基于特殊檢測(cè)與荷載試驗(yàn)的橋梁承載能力綜合評(píng)定

王子強(qiáng) （遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

1 引言

1.1 工程概況

本文以某座市政先張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板梁橋?yàn)楣こ虒?shí)例，介紹基于特殊檢測(cè)與荷載試驗(yàn)的橋梁承載能力綜合評(píng)定過(guò)程[1]，以此達(dá)到更直接更準(zhǔn)確評(píng)價(jià)橋梁承載能力的目的。該橋于2016 年通車(chē)，跨徑布置為17×20m，跨徑總長(zhǎng)為340.0m，橋梁全長(zhǎng)為344.8m，交角為90°。該橋橋面全寬30.0m，橋面布置形式為3.5m（人行道）+23.0m（機(jī)動(dòng)車(chē)道）+3.5m（人行道）。上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支無(wú)翼緣空心板，每孔20片板。下部結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土6柱式橋墩、肋板臺(tái)，基礎(chǔ)均為鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為城市-A 級(jí)（CJJ 11-2011）。

1.2 橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定理論依據(jù)

依據(jù)規(guī)范可按式（1）對(duì)配筋混凝土橋梁進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算。

式中：γ0-結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，該橋?qū)儆诔鞘兄鞲陕罚?取1.1；S-荷載效應(yīng)函數(shù)；R(·)-抗力效應(yīng)函數(shù)；fd-材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，該橋空心板混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為C40，通過(guò)檢測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)值比較，若兩者接近就取設(shè)計(jì)值，若偏差較大則取實(shí)測(cè)值；adc-構(gòu)件混凝土幾何參數(shù)值，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量驗(yàn)證設(shè)計(jì)值；ads-構(gòu)件鋼筋幾何參數(shù)值，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)驗(yàn)證設(shè)計(jì)值；Z2-承載能力檢算系數(shù)，通過(guò)荷載試驗(yàn)結(jié)果確定取值；ξe-承載能力惡化系數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)確定取值；ξc-配筋混凝土結(jié)構(gòu)的截面折減系數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)確定取值；ξs-鋼筋的截面折減系數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)確定取值[2]。

2 橋梁特殊檢測(cè)

2.1 橋梁基本信息調(diào)查

通過(guò)查閱圖紙資料、交通量信息等，明確橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)、空心板混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、幾何尺寸、配筋、活載修正系數(shù)等，為橋梁承載能力評(píng)定提供依據(jù)。

2.2 橋梁缺損狀況檢測(cè)

上部結(jié)構(gòu)：共有25 塊空心板混凝土破損剝落、掉角；2 塊空心板板底混凝土麻面；1 塊板底保護(hù)層薄，面積為15m2；2 塊板左腹板及板底對(duì)應(yīng)泄水孔處受水侵蝕；2道鉸縫滲水泛堿。

圖1 空心板底混凝土剝落掉角

通過(guò)對(duì)該橋的外觀(guān)檢查，依據(jù)《城市橋梁養(yǎng)護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ 99-2017）對(duì)該橋上部結(jié)構(gòu)空心板進(jìn)行完好狀態(tài)、結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估，該橋完好狀態(tài)評(píng)估等級(jí)為B級(jí)、上部結(jié)構(gòu)狀況評(píng)估等級(jí)為B級(jí)。

2.3 橋梁材質(zhì)狀況、狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)

依據(jù)《城市橋梁檢測(cè)與評(píng)定技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 233-2015）對(duì)該橋上部結(jié)構(gòu)空心板混凝土強(qiáng)度、混凝土碳化深度、混凝土電阻率、混凝土氯離子含量、鋼筋保護(hù)層厚度、鋼筋銹蝕電位等材質(zhì)狀況、狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)檢測(cè)的結(jié)果計(jì)算出承載能力惡化系數(shù)ξe、配筋混凝土結(jié)構(gòu)的截面折減系數(shù)ξc、鋼筋的截面折減系數(shù)ξs[3-4]。

該橋空心板混凝土強(qiáng)度、混凝土碳化狀況、混凝土電阻率、氯離子含量、鋼筋銹蝕電位評(píng)定標(biāo)度均為1，鋼筋保護(hù)層厚度評(píng)定標(biāo)度為3，承載能力惡化系數(shù)ξe為0.0612。

該橋空心板混凝土物理與化學(xué)損傷、碳化、風(fēng)化評(píng)定標(biāo)度均為1，得出截面折減系數(shù)ξc為1.0。

由于該橋空心板未出現(xiàn)沿鋼筋裂縫，確定鋼筋截面折減系數(shù)ξs為1.0。

3 橋梁荷載試驗(yàn)

3.1 橋梁靜載試驗(yàn)

靜載試驗(yàn)的基本原則是內(nèi)力等效，通過(guò)在橋梁上施加車(chē)輛荷載或堆載等方式使控制截面荷載與設(shè)計(jì)值的比值滿(mǎn)足加載效率，測(cè)試控制截面加載過(guò)程中的效應(yīng)值撓度、應(yīng)變等，與理論計(jì)算值的比值得到校驗(yàn)系數(shù)。本次靜載試驗(yàn)選取第2 孔進(jìn)行左側(cè)偏載加載，主要測(cè)試內(nèi)容有撓度、應(yīng)變等參數(shù)。

本次荷載試驗(yàn)以城市-A 級(jí)（CJJ 11-2011）為控制荷載效應(yīng)，以2-17#板跨中最大正彎矩作為控制荷載進(jìn)行布載。通過(guò)試驗(yàn)荷載所產(chǎn)生的效應(yīng)與控制荷載效應(yīng)計(jì)算得出本次靜力荷載試驗(yàn)效率為0.98，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

