大跨徑預應力混凝土連續(xù)剛構橋承載能力評定技術研究

摘要 隨著高速公路的迅速發(fā)展和運營時間的增加，既有橋梁在運營過程中出現(xiàn)了各種結構問題，有必要對橋梁進行分析從而準確判明橋梁構件的損傷程度及原因，保證橋梁結構安全。文章在對一座大跨徑預應力混凝土連續(xù)剛構橋進行技術狀況評定的基礎上，按照相關規(guī)范引入各種檢算系數(shù)，利用有限元軟件建立計算模型，對橋梁進行了承載能力評定，可以為公路管養(yǎng)部門進行橋梁養(yǎng)護科學決策提供強有力的技術支持和服務。

關鍵詞 橋梁；構件損傷；結構安全；檢算；有限元

中圖分類號 U441 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）13-0043-04

0 引言

隨著國家在交通領域的投入持續(xù)加大，高速公路里程在快速增加，橋隧比也在持續(xù)增大。大跨徑橋梁作為路線的控制性工程，在工程建設中起著關鍵性作用[1]。對于重載交通的路段，交通量與日俱增，橋梁由于長期的超負荷運營，出現(xiàn)了各種結構問題。對于某些表面結構問題，往往只是影響橋梁結構的耐久性，通過維修處置就可以消除；而對于結構性損傷，會影響橋梁結構的承載能力，造成承載能力不能滿足原設計荷載等級要求，影響橋梁結構安全，對運營路線造成安全隱患。通過橋梁承載能力的評定，可以為公路管養(yǎng)部門進行橋梁養(yǎng)護科學決策提供強有力的技術支持和服務[2-3，6]。

1 工程概況

某特大橋為84 m+4×152 m+84 m六跨預應力混凝土變截面連續(xù)剛構橋，橋梁全長783 m；分左右幅，橋面寬24.5 m，上部結構截面形式為單箱單室箱形梁，下部結構1～4號橋墩墩梁固結，采用雙薄壁空心墩，5號橋墩采用薄壁空心墩。橋臺采用輕型埋置式橋臺，基礎采用擴大基礎。橋面鋪裝采用瀝青混凝土，汽車荷載等級為公路-Ⅰ級，該橋于2010年12月建成通車。

2 橋梁缺損與材質(zhì)狀況檢測評定

2.1 橋梁缺損檢測與評定

該橋在歷年定期檢查中發(fā)現(xiàn)的主要問題為：橋面鋪裝存在縱向裂縫、坑洞、破損；上部承重構件存在橫向裂縫、斜向裂縫、縱向裂縫，其中頂板滲水較嚴重。

2023年橋梁外觀檢查中發(fā)現(xiàn)橋面鋪裝病害數(shù)量比2022年有所增加，上部承重構件腹板存在橫向裂縫、斜向裂縫、縱向裂縫的數(shù)量有所增加，頂板滲水病害數(shù)量有所減少。

按照《公路橋梁技術狀況評定標準》（JTG/T H21—2011）[4]對該橋進行橋梁技術狀況評定：2021年左幅和右幅橋梁技術狀況等級均評定為3類；2022年對橋梁病害進行了維修處置，左幅和右幅橋梁技術狀況等級均評定為2類；2023年左幅和右幅橋梁技術狀況等級均評定為2類，其中橋梁上部結構技術狀況評定為3類，橋梁下部結構技術狀況評定為1類，橋梁橋面系技術狀況評定為3類。

該橋2023年的左幅和右幅橋梁技術狀況等級分數(shù)均較2022年有所降低，分析原因如下：豎向裂縫、斜向裂縫主要原因有預應力孔道注漿不密實，長期運營導致預應力損失；運營期超載車輛和重車較多。縱向裂縫主要原因有預應力管道注漿不密實，積水凍脹引起開裂；鋼筋保護層厚度過薄，導致沿鋼筋方向出現(xiàn)裂縫。頂板滲水主要原因有防水層破損失去保護作用；頂板混凝土澆筑不密實，在行車作用下出現(xiàn)開裂，導致降水從橋面防水層的開裂處滲入。

2.2 橋梁材質(zhì)強度檢測與評定

采用全自動數(shù)顯回彈儀，選擇主梁、橋墩進行檢測。上部結構選取6個構件，下部結構選取5個構件，共110個測區(qū)進行回彈檢測。測試的11個構件混凝土強度的實測推定值大于設計值，評定標度值均為1，測試結果表明測試的各構件混凝土強度狀況良好。

2.3 混凝土橋梁鋼筋銹蝕電位檢測與評定

鋼筋銹蝕電位檢測采用半電池電位法，選擇主梁、橋墩進行檢測，按測區(qū)銹蝕電位最低值取值。上部結構選取6個構件，下部結構選取5個構件，每個構件選取20個測點。測試的11個構件的鋼筋銹蝕電位評定標度均為1，測試結果表明測試的各構件鋼筋銹蝕活動性為不確定或無銹蝕活動性。

