城市高架橋預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁承載能力檢算分析

王有國(guó)，李鈴燦，黃東，鄒振華，單明軍，羅曉峰

（1.浙江華恒交通建設(shè)監(jiān)理有限公司；2.浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院）

1 引言

隨著現(xiàn)代交通事業(yè)和城市建設(shè)的加速推進(jìn),交通設(shè)施數(shù)量及規(guī)模不斷擴(kuò)大，既有橋梁受到老化、破損、腐蝕、變形沉降等問(wèn)題的影響[1]，導(dǎo)致橋梁運(yùn)營(yíng)和通行能力受限。為了保障城市交通網(wǎng)絡(luò)暢通及行車(chē)安全,需對(duì)橋梁的承載能力進(jìn)行檢查評(píng)定[2]。本文結(jié)合實(shí)際工程，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和檢測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)模型分析，對(duì)高架橋梁承載能力進(jìn)行了評(píng)定,為紹興柯橋104國(guó)道輕紡城大道橋梁的改建方案提供依據(jù)。

2 橋梁承載能力檢算內(nèi)容及方法

基于結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況檢查和檢算的主要內(nèi)容包括：橋梁承載能力評(píng)定包括持久狀況下承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)[3]。承載能力極限狀態(tài)針對(duì)的是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的截面強(qiáng)度和穩(wěn)定性，正常使用極限狀態(tài)主要針對(duì)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的強(qiáng)度和抗裂性。配筋混凝土橋梁在計(jì)算橋梁結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)的抗力效應(yīng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)橋梁試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，采用引入檢算系數(shù)[4]Z1或Z2、承載能力惡化系數(shù)ξe、截面折減系數(shù)ξc和ξs的方法進(jìn)行修正計(jì)算。對(duì)交通繁忙和重載車(chē)輛較多的橋梁，汽車(chē)荷載效應(yīng)可根據(jù)實(shí)際運(yùn)營(yíng)荷載狀況，通過(guò)活載影響修正系數(shù)ξq進(jìn)行修正計(jì)算。

配筋混凝土橋梁承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)檢算宜按現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計(jì)和養(yǎng)護(hù)規(guī)范及檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算評(píng)定，如式（1）配筋混凝土橋梁正常使用極限狀態(tài)限制應(yīng)力：

式中：σd為計(jì)人活載影響修正系數(shù)的截面應(yīng)力計(jì)算值；σL為應(yīng)力限值；Z1為承載能力檢算系數(shù)。

此外，橋梁檢算宜依據(jù)竣工資料或設(shè)計(jì)資料，并應(yīng)與橋梁實(shí)際情況進(jìn)行核對(duì)修正。橋梁結(jié)構(gòu)檢算應(yīng)針對(duì)結(jié)構(gòu)主要控制截面、薄弱部位和出現(xiàn)嚴(yán)重缺損部位，在用橋梁結(jié)構(gòu)檢算宜遵循橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范。

3 各分項(xiàng)檢算系數(shù)的確定

配筋混凝土橋梁，應(yīng)綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件表觀(guān)缺損狀況、材質(zhì)強(qiáng)度和橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率；鋼筋銹蝕電位、混凝土電阻率、混凝土碳化狀況、鋼筋保護(hù)層厚度、氯離子含量和混凝土強(qiáng)度等檢測(cè)評(píng)定結(jié)果，按相應(yīng)規(guī)定選擇檢算的承載能力檢算系數(shù)Z1、截面折減系數(shù)ξc、承載能力惡化系數(shù)ξe、鋼筋截面折減系數(shù)ζs和活載影響修正系數(shù)ξq。本項(xiàng)目以104國(guó)道紹興柯橋段改建工程輕紡城高架橋?yàn)槔_定分項(xiàng)簡(jiǎn)算系數(shù)如表1所示。

表1 各分項(xiàng)檢算系數(shù)

4 橋梁承載能力驗(yàn)算

輕紡城高架橋（4×32.7m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋）設(shè)計(jì)荷載為公路-I級(jí)，預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁采用C50混凝土，縱向預(yù)應(yīng)力采用高強(qiáng)度低松弛Φs15.2mm鋼絞線(xiàn)，計(jì)算荷載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》、《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》等要求確定，橋臺(tái)和橋墩最大沉降量均為5mm?；炷潦湛s徐變時(shí)間考慮為10a。

根據(jù)該橋梁體特點(diǎn)，采用Midas Civil軟件建立有限元模型[5]，考慮結(jié)構(gòu)自重、二期恒載、汽車(chē)荷載、整體升降溫、溫度梯度荷載、沉降作用等因素對(duì)橋梁進(jìn)行建模計(jì)算。計(jì)算時(shí)將主梁按照空間理論簡(jiǎn)化為平面桿系。有限元模型如下圖1所示。

圖1 輕紡城高架橋有限元模型

4.1 持久狀況承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

主梁主要截面抗彎極限狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 主梁主要截面抗彎承載能力驗(yàn)算一覽表

斜截面抗剪承載能力極限驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 主梁主要截面抗剪承載能力計(jì)算一覽表

計(jì)算結(jié)果表明，該橋上部結(jié)構(gòu)的抗彎承載能力、斜截面抗剪承載能力均滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.2 持久狀況正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

結(jié)構(gòu)正截面抗裂驗(yàn)算時(shí)對(duì)于部分預(yù)應(yīng)力A類(lèi)構(gòu)件，在作用（荷載）短期效應(yīng)組合下，應(yīng)符合下列（式2）條件[6]：

