現(xiàn)役提載預(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱橋承載能力的檢測與評估

馮瑩，韓振國，孫舒

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

0 引言

近些年，在橋梁服役過程中，由于交通量的急劇增加和大量新型車輛的出現(xiàn)，部分道路的通行能力已無法滿足實際需求，需要進行升級改造，以提高荷載等級和通行能力。因此，采用合理且經(jīng)濟的承載能力評定方法對現(xiàn)役橋梁的承載能力進行評估，是確保橋梁安全運營的重要保障[1-2]。

以某沿海原二級公路改造升級為背景，評估其沿線上某座預(yù)應(yīng)力系桿拱橋現(xiàn)有承載能力是否滿足公路Ⅰ級新標準要求，并提出合理化建議。

1 橋梁概況

某橋位于江蘇省連云港市灌南縣境內(nèi)，2005年建成通車，全長256 m。主橋為一跨56 m預(yù)應(yīng)力混凝土下承式系桿拱橋，拱肋軸線為二次拋物線，矢跨比為1/5。鋼筋混凝土拱肋采用B×H=1.1 m×1.2 m的工字型斷面，在拱腳處變?yōu)榫匦谓孛?，預(yù)應(yīng)力混凝土系桿采用B×H=1.1 m×1.6 m的工字型斷面，在拱腳處變?yōu)榫匦谓孛?。全橋共設(shè)11對吊桿，吊桿鋼套管為熱軋45號無縫鋼管，間距4.6 m。橋面總寬為13 m。該橋原設(shè)計荷載等級為汽車20級，掛車100級，現(xiàn)運行道路荷載等級為公路Ⅰ級。主橋立面及橫斷面如圖1所示。

圖1 主橋立面、橫斷面（單位：cm）

2 橋梁檢查結(jié)果

2.1 主橋缺損狀況檢查結(jié)果

在對橋梁進行常規(guī)檢測中，發(fā)現(xiàn)主橋吊桿鋼套筒表面防銹涂層脫落，銹蝕較嚴重；橫撐局部露筋銹蝕；行車道板有1處破損露筋；板式橡膠支座存在脫空、開裂等病害，其中主橋支座脫空共3個，支座嚴重開裂共7個，支座剪切變形共4個；主橋一側(cè)橋墩伸縮縫閉合，另一側(cè)伸縮縫破損嚴重、型鋼缺失，主橋橋面有2條橫向裂縫，跨中有1處破損。

2.2 無損檢測結(jié)果

在主橋無損檢測中對系梁、橫梁及拱肋進行混凝土強度檢測和鋼筋保護層厚度抽檢，對照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）[3]得到以下結(jié)果：

（1）混凝土實測強度、碳化深度評定標度為1。

（2）鋼筋保護層厚度檢測評定標度為1。

2.3 主橋線形測量結(jié)果

采用水準儀對橋面線進行測量，從圖2可以看出，主橋整體平順，未見明顯下?lián)匣蛲蛔?，橋梁使用狀況尚好。

圖2 橋面實測線形圖譜

根據(jù)橋梁現(xiàn)場檢查結(jié)果，對照《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》（JTG/T H21—2011）[4]相關(guān)規(guī)定，主橋上部結(jié)構(gòu)評分為82.7，技術(shù)狀況評定等級為2類；下部結(jié)構(gòu)評分為87.7，技術(shù)狀況評定等級為2類；橋面評分為70.8，技術(shù)狀況評定等級為3類；得出主橋總體評分為82.3，總體技術(shù)狀況評定等級為2類。

3 橋梁荷載試驗

3.1 靜載試驗結(jié)果

根據(jù)橋梁現(xiàn)場調(diào)查及施工圖紙，利用有限元分析軟件Midas/Civil 2019建立主橋的計算模型，如圖3所示，并對其原設(shè)計荷載（汽車20級，掛車100級）作用下的受力進行分析。根據(jù)主橋受力特點，選取拱肋L/2附近截面、拱肋L/4附近截面、拱腳附近截面、系桿L/4附近截面作為主要測試截面，主橋系桿拱橋靜載試驗測試截面布置如圖4所示。

