某鋼筋混凝土空心板舊橋底板開裂病害的安全性分析

王紅偉,藍(lán)日彥,馮學(xué)茂,劉 棟,劉全佩

(1.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530029;2.廣西大學(xué),廣西 南寧 530004)

0 引言

由于車輛荷載、腐蝕環(huán)境等因素影響,橋梁在服役期內(nèi)會(huì)出現(xiàn)各種威脅安全性和耐久性的病害[1-2],尤其是各類舊橋,準(zhǔn)確地獲取和評(píng)估病害對(duì)承載力的影響對(duì)保障舊橋的安全性具有重要的意義。目前,國(guó)內(nèi)針對(duì)舊橋的檢測(cè)多是采用人工的方法,新檢測(cè)技術(shù)和新檢測(cè)裝備也發(fā)展迅速[3-4],例如智能機(jī)器人、聲波CT技術(shù)[5]和基于Mask RCNN的橋梁裂縫檢測(cè)方法[6]等,相關(guān)研究也比較豐富,有力地促進(jìn)了橋梁病害檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展。關(guān)于橋梁狀態(tài)的評(píng)估,目前多是基于人工檢測(cè)結(jié)果結(jié)合技術(shù)狀況評(píng)定規(guī)范來進(jìn)行,王磊等[7]基于中美兩國(guó)橋梁承載力評(píng)定規(guī)范對(duì)比指出美國(guó)的橋梁承載力評(píng)定結(jié)果略顯保守,中國(guó)的評(píng)定流程與計(jì)算公式更加簡(jiǎn)潔。也有學(xué)者開展了不同評(píng)估方法對(duì)比研究,龔江烈等[8]分析了目前常用評(píng)定方法的優(yōu)缺點(diǎn),提出了基于振動(dòng)特性的原始指紋評(píng)定法。此外,也有將材質(zhì)狀況與模糊評(píng)判結(jié)合起來[9]、擬靜態(tài)撓度法[10]評(píng)定橋梁橋承載力,取得了良好的效果。通過荷載試驗(yàn)評(píng)定橋梁承載力[11-12]也比較多,荷載試驗(yàn)獲得的橋梁承載力通常低于橋梁的破壞承載力,該方法雖然可靠性較高,但造價(jià)較高,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)受到一定的限制。為了評(píng)估某鋼筋混凝土空心板舊橋底板開裂后的安全性,本文采用現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、理論分析和荷載試驗(yàn)相結(jié)合的方法,以人工調(diào)查和常規(guī)測(cè)量工具相結(jié)合的方法對(duì)舊橋的病害進(jìn)行檢測(cè),采用ANSYS有限元軟件建立舊橋的三維精細(xì)化實(shí)體有限元模型,對(duì)舊橋的技術(shù)狀況進(jìn)行計(jì)算評(píng)定,并開展舊橋的荷載試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,可為國(guó)內(nèi)同類型橋梁的檢測(cè)與評(píng)估提供借鑒和參考。

1 橋梁構(gòu)造及病害概況

1.1 橋梁構(gòu)造簡(jiǎn)介

某舊橋全長(zhǎng)61 m,橋面為分離式結(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)荷載為汽-超20、掛-120;上部結(jié)構(gòu)為3×16 m鋼筋混凝土空心板,每幅由11塊30#混凝土的空心板組成,每幅凈寬11.25 m。橋梁縱斷面見圖1。

1.2 梁底病害概況

采用人工調(diào)查和常規(guī)測(cè)量工具相結(jié)合的方法,針對(duì)橋梁的橋面系、空心板、墩臺(tái)與基礎(chǔ)等進(jìn)行調(diào)查,結(jié)果表明三大部分均存在不同程度的病害,其中對(duì)結(jié)構(gòu)承載力和安全性影響比較大的是梁的底板開裂,梁底裂縫分布見圖2,其中視圖觀測(cè)方向自下向上。

由圖2舊橋的裂縫開裂和分布情況統(tǒng)計(jì)分析可知,裂縫寬度在0.04～0.16 mm,裂縫分布范圍比較廣,尤其是跨中部位,削弱了截面的抗力,威脅舊橋的耐久性。

2 舊橋安全性的理論分析

2.1 舊橋技術(shù)狀況評(píng)定

基于舊橋現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果,獲得舊橋的實(shí)際技術(shù)參數(shù),結(jié)合公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn),對(duì)舊橋進(jìn)行評(píng)定,具體評(píng)定結(jié)果見表1。

表1 舊橋各部件技術(shù)狀況評(píng)定結(jié)果表

橋梁總體技術(shù)狀況得分Dr計(jì)算公式如下:

(1)

式中:Ri——評(píng)定標(biāo)度;