2.4 混凝土橋梁氯離子含量檢測與評定

在現(xiàn)場鉆孔收集混凝土粉末后，采用滴定法進行混凝土的氯離子含量檢測，選擇在主梁及橋墩進行取樣，上部結構選取6個構件，下部結構選取5個構件，每個構件選取3個測區(qū)。測試的11個構件的氯離子含量評定標度均為1，測試結果表明測試的各構件誘發(fā)鋼筋銹蝕的可能性都很小。

2.5 混凝土橋梁電阻率檢測與評定

混凝土電阻率采用四電極阻抗測量法進行測定，選擇主梁、橋墩進行檢測，按測區(qū)銹蝕電位最低值取值。上部結構選取6個構件，下部結構選取5個構件，每個構件選取30個測區(qū)。測試的11個構件的電阻率評定標度均為1，說明測試的各構件鋼筋的銹蝕速率很慢。

2.6 混凝土橋梁碳化狀況檢測與評定

混凝土碳化深度測試位置與混凝土強度測試位置一致，上部結構選取6個構件，下部結構選取5個構件，每個構件選取3個測區(qū)。測試的11個構件的碳化深度平均值在1.0～3.0 mm之間，評定標度均為1，說明碳化深度對鋼筋的銹蝕無影響。

2.7 混凝土橋梁鋼筋保護層厚度檢測與評定

混凝土鋼筋保護層厚度應采用鋼筋檢測儀進行檢測，選擇在主梁及橋墩進行測試，上部結構選取6個構件，下部結構選取5個構件，每個構件選取10個測點。11個構件的鋼筋保護層厚度評定標度在1～5之間，說明構件鋼筋易失去堿性保護，引起銹蝕。

2.8 橋梁結構自振頻率檢測與評定

橋梁結構的自振頻率不僅能夠反映橋梁結構的剛度和受力狀況，還能夠反映橋梁結構的損傷程度。該次橋梁結構自振頻率檢測評定標度為1，表明該橋測試聯(lián)的整體剛度較好。

3 橋梁承載能力檢算相關參數(shù)

按照相關規(guī)范對混凝土橋梁進行配筋，在計算反映橋梁結構承載能力狀態(tài)的抗力效應時，應根據(jù)測試結果引入計算得到的承載能力檢算系數(shù)Z1或Z2、承載能力惡化系數(shù)ξe、混凝土截面折減系數(shù)ξc、鋼筋截面折減系數(shù)ξs，活載影響修正系數(shù)ξq。承載能力的檢算系數(shù)應依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）進行取值[5]。

3.1 承載能力檢算系數(shù)Z1

按照相關規(guī)范，應考慮橋梁結構的表觀缺損狀態(tài)、材質(zhì)強度和實測自振頻率的檢測評定結果，并根據(jù)檢測結果確定結構的承載能力檢算系數(shù)評定標度D，結果見表1所示，最后按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）計算承載能力的檢算系數(shù)Z1。

根據(jù)承載能力檢算系數(shù)評定標度D的取值，則Z1=1.13。

3.2 截面折減系數(shù)ξc

按照相關規(guī)范，根據(jù)材料風化結果、結構物理與化學損傷結果、結構混凝土碳化檢測結果指標計算結構截面損傷的綜合評定標度R，最后按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）計算截面折減系數(shù)ξc，結果見表2所示。

3.3 配筋混凝土鋼筋截面折減系數(shù)ξs

對于配筋混凝土橋梁結構，應考慮橋梁結構的現(xiàn)有表觀缺損狀況、鋼筋銹蝕情況，確定配筋混凝土鋼筋的截面折減系數(shù)ξs。根據(jù)橋梁外觀檢查的評定結果，鋼筋截面的折減系數(shù)ξs取值為0.98。

3.4 配筋混凝土橋梁承載能力惡化系數(shù)ξe

按照相關規(guī)范，對于配筋混凝土橋梁，應綜合考慮橋梁結構表觀缺損狀況、鋼筋銹蝕電位、混凝土電阻率、混凝土碳化情況、鋼筋保護層厚度、氯離子含量等的測試結果、混凝土強度，確定配筋混凝土橋梁的承載能力惡化系數(shù)ξe，結果見表3所示。

按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）惡化系數(shù)ξe為0.066。

3.5 活載影響修正系數(shù)ξq

根據(jù)調(diào)查的近年來通過該橋的典型代表交通量結果、大噸位車輛混入率結果和軸荷分布情況，該橋的活載影響修正系數(shù)ξq取值為1.06。

4 有限元計算模型與檢算結果

4.1 有限元計算模型

該橋檢算采用Midas Civil 2021橋梁專用計算軟件建立的有限元模型進行計算，模型見圖1所示。

依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011），對于預應力混凝土橋梁的承載能力極限狀態(tài)應根據(jù)橋梁檢測結果按照下式進行計算[6-7]：

