公路橋梁受力性能分析及狀態(tài)評(píng)估

盧少利

（山東省濱州公路有限公司，山東 濱州 256600）

0 引言

我國早期建成投入使用的公路橋梁中，受建設(shè)時(shí)期社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平、技術(shù)水平和思想觀念的制約，普遍存在著建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和抗災(zāi)能力偏低、缺陷、病害和運(yùn)營疲勞損傷等問題，有相當(dāng)一部分公路橋梁已不能適應(yīng)當(dāng)前交通量迅速增長(zhǎng)的需求，不能滿足現(xiàn)在和將來社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展要求，如何對(duì)這些公路橋梁進(jìn)行受力性能分析和狀態(tài)評(píng)估是一項(xiàng)重點(diǎn)工作。本文以一座運(yùn)營30多年的橋梁為例，對(duì)橋梁的受力性能和狀態(tài)進(jìn)行分析與評(píng)估。

1 工程概況

某公路大橋建于1987年，1989年建成通車，距今已運(yùn)營35年。該橋跨徑布置為由南向北為：11×20m+12×50m+11×20m，共23孔。橋面總寬14m。該橋上部結(jié)構(gòu)為裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土T梁，橋面簡(jiǎn)易連續(xù)。每孔橫向有5片T梁組成，20m跨徑T梁高1.45m，50m跨徑T梁高2.6m。下部結(jié)構(gòu)橋墩為單排柱式墩，南側(cè)橋臺(tái)采用單排式樁式臺(tái)，北側(cè)橋臺(tái)為柱式橋臺(tái)，蓋梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土T型截面蓋梁。設(shè)計(jì)荷載為汽—超20級(jí)，掛—120級(jí)。橋梁正側(cè)面照如圖1所示。

圖1 橋梁正側(cè)面照

2 主要病害情況

2.1 橋面鋪裝層病害

橋面鋪裝存在的主要病害為：橋面鋪裝出現(xiàn)縱橫向裂縫，以縱向裂縫為主（見圖2）?？v向裂縫集中于T梁連接處，而且多出現(xiàn)在由北向南的第2、第3片梁和第3、第4片梁間，橫向裂縫主要集中在橋面連續(xù)處。另外，橋面存在局部龜裂和坑槽（見圖3），伸縮縫局部缺損，止水帶損壞嚴(yán)重。

圖2 橋面鋪裝縱向裂縫

圖3 橋面鋪裝坑槽

2.2 上部結(jié)構(gòu)病害

上部結(jié)構(gòu)存在的主要病害為：梁底和端部存在混凝土剝落破損，頂板存在滲水，腹板支點(diǎn)附近存在斜向裂縫（見圖4），橫隔板接縫處混凝土保護(hù)層剝落、鋼板銹蝕、連接鋼板脫落（見圖5）。

圖4 腹板斜向裂縫

圖5 梁體破損露筋

2.3 下部結(jié)構(gòu)病害

下部結(jié)構(gòu)的立柱外觀較好，個(gè)別立柱底部存在麻面、坑蝕，需要進(jìn)行修補(bǔ)。蓋梁主要存在混凝土剝落、鋼筋外露銹蝕（見圖6）。

圖6 蓋梁鋼筋銹蝕

支座主要病害是水浸、老化、防塵罩破損，滑板支座的鋼板銹蝕嚴(yán)重，失去滑動(dòng)能力，部分擋塊損壞嚴(yán)重，部分橡膠支座剪切變形明顯（見圖7）。

