知，部分T梁在位于馬蹄底部沿鋼筋出現(xiàn)縱向裂縫，并且裂縫寬度超出規(guī)范允許值，根據(jù)文獻[3]，可以確定鋼筋截面折減系數(shù)ξs=0.98。最后通過分析運營期間的車流量、汽車軸重分布等情況，得到活載影響修正系數(shù)ξq=1.01。

3 有限元分析

本文借助Midas/civil 2019橋梁結(jié)構(gòu)軟件建立該橋的有限元模型，其中節(jié)點436個，單元654個，橋梁鋪裝等二期荷載按照均布荷載施加在主梁單元上，各片主梁之間通過虛擬橫梁進行聯(lián)系，虛擬橫梁采用矩形截面，其厚度按照翼緣板厚0.16m進行取值，在保證計算精度的前提下均勻劃分主梁單元，寬度則按2m進行取值，對該橋進行原設(shè)計復(fù)算，有限元模型見下圖。

圖1 Midas/Civil模型

由表1可知本橋承載能力檢算系數(shù)評定標(biāo)度值D為3.2，由文獻[3]可知，當(dāng)該橋構(gòu)件的承載能力檢算系數(shù)評定標(biāo)度值D≥3時，需要對主梁進行承載能力和正常使用極限狀態(tài)評定檢算。其中承載能力極限狀態(tài)驗算主要包括抗彎能力和抗剪能力驗算，依據(jù)文獻[6]進行荷載作用組合，最終效應(yīng)值與抗力值的包絡(luò)見圖2、3，該橋主要控制截面驗算結(jié)果見表4：

圖2 正截面彎矩效應(yīng)與抗力包絡(luò)圖

圖3 斜截面剪力效應(yīng)與抗力包絡(luò)圖

表4 控制截面的荷載效應(yīng)與截面抗力計算表

對于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)橋梁，正常使用極限狀態(tài)驗算主要對混凝土的正截面拉壓應(yīng)力、斜截面主拉壓應(yīng)力進行驗算，由于本文篇幅有限，僅列舉混凝土斜截面主拉、壓應(yīng)力驗算結(jié)果，見下表：

表5 最不利荷載效應(yīng)組合斜截面主拉、壓應(yīng)力驗算結(jié)果表

4 基于檢測結(jié)果的承載能力評定

上節(jié)通過對原設(shè)計復(fù)算，不難發(fā)現(xiàn)該座預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁橋的承載能力和正常使用極限狀態(tài)驗算均能通過。本節(jié)基于橋梁檢測結(jié)果對結(jié)構(gòu)抗力和荷載效應(yīng)做一定修正，以判斷該T梁橋的實際承載能力能否滿足運營荷載需要，由文獻[3]可知，可以按照下式進行評判：

將第二節(jié)確定的分項檢算系數(shù)代入上式，對該橋抗彎和抗剪承載能力進行修正，修正后的主要控制截面驗算結(jié)果見表6。

表6 控制截面的荷載效應(yīng)與截面抗力修正計算表

正常使用極限狀態(tài)下，最不利荷載效應(yīng)組合產(chǎn)生的截面應(yīng)力值和應(yīng)力限制值應(yīng)按下式對其進行修正：

最不利荷載效應(yīng)組合下斜截面主拉、壓應(yīng)力驗算結(jié)果見表7。

表7 最不利荷載效應(yīng)組合斜截面主拉、壓應(yīng)力驗算結(jié)果修正表

以上計算表格可知，通過檢算邊梁、中梁多個關(guān)鍵截面，該T梁橋的荷載效應(yīng)與截面抗力的比值均小于1.0，表明承載能力極限狀態(tài)檢算滿足要求；此外該橋最不利荷載效應(yīng)組合下，正截面拉壓應(yīng)力、斜截面主拉壓應(yīng)力均滿足規(guī)范限值，表明正常使用極限狀態(tài)檢算滿足要求；因此該橋當(dāng)前承載能力滿足運營安全要求。

5 結(jié)語

（1）根據(jù)橋梁技術(shù)狀態(tài)檢查結(jié)果，引入分項檢算系數(shù)，對原設(shè)計荷載效應(yīng)和抗力、截面應(yīng)力與限制應(yīng)力等參數(shù)進行修正，可判別當(dāng)前結(jié)構(gòu)承載能力能否滿足運營荷載要求。

（2）橋梁材質(zhì)強度、缺損狀況以及自振頻率的綜合評定標(biāo)度決定是否需要正常使用極限狀態(tài)檢算，當(dāng)承載能力檢算系數(shù)評定標(biāo)度值D＜3時，僅對主梁進行承載能力極限狀態(tài)評定檢算即可。

（3）盡管結(jié)果分析表明該橋?qū)嶋H承載能力滿足設(shè)計荷載要求，為使該橋長期處于良好的工作狀態(tài)，須對當(dāng)前出現(xiàn)的病害做針對性的處置措施?！?/p>