但在荷載長(zhǎng)期效應(yīng)組合下（式3）：

主梁在長(zhǎng)期效應(yīng)組合工況下正截面應(yīng)力包絡(luò)圖如圖2所示。其中負(fù)表示受拉，正表示受壓。

圖2 主梁正截面抗裂驗(yàn)算短期效應(yīng)組合結(jié)果圖形

考慮到承載能力檢算系數(shù)后，運(yùn)營(yíng)階段[7]主梁截面在短期效應(yīng)組合下中梁出現(xiàn)的最大拉應(yīng)力為-1.3614MPa＜-2.096MPa，在長(zhǎng)期效應(yīng)組合下未出現(xiàn)拉應(yīng)力，結(jié)構(gòu)正截面抗裂驗(yàn)算滿(mǎn)足要求；

結(jié)構(gòu)斜截面抗裂驗(yàn)算時(shí)對(duì)于A(yíng)類(lèi)和B類(lèi)部分預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，在作用（荷載）短期效應(yīng)組合下，現(xiàn)場(chǎng)澆筑（包括預(yù)制拼裝）構(gòu)件應(yīng)符合下列條件（式4）：

主梁在短期效應(yīng)組合工況下應(yīng)力包絡(luò)圖如下圖3所示。其中負(fù)表示受拉，正表示受壓。

圖3 主梁斜截面抗裂驗(yàn)算結(jié)果圖形

主梁斜截面在短期效應(yīng)組合下出現(xiàn)最大主拉應(yīng)力-0.6327MPa＜-1.497MPa，斜截面抗裂驗(yàn)算合規(guī)。

撓度驗(yàn)算時(shí)該橋上部結(jié)構(gòu)按A類(lèi)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，C50混凝土的長(zhǎng)期增長(zhǎng)系數(shù)ηθ=1.425。在消除結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的長(zhǎng)期撓度后主梁的最大撓度為4.328mm，均小于[Z1]×計(jì)算跨徑的1/600（即61.59mm），結(jié)構(gòu)剛度滿(mǎn)足驗(yàn)算要求。

4.3 持久狀況構(gòu)件應(yīng)力驗(yàn)算

正截面混凝土法向壓應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范[6]荷載取其標(biāo)準(zhǔn)值，汽車(chē)荷載考慮沖擊系數(shù)。使用階段預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件正截面壓應(yīng)力應(yīng)滿(mǎn)足：

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)荷載組合工況下正截面壓應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果表明：使用階段主梁截面在彈性階段應(yīng)力驗(yàn)算組合下主梁出現(xiàn)正截面混凝土的最大壓應(yīng)力14.7737MPa＜16.2MPa，考慮到承載能力檢算系數(shù)后，使用階段主梁截面在彈性階段應(yīng)力驗(yàn)算組合下主梁出現(xiàn)正截面混凝土的最大壓應(yīng)力13.5869MPa＜18.3MPa，截面驗(yàn)算滿(mǎn)足規(guī)范要求。

正截面受拉區(qū)鋼筋拉應(yīng)力計(jì)算時(shí)荷載取其標(biāo)準(zhǔn)值，汽車(chē)荷載考慮沖擊系數(shù)。使用階段預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋的最大拉應(yīng)力應(yīng)滿(mǎn)足下列規(guī)定：

1）對(duì)鋼絞線(xiàn)、鋼絲

2）對(duì)精軋螺紋鋼筋

主梁受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋扣除全部預(yù)應(yīng)力損失后，并考慮使用階段作用標(biāo)準(zhǔn)值引起的鋼束應(yīng)力變化后的預(yù)應(yīng)力鋼筋的拉應(yīng)力見(jiàn)表4所示。

表4 主梁受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋最大拉應(yīng)力計(jì)算一覽表

計(jì)算結(jié)果表明，主梁受拉區(qū)預(yù)應(yīng)力鋼筋最大拉應(yīng)力驗(yàn)算滿(mǎn)足規(guī)范要求。

斜截面混凝土主壓應(yīng)力計(jì)算時(shí)預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件由作用標(biāo)準(zhǔn)值和預(yù)加力產(chǎn)生的混凝土主壓應(yīng)力應(yīng)符合下式規(guī)定：

在標(biāo)準(zhǔn)荷載組合工況下斜截面混凝土的主壓應(yīng)力包絡(luò)圖計(jì)算表明：使用階段主梁截面在彈性階段應(yīng)力驗(yàn)算組合下中梁出現(xiàn)斜截面混凝土最大主壓應(yīng)力14.7665MPa＜19.44MPa?？紤]到承載能力檢算系數(shù)后，主梁截面在彈性階段應(yīng)力驗(yàn)算組合下中梁出現(xiàn)斜截面混凝土最大主壓應(yīng)力14.7665MPa＜21.97MPa，截面驗(yàn)算滿(mǎn)足規(guī)范要求。綜上所述，該橋上部結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足A類(lèi)預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件要求。

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于橋梁承載能力評(píng)定方法，引入檢算等系數(shù)對(duì)輕紡城高架橋進(jìn)行修正計(jì)算，取得如下成果：

①主梁在承載能力極限狀態(tài)下的內(nèi)力（彎矩和剪力）小于修正后的截面抗力，結(jié)構(gòu)抗彎、抗剪承載能力有一定富余，滿(mǎn)足規(guī)范要求；

②在運(yùn)營(yíng)階段，主梁的應(yīng)力、撓度及抗裂性均滿(mǎn)足規(guī)范要求；

③橋跨結(jié)構(gòu)承載力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)荷載等級(jí)（公路-I級(jí)）的要求。