圖2 橋梁靜載試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖3 撓度、應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)過(guò)程中分三級(jí)加載，撓度、應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如表1、表2 所示（只列出效應(yīng)值明顯板的撓度、應(yīng)變測(cè)試結(jié)果）。

表1 撓度實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比表(單位：mm)

表2 應(yīng)變實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比表(單位：mm)

表3 空心板承載能力綜合評(píng)定結(jié)果表

在試驗(yàn)荷載0.98 倍城市-A 級(jí)（CJJ 11-2011）作用下，第2 孔空心板主要控制測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)為0.49～0.53、應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)為0.53～0.78，校驗(yàn)系數(shù)小于1.0。

在試驗(yàn)荷載0.98 倍城市-A 級(jí)（CJJ 11-2011）作用下，第2 孔空心板最大正彎矩工況控制截面的撓度和應(yīng)變與相應(yīng)荷載基本呈線(xiàn)性關(guān)系，且實(shí)測(cè)相對(duì)殘余變形和相對(duì)殘余應(yīng)變＜20%，結(jié)構(gòu)接近彈性工作狀況。

根據(jù)靜載試驗(yàn)得到的校驗(yàn)系數(shù)結(jié)果，計(jì)算承載能力檢算系數(shù)Z2為1.05。

3.2 橋梁動(dòng)載試驗(yàn)

橋梁動(dòng)載試驗(yàn)需對(duì)橋梁動(dòng)力特性及動(dòng)力響應(yīng)兩方面進(jìn)行測(cè)試[5]。

①橋梁動(dòng)力特性測(cè)試：采用環(huán)境隨機(jī)激振法測(cè)試橋梁的固有頻率、振型、阻尼比等橋梁動(dòng)力參數(shù)，從而判定橋梁結(jié)構(gòu)的整體動(dòng)力剛度和動(dòng)力性能。

分析計(jì)算得出實(shí)測(cè)頻率值為5.813，大于理論計(jì)算值。

圖4 2-17號(hào)板實(shí)測(cè)頻域曲線(xiàn)

圖5 2-17號(hào)板動(dòng)撓度曲線(xiàn)

圖6空心板有限元模型

②橋梁動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試：進(jìn)行強(qiáng)迫振動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)試橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)，本次橋梁動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試為結(jié)構(gòu)的動(dòng)撓度和沖擊系數(shù)。

動(dòng)力響應(yīng)測(cè)試選取與靜載試驗(yàn)相同的控制截面，利用靜載試驗(yàn)中2-17#板的撓度測(cè)點(diǎn)，測(cè)試強(qiáng)迫振動(dòng)過(guò)程中撓度變化曲線(xiàn)。通過(guò)橋面無(wú)障礙和有障礙行車(chē)試驗(yàn)，分別采集了不同車(chē)速工況下的動(dòng)撓度時(shí)程曲線(xiàn)，并分析得到每種工況下的實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)。

分析計(jì)算得出實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)為0.212，與理論計(jì)算值接近。

4 橋梁承載能力綜合評(píng)定

通過(guò)有限元軟件建立了該橋空心板有限元模型，計(jì)算跨徑19.5m，梁高0.95m，單側(cè)腹板15cm，共劃分42 個(gè)單元，43 個(gè)節(jié)點(diǎn)，主梁材料采用C40 混凝土，共16 根φs15.2 的鋼束，張拉控制應(yīng)力1395MPa，下緣配置9 根直徑16mm主筋，箍筋為4 肢直徑10mm，箍筋加密段長(zhǎng)度3.0m，間距10cm，其余部分間距15cm。

分析計(jì)算得出空心板承載能力極限狀態(tài)，城市-A 級(jí)（CJJ 11-2011）荷載作用下，跨中截面彎矩荷載效應(yīng)值1837 kN·m，截面抗力3116 kN·m。距支點(diǎn)h/2 截面剪力效應(yīng)值556 kN，截面抗力936 kN·m。箍筋變化截面剪力效應(yīng)值492 kN，截面抗力936 kN·m。

根據(jù)特殊檢測(cè)得到的承載能力惡化系數(shù)ξe、配筋混凝土結(jié)構(gòu)的截面折減系數(shù)ξc、鋼筋的截面折減系數(shù)ξs及荷載試驗(yàn)得到的Z2值，代入式（1）中，分別對(duì)空心板承載能力極限狀態(tài)跨中截面抗彎承載力及支點(diǎn)附近截面抗剪承載力進(jìn)行綜合評(píng)定。

該橋空心板跨中截面抗彎承載能力和支點(diǎn)附近截面抗剪承載能力均滿(mǎn)足城市-A級(jí)（CJJ 11-2011）要求。

5 結(jié)論

通過(guò)特殊檢測(cè)獲取橋梁缺損狀況及對(duì)其材質(zhì)狀況、狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)可評(píng)定橋梁承載能力，但該種方法存在局限性，有時(shí)難以直接反映橋梁承載能力。本文以某座市政預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支空心板梁橋?yàn)槔?，介紹基于特殊檢測(cè)與荷載試驗(yàn)的橋梁承載能力綜合評(píng)定過(guò)程，以此達(dá)到更直接更準(zhǔn)確評(píng)價(jià)橋梁承載能力的目的，以期為同類(lèi)型橋梁承載能力評(píng)定提供參考。