γ0S≤R（ fd，ξcadc，ξsads）Z1（1?ξe） （1）

式中，γ0——結構的重要性系數(shù)；S——荷載效應函數(shù)；R（·）——結構的抗力效應函數(shù)；fd——結構材料的強度設計值；adc——結構構件混凝土的幾何參數(shù)值；ads——結構構件鋼筋的幾何參數(shù)值。

4.2 主梁正截面抗彎檢算結果

選取主梁最不利彎矩截面進行正截面抗彎的承載能力檢算，根據(jù)承載能力檢算公式，其內(nèi)力組合值及對應截面抗力計算結果見表4所示。

由表4可知，主梁最不利截面抗彎檢算結果的效應與抗力比值在0.58～0.77之間，說明主梁抗彎性能良好，滿足規(guī)范要求。

4.3 主梁斜截面抗剪檢算結果

主梁關鍵截面剪力組合值及對應截面抗剪承載能力計算結果見表5所示。

由表5可知，主梁關鍵截面抗剪檢算結果的效應與抗力比值在0.59～0.81之間，說明主梁抗剪性能良好，滿足規(guī)范要求。

4.4 正截面抗裂檢算結果

按照相關規(guī)范，在短期作用效應組合下，全預應力混凝土構件應符合以下要求：對于分段澆筑的縱向分塊構件：

σst?0.8σpc≤0 （2）

式中，σst——荷載作用短期效應組合下結構構件抗裂驗算時，結構邊緣的混凝土法向拉應力；σpc——扣除結構全部預應力損失后的預加力在構件抗裂驗算時，結構邊緣的混凝土預壓應力。

根據(jù)檢算結果，除梁端截面，主梁上緣和下緣均未出現(xiàn)拉應力，正截面抗裂滿足相關規(guī)范要求。

4.5 斜截面抗裂檢算結果

按照相關規(guī)范，在作用短期效應組合下，全預應力混凝土構件應符合下列條件：現(xiàn)場澆筑（包括預制拼裝）構件：

σtp≤0.4×Z1×ftk （3）

式中，σtp——荷載作用短期效應組合和預加力產(chǎn)生的混凝土主拉應力；ftk——混凝土的抗拉強度標準值；Z1——承載能力檢算系數(shù)。

根據(jù)檢算結果，主梁主拉應力最大為0.386 MPa＜0.4×Z1×ftk=0.4×1.13×2.85 MPa=1.288 MPa，說明斜截面抗裂滿足規(guī)范要求。

5 結論

在橋梁技術狀況評定的基礎上，按照相關規(guī)范，對橋梁缺損與材質(zhì)狀況進行了檢測評定，并引入橋梁承載能力檢算系數(shù)，利用有限元軟件進行了建模計算，分別對主梁正截面抗彎、主梁斜截面抗剪、正截面抗裂、斜截面抗裂進行了分析，檢算結果滿足原設計荷載等級要求。

大跨徑橋梁作為路線的控制性工程，在工程建設中起著關鍵性作用。隨著交通量與日俱增，對于重載交通的路段，橋梁由于長期的超負荷運營，導致出現(xiàn)了結構性損傷，會影響橋梁的結構安全，對運營造成安全隱患。為此，應綜合考慮橋梁現(xiàn)有技術狀況，在橋梁結構出現(xiàn)嚴重病害且難以判明構件損傷原因及程度時，對其進行承載能力的檢測評定[8]，可以為公路管養(yǎng)部門進行橋梁養(yǎng)護科學決策提供強有力的技術支持和服務。

參考文獻

[1]馮永航. 服役公路橋梁承載能力評定探析[J]. 黑龍江交通科技， 2021（1）： 114-116.

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[3]姚方舟， 劉國梁， 龍軍. 運營期橋梁承載能力評定方法研究[J]. 湖南安全與防災， 2021（6）： 56-58.

[4]公路橋梁技術狀況評定標準： JTG / T H21—2011[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[5]公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程：JTG/T J21—2011[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[6]吳秀娟. 某既有鋼筋混凝土預應力橋梁承載能力評定研究[J]. 工程技術研究， 2023（23）： 14-16.

[7]王超. 高速公路橋梁承載能力檢測評定技術[J]. 工程質(zhì)量， 2023（6）： 95-98.

[8]公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范： JTG 5120—2021[J]. 北京：人民交通出版股份有限公司， 2021

收稿日期：2024-02-22

作者簡介：魏鑫（1983—），男，碩士，高級工程師，研究方向：工程結構檢測及分析應用。

基金項目：山西省交通建設工程質(zhì)量檢測中心（有限公司）科技創(chuàng)新項目“既有大跨徑連續(xù)剛構和連續(xù)梁橋病害成因分析及維修加固技術研究”（23-JCKJ-01）；山西工程科技職業(yè)大學校級基金“三維激光點云智能建造技術研究與應用”（KJ202320）。