圖3 主橋計算模型

圖4 測試截面布置（單位：cm）

根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTGT J21—01－2015）[5]的要求，主橋靜載試驗工況和對應(yīng)測試內(nèi)容見表1，各截面的加載控制值滿足規(guī)范要求，靜載試驗荷載效率ηq在0.95～1.03范圍內(nèi)。試驗過程中，加載車輛按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[6]要求布置。所得靜載試驗結(jié)果如下：

表1 靜載試驗工況及測試內(nèi)容

（1）主橋控制斷面主要撓度測點撓度校驗系數(shù)范圍為0.83～0.95，均小于1.0，滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21—01—2015）[7]的要求。

（2）主橋控制斷面主要應(yīng)力測點系桿應(yīng)力校驗系數(shù)范圍為0.55～0.8，拱肋應(yīng)力校驗系數(shù)范圍為0.62～0.92，均小于1.0，滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21—01—2015）[7]的要求。

（3）卸載后，主橋控制斷面主要測試點的相對殘余撓度和應(yīng)變＜20%，說明主橋上部結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

3.2 動載試驗結(jié)果

對主橋進行的動載試驗包括脈動試驗與跑車試驗。脈動試驗過程中，測試了主橋結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等動力特性。采用有限元計算軟件Midas/Civil 2019對主橋進行動力特性分析，理論計算頻率與實測頻率比較見表2。跑車試驗是在主橋跨中截面位置布設(shè)豎向拾振器，測試主橋在一輛重約320 kN的標準車下以車速為10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h作用下的動態(tài)振動響應(yīng)，根據(jù)測試結(jié)果計算得到的實測沖擊系數(shù)見表3。

表2 理論計算頻率與實測頻率比較

表3 不同車速激振下沖擊效應(yīng)分析

動載試驗結(jié)果如下：

（1）自振頻率實測值大于理論計算值，實測前兩階振型與理論振型相一致，表明上部結(jié)構(gòu)整體剛度大于理論剛度。

（2）實測沖擊系數(shù)小于規(guī)范計算值，表明上部結(jié)構(gòu)的動力性能較好，車輛正常行駛對橋梁的沖擊效應(yīng)滿足設(shè)計要求。

通過主橋靜動載試驗可知：在原設(shè)計荷載（汽車20級，掛車100級）作用下，主橋上部結(jié)構(gòu)的整體剛度滿足要求，并且處于彈性工作狀態(tài)，在原設(shè)計荷載的作用下，主橋可以正常運營。

4 橋梁承載力能力檢算

對主橋進行承載能力檢算是按《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）中現(xiàn)荷載標準（公路I級，二車道計）進行，計算過程中計入承載能力檢算系數(shù)Z1、Z2、承載能力惡化系數(shù)系數(shù)ξe、構(gòu)件截面折減系數(shù)系數(shù)ξc和鋼筋截面折減系數(shù)ξs，以評定主橋在現(xiàn)荷載等級為公路I級情況下，能否正常工作。

4.1 檢算方法

依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/TJ21—2011）配筋混凝土橋梁承載能力評定有：

（1）承載能力極限狀態(tài)，應(yīng)根據(jù)檢測結(jié)果按照式（1）進行計算評定：

（2）正常使用極限狀態(tài)

正常使用極限狀態(tài)宜按現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計和養(yǎng)護規(guī)范及檢測結(jié)果分以下三方面進行計算評定：

①限制應(yīng)力：

②荷載作用下的變形：

③各類荷載組合作用下裂縫寬度滿足：

以上具體參數(shù)定義可參考《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）第7.3節(jié)。

4.2 檢算系數(shù)

根據(jù)橋梁檢測和荷載試驗結(jié)果，按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）確定，主橋承載力檢算判式中的各系數(shù)取值匯總見表4。