圖7 支座老化開裂

該橋最初橋面鋪裝設(shè)計(jì)采用防水混凝土，邊梁處僅有6cm，于2007年重做瀝青面層。但是隨著超載車輛的增多，2017年該橋橋面鋪裝又出現(xiàn)大量縱向裂縫，其中2處T梁接縫處破壞，做了局部的粘鋼加固處理[1]。2018年，在橋面第6孔和第15孔出現(xiàn)2處較大的空洞，上下通透，并且橋面上有多處縱向裂縫，部分橫隔板混凝土脫落、聯(lián)接鋼板破壞嚴(yán)重，部分跨已形成單梁受力的情況。加上伸縮縫止水帶破壞，橋下漏水嚴(yán)重，造成滑板支座的鋼板銹蝕非常嚴(yán)重，加上所有的支座為第一代橡膠支座，已達(dá)到使用壽命。如果不及時(shí)采取措施進(jìn)行維修加固處理，由于該橋是部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，可能會(huì)出現(xiàn)裂縫和撓度加大，病害將會(huì)迅速發(fā)展，嚴(yán)重影響正常運(yùn)營，特別是超載車輛的通行，存在發(fā)生安全事故的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)該橋進(jìn)行技術(shù)狀況評(píng)定，結(jié)果將其定為4類橋。

3 病害成因分析

3.1 上部結(jié)構(gòu)病害的成因

從設(shè)計(jì)層次分析，該橋上部結(jié)構(gòu)的T梁按部分預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件設(shè)計(jì)，預(yù)應(yīng)力度在0.84~0.86之間。通過與同年代同類型的橋梁相比，該橋預(yù)應(yīng)力鋼筋用量為其他橋梁的73%，但普通鋼筋用量為其他橋梁的109%。從抗裂性和裂縫控制上比較，該橋的承載能力相對(duì)偏低一些，但從極限承載能力上比較，基本與同年代同類型的橋梁持平，甚至高一些。但由于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)荷載及技術(shù)水平，設(shè)計(jì)對(duì)剛度控制不夠嚴(yán)格，依據(jù)當(dāng)時(shí)的橋梁設(shè)計(jì)理念，本著節(jié)約材料與資金的原則，橋梁的截面尺寸包括梁高及腹板厚度均較小、支座附近變截面長(zhǎng)度不滿足目前規(guī)范要求，這些原因都會(huì)造成橋梁安全儲(chǔ)備和整體剛度不足，易引起梁體開裂等病害[2]。特別是橋面鋪裝設(shè)計(jì)過于簡(jiǎn)單，加上近年來超載現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致橋面鋪裝破損較快。當(dāng)然，從養(yǎng)護(hù)維修的角度看，部分預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)需要投入更多的維修養(yǎng)護(hù)資金，以使橋梁保持良好的工作性能和狀態(tài)。

