大跨度連續(xù)橋梁承載能力評(píng)估及病害分析

黃海彬，廖海峰，朱 磊

(1.寧波市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司 寧波市 315012；2.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司 武漢市 430010；3.西安圣天建筑工程科技有限公司 西安市 710000)

0 引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路運(yùn)輸交通量也隨之急劇增長，很多橋梁建成時(shí)間較早因此難以滿足交通需求，受到車輛荷載以及外界因素影響，橋梁結(jié)構(gòu)容易發(fā)生病害，這對(duì)于其使用安全產(chǎn)生了極大的隱患。國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了系列研究：王麗麗[1]介紹了幾種城市橋梁的檢測(cè)方法；楊承斌[2]總結(jié)分析了414座橋梁中橋面構(gòu)造以及上下部結(jié)構(gòu)的破壞形態(tài)；廖志鵬[3]分析了預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁中常見的裂縫、剝落等病害，并闡述了這一類型橋梁的加固技術(shù)要點(diǎn)；楊永杰等[4]以連續(xù)小箱梁橋梁作為研究對(duì)象，對(duì)比分析了粘貼鋼板法和粘貼碳纖維加固法的加固效果以及經(jīng)濟(jì)效益；王子強(qiáng)[5]對(duì)影響簡支空心板橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的典型病害進(jìn)行了研究，并提出了對(duì)應(yīng)的加固措施?；诖耍源罂缍冗B續(xù)梁橋作為研究對(duì)象，對(duì)其常見病害以及承載能力進(jìn)行了分析，為該橋的改造升級(jí)提供必要的依據(jù)。

1 工程背景

1.1 工程概況

某大橋全長575.1m，橋梁跨徑組合為4×30m+5×30m+5×30m+5×30m，橋梁上部結(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土簡支連續(xù)T梁，下部結(jié)構(gòu)：橋墩為圓柱式墩、橋臺(tái)為肋板式橋臺(tái)，基礎(chǔ)均采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

該橋采用的主要設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：原設(shè)計(jì)汽車荷載為公路—Ⅱ級(jí)；設(shè)計(jì)洪水頻率為100年一遇；橋面寬度為15.0m=1.5m(人行道)+12.0m(行車道)+1.5m(人行道)；地震動(dòng)峰值加速度為0.05；通航等級(jí)為Ⅵ級(jí)；主要材料為混凝土，上構(gòu)預(yù)應(yīng)力混凝土T梁C50，整體化防水混凝土C40，搭板、護(hù)欄等橋面系構(gòu)件C30，下構(gòu)墩臺(tái)蓋梁、肋板、承臺(tái)、墩柱、背墻耳墻C30，墩臺(tái)樁基C25水下混凝土，系梁C25。

1.2 安全評(píng)估方法

首先通過特殊檢查對(duì)橋梁技術(shù)狀況進(jìn)行整體評(píng)定，主要包括橋梁幾何形態(tài)參數(shù)以及結(jié)構(gòu)自振頻率檢測(cè)，對(duì)橋梁整體結(jié)構(gòu)受損情況進(jìn)行定性評(píng)估，分析橋梁結(jié)構(gòu)的完整性，為橋梁使用狀態(tài)下承載能力評(píng)定提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。然后對(duì)該橋的承載能力進(jìn)行評(píng)估，主要包括橋梁承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)以及持久狀況應(yīng)力驗(yàn)算，分析橋梁的承載能力是否滿足規(guī)范要求。最后對(duì)橋梁使用狀態(tài)下常見病害進(jìn)行了分析并提出了解決措施。

測(cè)定橋梁自振頻率，可以有效對(duì)結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)行判斷，而且可以準(zhǔn)確反饋橋梁整體結(jié)構(gòu)的可靠性以及荷載傳遞路徑。測(cè)定時(shí)采取脈動(dòng)試驗(yàn)方法，根據(jù)實(shí)測(cè)自振頻率fmi與理論計(jì)算頻率fdi兩者比值對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)剛度進(jìn)行評(píng)定。試驗(yàn)時(shí)，傳感器測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集結(jié)果見表1。

表1 脈動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果匯總表

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》(JTG/T J21—2011)中橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)以上檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，結(jié)果見表2。

表2 橋梁自振頻率評(píng)定結(jié)果表

檢測(cè)評(píng)定結(jié)果表明：脈動(dòng)試驗(yàn)測(cè)試實(shí)測(cè)豎向一階頻率為4.37Hz，比理論一階頻率3.59Hz大，比值為1.22，評(píng)定標(biāo)度值為1，說明該橋整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度處于較好狀態(tài)。