表4 承載能力檢算判式中的各系數(shù)取值匯總表

4.3 承載能力檢算結(jié)果

采用有限元計算軟件Midas/Civil 2019進行計算，考慮自重、二期恒載、汽車荷載、人群荷載、溫度荷載等作用，并按照實際檢測成果（結(jié)構(gòu)尺寸、材料強度）對橋梁進行建模計算。

4.3.1 承載能力極限狀態(tài)計算結(jié)果

按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG3362—2018）要求，對主橋的系桿、拱肋、中橫梁、端橫梁和吊桿進行承載能力極限狀態(tài)下的抗力驗算，采用有限元計算軟件Midas/Civil 2019計算，結(jié)果如圖5所示，主橋構(gòu)件在承載能力極限狀態(tài)下的計算結(jié)果見表5。

圖5 承載能力極限狀態(tài)計算圖譜

表5 承載能力極限狀態(tài)檢算結(jié)果

4.3.2 正常使用極限狀態(tài)計算結(jié)果

按照《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG 3362—2018）要求，采用有限元計算軟件Midas/Civil 2019計算了在正常使用極限狀態(tài)下，主橋的系桿、中橫梁抗裂驗算和撓度驗算，計算結(jié)果如圖6所示。結(jié)合承載能力極限狀態(tài)檢算判式，主橋構(gòu)件在正常使用極限狀態(tài)下的計算結(jié)果見表6。

圖6 正常使用極限狀態(tài)計算圖譜

表6 正常使用極限狀態(tài)檢算結(jié)果

4.3.3 構(gòu)件的應(yīng)力計算結(jié)果

按照規(guī)范要求，采用有限元計算軟件Midas/Civil 2019對系桿、中橫梁進行應(yīng)力驗算，按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，計算使用階段正截面法向壓應(yīng)力與斜截面主壓應(yīng)力，計算結(jié)果如圖7所示。結(jié)合根據(jù)承載能力極限狀態(tài)檢算判式，系桿、中橫梁的應(yīng)力計算結(jié)果見表7。

表7 構(gòu)件的應(yīng)力計算結(jié)果匯總

圖7 構(gòu)件應(yīng)力計算

通過對該主橋上部結(jié)構(gòu)進行承載能力檢算評定，在考慮檢算系數(shù)的影響下，得到結(jié)論有：

（1）主橋拱肋和系桿承載能力均滿足公路I級荷載要求；中橫梁、端橫梁及吊桿承載能力均不滿足公路I級荷載要求。

（2）系桿和橫梁的正截面抗裂均滿足公路I級荷載要求，但斜截面抗裂不滿足公路I級荷載要求。

（3）主橋變形滿足規(guī)范要求。

（4）系桿和橫梁壓應(yīng)力均滿足公路I級荷載要求。

5 結(jié)論

（1）該橋運營了約15 y，橋梁整體狀況尚好，對于檢測中發(fā)現(xiàn)的主橋吊桿鋼護筒銹蝕部位應(yīng)進行除銹防銹處理；對拱肋應(yīng)重新涂刷涂層；破損嚴重的伸縮縫和開裂嚴重的支座應(yīng)全部更換；混凝土破損露筋及存在裂縫的部位應(yīng)進行修補和封閉處理。

（2）基于荷載試驗對該橋承載能力進行評估，該橋滿足原設(shè)計荷載（汽車20級，掛車100級）使用要求。

（3）該橋在現(xiàn)運行道路荷載等級（公路Ⅰ級）下，承載能力極限狀態(tài)檢算結(jié)果不能滿足要求。

（4）受限于建造時期經(jīng)濟水平及交通量增長預(yù)期，該橋原設(shè)計富余量在不采取任何措施的情況下無法提高荷載等級。但考慮拆除重建橋梁需要花費大量人力、物力和財力，建議對該橋進行維修加固后再利用。

（5）預(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱橋承載能力的檢測與評估是一項復(fù)雜且綜合性的項目，需綜合考慮其工程背景、區(qū)域規(guī)劃、理論模型和實際工作狀態(tài)，才能對其作出科學(xué)客觀的評價與建議，在節(jié)約資源的情況下，保證橋梁的安全運營。