3.2 支座病害的成因

雖然2008年起支座被分批分步驟予以更換，但本次檢查中發(fā)現(xiàn)，除一些滑動(dòng)支座上下鋼板有銹蝕現(xiàn)象之外，部分支座存在局部脫空，老化開裂現(xiàn)象。支座局部脫空主要是支座墊石標(biāo)高控制不當(dāng)，支座在橋梁振動(dòng)作用下位置串動(dòng)造成；支座老化開裂主要原因是支座質(zhì)量較差，橡膠在高溫、雨水、荷載疲勞等影響下出現(xiàn)老化、變質(zhì)、開裂；另外承壓不均，局部受力過大，也會(huì)造成膠體開裂。連續(xù)梁支座設(shè)置的傳統(tǒng)方法是在一聯(lián)的中部墩上設(shè)置普通板式橡膠支座，視為固定支座，在遠(yuǎn)離中墩的橋墩上設(shè)置滑動(dòng)支座，視為活動(dòng)支座。通常假定，一聯(lián)梁跨的正中間不受溫度影響，此處即為所謂的溫度零點(diǎn)。距離溫度零點(diǎn)較近的幾個(gè)墩，即使有溫度變化也影響較小，梁體伸縮導(dǎo)致墩頂?shù)奈灰仆耆梢杂善胀ㄏ鹉z支座的剪切變形來適應(yīng)。遠(yuǎn)離溫度零點(diǎn)的橋墩，梁體的溫度變形量大，只有滑板支座才能勝任，故均設(shè)置四氟滑板支座。在該橋橋墩和支座的設(shè)計(jì)與選擇上，采用了“彈性結(jié)構(gòu)”法。將一聯(lián)橋作為一個(gè)整體超靜定結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，計(jì)算時(shí)采用集成剛度法。視橋墩和支座為串聯(lián)、各墩之間為并聯(lián)，用串聯(lián)和并聯(lián)的彈簧結(jié)構(gòu)來模擬柔性墩及其支座，逐孔將整聯(lián)橋的總抗推剛度推算出來，形成集成剛度，之后再計(jì)算一聯(lián)橋各墩的位移和受力。另外對(duì)于溫度和混凝土收縮引起的墩頂水平力，取決于各墩的剛度和位移量。欲使各墩水平力相等或接近，應(yīng)該使它們的剛度和位移最接近。在溫度作用下，邊墩的位移最大，其思路是設(shè)法使墩和支座的聯(lián)合剛度變小，中間墩的位移最小，可設(shè)法使它的聯(lián)合剛度變大。這樣，聯(lián)內(nèi)的水平力就可以在各墩上近似均勻地分配。而橋墩本身的剛度是由其幾何尺寸和材料特性確定的，一般不易改動(dòng)。那么要改變總體剛度只能改變支座的剛度。因此，通過在各墩上設(shè)置不同厚度的支座可以隨意調(diào)整各墩的剛度，從而可以人為地調(diào)整各墩臺(tái)受力。中墩的支座高度應(yīng)盡量小一些，其剛度就大，邊墩的支座高度大一些，其剛度就小一些。但是彈性結(jié)構(gòu)成立的前提條件是各個(gè)支座必須受力可靠，一旦有個(gè)別支座損壞，水平力就不能在各墩頂均勻分配，溫度作用、混凝土收縮和制動(dòng)等引起的水平力就會(huì)在支座出現(xiàn)破壞的橋跨處集中，從而加重下部結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，引起下部結(jié)構(gòu)的病害和損壞。

3.3 橋面鋪裝層病害的成因

橋面路面坑槽產(chǎn)生的原因很多，一是施工時(shí)壓實(shí)不足，一種情況是施工時(shí)混合料溫度太高，瀝青老化，粘結(jié)力降低，脆性增加，導(dǎo)致壓實(shí)不夠，粘結(jié)不牢，在行車荷載作用下形成坑槽；另一種是混合料溫度太低，攤鋪不均勻，壓實(shí)不充分，導(dǎo)致壓實(shí)度不夠形成坑槽。

通過本次檢查發(fā)現(xiàn)，該橋伸縮縫普遍存在泥土雜物填塞擠死現(xiàn)象，部分伸縮縫存在錨固區(qū)混凝土開裂，橡膠止水帶破損現(xiàn)象，個(gè)別伸縮縫異型鋼條變形斷裂現(xiàn)象。由于本橋是連接黃河兩岸的重要橋梁，運(yùn)輸建筑原材料的車輛較多，橋面上易撒落砂石等雜物。同時(shí)由于伸縮縫在更換施工過程中標(biāo)高控制不好，伸縮縫位置與兩側(cè)瀝青路面連接不平順，車輛在此位置會(huì)產(chǎn)生跳車現(xiàn)象，對(duì)伸縮縫錨固區(qū)混凝土及伸縮縫本身產(chǎn)生較大沖擊力導(dǎo)致破壞。