Wi——權(quán)重。

在獲得橋梁各構(gòu)件技術(shù)狀況評(píng)定結(jié)果的基礎(chǔ)上,根據(jù)式(1)計(jì)算總體技術(shù)狀況得分Dr,可得Dr為56.8,屬于三類橋。

2.2 舊橋承載力驗(yàn)算

基于橋梁的設(shè)計(jì)圖紙和實(shí)際測(cè)量尺寸,采用ANSYS有限元軟件建立該舊橋的三維空間精細(xì)化實(shí)體有限元模型,單元類型采用Solid45,C30混凝土彈性模量3×1010Pa,泊松比為0.2,單元數(shù)為12 504,節(jié)點(diǎn)數(shù)為18 833,邊界條件采用簡(jiǎn)支。其有限元模型三維視圖見圖3。

圖3 有限元模型三維視圖

基于建立的三維有限元模型,針對(duì)舊橋開展承載力分析。取沖擊系數(shù)為1.209,重要性系數(shù)取1.0。

(1)內(nèi)力分析。由數(shù)值分析結(jié)果可知公路-Ⅰ級(jí)荷載作用下,舊橋的最不利跨中彎矩為1 114.158 kN·m,梁端剪力為326.875 kN。根據(jù)橋梁的構(gòu)造和材料參數(shù),計(jì)算可得跨中彎矩承載力為1 113.7 kN·m,梁端剪力為636.61 kN。由此可知,橋梁的跨中彎矩不滿足公路-Ⅰ級(jí)荷載要求,梁端剪力滿足要求。

(2)裂縫驗(yàn)算。綜合考慮恒載、汽車活載及各自分項(xiàng)系數(shù),計(jì)算可得短期和長(zhǎng)期效應(yīng)的組合值分別為681.485 kN·m和565.713 kN·m。

鋼筋應(yīng)力σss和縱向受拉鋼筋配筋率ρ的計(jì)算分別見式(2)和式(3)。

σss=Ms/0.87Ash0=188.720 N/mm2

(2)

(3)

式中:b——截面寬度(mm);

As——受拉鋼筋面積(mm2);

bf——翼緣寬度(mm);

hf——翼緣厚度(mm);

h0——有效高度(mm)。

裂縫寬度Wtk計(jì)算見式(4),可知橋梁的裂縫寬度Wtk>0.2 mm,不滿足橋梁規(guī)范要求。

(4)

式中:C1、C2和C3——系數(shù);

σss——鋼筋應(yīng)力(MPa);

d——鋼筋直徑(mm);

ρ——效配筋率;

Es——鋼筋彈性模量(N/mm2)。

3 舊橋安全性的試驗(yàn)驗(yàn)證

基于舊橋現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、技術(shù)狀況評(píng)定和承載力驗(yàn)算,開展舊橋的荷載試驗(yàn),獲取橋梁的靜力和動(dòng)力特性,評(píng)估舊橋的安全性。

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在舊橋現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和理論分析基礎(chǔ)上,為了檢驗(yàn)舊橋?qū)嶋H承載力,開展靜載和動(dòng)載試驗(yàn)?？紤]舊橋的構(gòu)造和受力特點(diǎn),選取中跨和邊跨的跨中截面和支座截面進(jìn)行測(cè)試。在測(cè)試截面布置動(dòng)靜應(yīng)變和位移測(cè)點(diǎn),橋面布置速度傳感器。測(cè)點(diǎn)布置見圖4。

圖4 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

荷載采用公路-Ⅰ級(jí),進(jìn)行試驗(yàn)布載和數(shù)值分析,計(jì)算結(jié)果表明采用3輛34 t重單軸車可滿足加載效率0.95～1.05。

3.2 靜力試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 靜應(yīng)變?cè)囼?yàn)結(jié)果分析

各工況荷載作用下,舊橋中跨跨中各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力測(cè)試及計(jì)算值見圖5,邊跨跨中各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力測(cè)試及計(jì)算值見圖6。拉應(yīng)力為正,壓應(yīng)力為負(fù)。

圖5 中跨跨中各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力測(cè)試及計(jì)算值曲線圖

圖6 邊跨跨中各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力測(cè)試及計(jì)算值曲線圖

對(duì)圖5和圖6進(jìn)行分析可知:

不同荷載工況作用下,各測(cè)點(diǎn)應(yīng)力測(cè)試值與計(jì)算值存在一定差別,實(shí)測(cè)值均小于計(jì)算值,最大測(cè)試值為3.18 MPa(在2#墩～3#臺(tái)第3跨),相應(yīng)最大計(jì)算值為3.20 MPa,但全橋只有2根梁應(yīng)力>3 MPa。這主要是由于有限元計(jì)算是將橋梁簡(jiǎn)化為彈性體分析,而舊橋各跨板底面存在大量裂縫。