3.4 蓋梁病害的成因

通過對(duì)全橋現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，首先，全橋共有20m跨徑T梁22孔，北岸11孔，南岸11孔，但是北岸的11孔T型梁結(jié)構(gòu)狀況普遍差于南岸，主要表現(xiàn)在橋面的縱向裂縫嚴(yán)重，橫隔板連接破損較多，可以推斷其施工質(zhì)量存在一定的差別。這與大橋建設(shè)歷史相符合，當(dāng)時(shí)大橋的建設(shè)指揮部設(shè)在南岸，南岸的工程質(zhì)量控制比較嚴(yán)格，質(zhì)量較好。其次，橋面縱向裂縫多集中在由北向南的第2、第3和第3、第4片梁間的接縫處，說明重車多是由北向南通過大橋，且靠中線行駛，這與山東省公路路面損壞的普遍規(guī)律相符。對(duì)于按部分預(yù)應(yīng)力A類構(gòu)件設(shè)計(jì)的橋梁，在重車作用下允許出現(xiàn)拉應(yīng)力，在超重車輛通過時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)裂縫，荷載卸去后裂縫可以自動(dòng)閉合，但是在超重車輛的反復(fù)碾壓之下，橫隔板連接處的焊接鋼板可能出現(xiàn)疲勞破壞，從而導(dǎo)致鋼板拉開，混凝土剝落。

根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，目前重車的載重量普遍在80~100t左右，最重車輛曾經(jīng)達(dá)到230t之多，多數(shù)重車的載重量超過規(guī)范規(guī)定的55t重車標(biāo)準(zhǔn)。因此，超重車輛泛濫是造成該橋病害的主要原因之一。

總之，從目前調(diào)查結(jié)果來看，該橋的耐久性已嚴(yán)重降低，尤其是水分的侵入可能導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力鋼束和普通鋼筋銹蝕，鋼筋銹蝕又會(huì)引起混凝土局部破損，更加造成結(jié)構(gòu)承載力的下降，大大縮短橋梁的使用年限，進(jìn)而嚴(yán)重威脅到橋梁整體安全。

4 動(dòng)力性能測(cè)試

動(dòng)測(cè)法采用一套動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集、放大和分析系統(tǒng)，配合拾振器進(jìn)行。傳感器和放大器采用中國地震局工程力學(xué)所研制開發(fā)的，其通頻帶為0.5~100Hz，具有高靈敏度和高分辨率的特點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，主要通過在橋面頂面布置894-2型拾振器，主要包括在跨中、1/4跨及3/4跨截面，測(cè)出結(jié)構(gòu)振動(dòng)參數(shù)，并繪制主要截面的位移和加速度時(shí)程曲線。橋梁結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下將產(chǎn)生振動(dòng)，橋梁振動(dòng)問題影響因素相當(dāng)復(fù)雜。橋梁的動(dòng)載試驗(yàn)是檢測(cè)橋梁的動(dòng)力特性，并據(jù)此對(duì)橋梁承載力狀況和運(yùn)營狀況進(jìn)行判斷的重要手段[3]。橋梁的動(dòng)態(tài)特性是橋梁結(jié)構(gòu)性能的主要指標(biāo)，該橋的動(dòng)態(tài)特性主要測(cè)試其固有頻率，通過測(cè)量第一階振型自振頻率fm1，并與新建初期的第一階自振頻率或理論計(jì)算頻率fd1相比，從而判斷橋梁所處的技術(shù)狀態(tài)。日本鐵道技術(shù)研究院Nishimura通過實(shí)地測(cè)量近1000個(gè)橋梁的自振頻率，總結(jié)得出了根據(jù)實(shí)測(cè)自振頻率評(píng)定橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀態(tài)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，并引入了狀態(tài)指標(biāo)fm1/fd1，根據(jù)其范圍，將橋梁的上部和下部結(jié)構(gòu)的技術(shù)狀況劃為5個(gè)級(jí)別，推薦的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 根據(jù)實(shí)測(cè)自振頻率的橋梁技術(shù)狀態(tài)的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

本次測(cè)試主要采集結(jié)構(gòu)加速度信號(hào)，測(cè)試時(shí)每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別采樣，采樣頻率200Hz。每次采集記錄時(shí)間不少于30s，拾振器用橡皮泥固定在結(jié)構(gòu)上。20m跨跨中截面豎向傳感器對(duì)應(yīng)通道時(shí)域曲線圖如圖8所示，對(duì)采集的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉分析獲得通道的頻譜圖，如圖9所示。

圖8 20m跨跨中截面豎向傳感器對(duì)應(yīng)通道時(shí)域曲線圖

圖9 20m跨跨中截面豎向傳感器對(duì)應(yīng)通道頻譜圖

獲得測(cè)點(diǎn)信號(hào)的頻譜圖后，用傳遞函數(shù)法對(duì)選擇的頻率峰值進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，可以求得第1跨結(jié)構(gòu)的一階固有頻率為6.738Hz。橋梁理論固有頻率值為6.913Hz，實(shí)測(cè)值比理論計(jì)算值小，說明目前該橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際剛度小于理論剛度。fm1/fd1=0.974，介于0.9~1.0之間，處于較差狀態(tài)[4]。

5 結(jié)束語

經(jīng)過對(duì)該橋上部結(jié)構(gòu)、蓋梁、支座及鋪裝層的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和分析，主要存在如下問題：

（1）橋面瀝青面層龜裂、網(wǎng)裂嚴(yán)重，在T梁連接處出現(xiàn)縱向裂縫，出現(xiàn)裂縫的跨數(shù)約占總跨數(shù)的40%，橋面連續(xù)處均出現(xiàn)橫向裂縫，部分跨出現(xiàn)空洞，已影響行車安全。

（2）伸縮縫均需大修，止水帶破損較為嚴(yán)重，其中損壞嚴(yán)重的有4道，橋面滲水已嚴(yán)重降低上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)的耐久性，此外伸縮縫的破損也會(huì)加大沖擊系數(shù)。

（3）橫隔板企口縫混凝土脫落、鋼板外露較多，約占總量的1/3，部分跨連接鋼板已斷裂、脫落，部分跨已形成單梁受力狀態(tài)，對(duì)結(jié)構(gòu)非常不利。

（4）由于橫向聯(lián)系的破壞，導(dǎo)致T梁懸臂受力，已造成懸臂下部混凝土壓碎，急需進(jìn)行修補(bǔ)處理。

（5）由于橋面滲水，部分支座老化，連接墩頂?shù)幕逯ё鶋核?，鋼板銹蝕嚴(yán)重，失去滑動(dòng)能力，需要更換，部分支座向跨內(nèi)的剪切變形明顯，在溫度最高的夏季尚且發(fā)生向跨內(nèi)的剪切變形，冬季由于梁體的收縮，剪切變形肯定更大，需要加強(qiáng)觀測(cè)。

（6）動(dòng)力性能測(cè)試結(jié)果表明，T型梁的橫向連接破壞后橋面在橫橋向的整體剛度降低，加上橋面連續(xù)的損壞，也使得橋梁在順橋向的整體剛度降低，如果橋面橫向裂縫進(jìn)一步加劇、支座剪切變形加大的話，將會(huì)使縱橋向水平力不能整聯(lián)內(nèi)分配，從而改變了“彈模結(jié)構(gòu)”設(shè)計(jì)狀態(tài)，將會(huì)導(dǎo)致下部結(jié)構(gòu)的局部破損和破壞。在橫向連接破壞較嚴(yán)重的情況下，形成單梁受力狀態(tài)，該橋20mT梁的最大重車通行能力是45t，50mT梁最大重車通行能力是48t，為確保大橋的安全、暢通，在沒有實(shí)施加固維修前，建議限制重車的噸位在45t。

（7）結(jié)合承載能力和變形能力、動(dòng)態(tài)測(cè)試結(jié)果，根據(jù)橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，判定該橋設(shè)計(jì)承載能力的安全度不高，T梁的剛度降低較多（達(dá)到10%），已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的功能性病害，結(jié)構(gòu)的剛度、穩(wěn)定性和動(dòng)力響應(yīng)不能達(dá)到平時(shí)交通安全通行的要求，特別是行車時(shí)局部振動(dòng)、沖擊過大，車輛和行人有強(qiáng)烈的不安全感，建議對(duì)全橋進(jìn)行維修加固。