恒載應(yīng)力疊加活荷載應(yīng)力后,加上恒載應(yīng)力最大值達(dá)7.40 MPa,其他板板底應(yīng)力在疊加恒載應(yīng)力后全部都>3.0 MPa,超過混凝土抗拉強(qiáng)度。由于三跨都具有相同幾何尺寸、相同剛度及相同荷載作用,對(duì)應(yīng)工況的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致,證明實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律是準(zhǔn)確的。卸載后各測(cè)點(diǎn)殘余應(yīng)變值均<5με,結(jié)構(gòu)處于彈性工作范圍。

3.2.2 靜撓度試驗(yàn)結(jié)果分析

各工況荷載作用下,測(cè)點(diǎn)撓度實(shí)測(cè)及計(jì)算值見圖7。測(cè)點(diǎn)豎向位移向上為負(fù),向下為正。

圖7 各測(cè)點(diǎn)靜撓度測(cè)試及計(jì)算結(jié)果曲線結(jié)果圖

由圖7分析可知:各工況不利荷載作用下各測(cè)點(diǎn)撓度分布規(guī)律合理,并與有限元計(jì)算結(jié)果一致,校驗(yàn)系數(shù)<1,最大撓度發(fā)生在5#板測(cè)點(diǎn),其值為2.97 mm,小于規(guī)范允許值L/600,橋梁整體剛度比較好,橫向剛度沒有降低。

3.2.3 裂縫開展情況分析

在測(cè)試橋梁空心板應(yīng)變及撓度的同時(shí),對(duì)活載作用典型裂縫開展寬度進(jìn)行測(cè)試。在各不利工況作用下,橋梁主橋空心梁底結(jié)構(gòu)裂縫最大開展寬度為0.012 mm,恒載裂縫寬度為0.14 mm,即活載下裂縫的最大寬度為0.152 mm,小于規(guī)范容許值,卸載后裂縫恢復(fù)恒載寬度,證明橋梁彈性工作狀態(tài)良好。

綜上所述,舊橋的承載力略低于公路-Ⅰ級(jí)荷載,且存在一定病害,需加固維修。

3.3 動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果分析

通過1輛34 t車分別以不同速度從橋上駛過,測(cè)試舊橋的動(dòng)力特性。

(1)振動(dòng)頻率測(cè)試分析。測(cè)得中跨橫向和豎向1階固有頻率分別為3.427 Hz和2.944 Hz,中跨豎向在20 km/h、40 km/h和60 km/h跑車工況下,豎向1階振動(dòng)頻率分別為7.832 Hz、7.822 Hz和7.832 Hz,橫向1階振動(dòng)頻率分別為4.895 Hz、4.907 Hz和4.895 Hz。結(jié)合振動(dòng)功率譜可知,舊橋固有頻率與跑車振動(dòng)主頻率雖然接近,但分布在跑車的振動(dòng)主頻率能量很小,不會(huì)引起共振。

(2)動(dòng)應(yīng)力和動(dòng)撓度測(cè)試分析。舊橋在20 km/h、40 km/h和60 km/h的跑車和剎車工況下的最大拉應(yīng)力分別為0.233 MPa和0.733 MPa。各工況下最大動(dòng)位移是3.238 mm,舊橋的剛度滿足正常使用要求。

(3)振動(dòng)速度和沖擊系數(shù)。舊橋在各種跑車工況下測(cè)點(diǎn)最大速度為8.214 mm/s,在剎車、落車的工況下最大速度達(dá)到1.274 cm/s。各種跑車工況下最大沖擊系數(shù)為1.232,振動(dòng)阻尼比為5.099%,能滿足使用條件。

4 結(jié)語

圍繞某鋼筋混凝土空心板舊橋底板開裂病害的安全性分析,以人工調(diào)查和常規(guī)測(cè)量工具相結(jié)合的方法對(duì)舊橋的病害進(jìn)行檢測(cè),獲取了鋼筋混凝土空心板舊橋底板開裂病害的分布情況;采用ANSYS有限元軟件建立了舊橋的三維精細(xì)化實(shí)體有限元模型,對(duì)舊橋的技術(shù)狀況進(jìn)行計(jì)算評(píng)定,結(jié)果表明舊橋的技術(shù)狀況評(píng)分為56.8,屬于三類橋,跨中彎矩不滿足公路-Ⅰ級(jí)荷載要求,梁端剪力滿足要求;開展了舊橋的荷載試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明舊橋的承載力略低于公路-Ⅰ級(jí)荷載,且存在一定病害,需要進(jìn)行加固,進(jìn)一步驗(yàn)證了鋼筋混凝土空心板舊橋底板開裂后理論分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,可為國(guó)內(nèi)同類型橋梁的檢測(cè)與評(píng)估提供借鑒和參考。