2 承載能力評(píng)估

主要針對(duì)橋梁承載能力極限狀態(tài)、正常使用使用極限狀態(tài)以及持久狀況應(yīng)力進(jìn)行評(píng)估驗(yàn)算，按照《公路預(yù)應(yīng)力混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D62—2018)對(duì)橋梁正截面、斜截面的抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、應(yīng)力以及變形進(jìn)行分析。

2.1 承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

2.1.1正截面抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算

運(yùn)營階段在基本組合下，中梁作用效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力對(duì)比結(jié)果詳見圖1。

圖1 基本組合下中梁作用效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力對(duì)比圖

表3 跨中正截面抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果表

由表3可以看出，最不利荷載組合下，邊梁、中梁最大正彎矩出現(xiàn)在跨中，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分別為1.24、1.06，邊梁、中梁正截面抗彎承載力符合《公路預(yù)應(yīng)力混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

2.1.2斜截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

運(yùn)營階段在基本荷載組合下，中梁作用效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力對(duì)比結(jié)果詳見圖2。

圖2 基本荷載組合下中梁作用效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力對(duì)比圖

支點(diǎn)斜截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果見表4。

表4 支點(diǎn)斜截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果表

由表4可以看出最不利荷載組合下，邊梁、中梁最大剪力出現(xiàn)在支點(diǎn)處，分別為935kN、1225kN，結(jié)構(gòu)安全系數(shù)分別為2.15、1.19，斜截面抗剪承載能力均滿足《公路預(yù)應(yīng)力混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》要求。

2.2 正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算

2.2.1抗裂驗(yàn)算

對(duì)橋梁正截面以及斜截面進(jìn)行抗裂驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)按照A類部分預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆構(gòu)件進(jìn)行分析。邊梁和中梁在長期荷載組合作用下上下緣最大最小正應(yīng)力及主拉應(yīng)力見圖3。

圖3 長期組合邊梁上緣最大最小正應(yīng)力圖(單位：MPa)

邊梁和中梁抗裂驗(yàn)算結(jié)果見表5。

表5 邊、中梁抗裂驗(yàn)算結(jié)果表

短期組合作用下，邊梁上緣最大正應(yīng)力出現(xiàn)在中間部分，以拋物線變化趨勢(shì)向兩端逐漸減小，邊梁下緣最大正應(yīng)力出現(xiàn)在邊梁1/4跨處，1/2跨處出現(xiàn)最小正應(yīng)力，邊梁最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在中間部分；長期組合作用下，邊梁上緣最大正應(yīng)力出現(xiàn)在中間部分，以拋物線變化趨勢(shì)向兩端逐漸減小，邊梁下緣最大正應(yīng)力出現(xiàn)在1/4跨處。短期組合作用下，中梁上緣最大正應(yīng)力出現(xiàn)在中間部分，中梁下緣最大正應(yīng)力出現(xiàn)在中梁兩端，中梁最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在中間部分；長期組合作用下，中梁上緣最大正應(yīng)力出現(xiàn)在跨中部分，中梁下緣最大正應(yīng)力出現(xiàn)在兩端。

最不利荷載組合下，邊、中梁正截面拉應(yīng)力及斜截面主拉應(yīng)力均小于規(guī)范限值。

2.2.2撓度驗(yàn)算

按照規(guī)范要求，受彎構(gòu)件其最大允許撓度在消除自重產(chǎn)生的影響后應(yīng)小于計(jì)算跨徑的1/600。撓度計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 撓度計(jì)算結(jié)果表

消除橋梁自重產(chǎn)生的影響后，邊梁、中梁的最大撓度計(jì)算結(jié)果顯示為21.5mm、38.6mm，小于限值，橋梁變形是安全的。

2.3 持久狀況應(yīng)力驗(yàn)算

對(duì)使用階段下中梁混凝土正截面以及斜截面壓應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算時(shí)，視作A類部分預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆構(gòu)件，分析結(jié)果見圖4。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)值組合中梁斜截面主壓應(yīng)力圖(單位：MPa)

邊梁和中梁應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果見表7。

表7 邊梁和中梁應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)果表

標(biāo)準(zhǔn)值組合作用下，邊梁正截面最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在中間部分，朝著兩端逐漸減??；中梁正截面最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在中間部分，向兩端逐漸減小；邊梁斜截面主壓應(yīng)力峰值出現(xiàn)在中間，向兩端逐漸降低；中梁斜截面主壓應(yīng)力峰值出現(xiàn)在中間，向兩端逐漸減??；最不利荷載組合下，邊、中梁正截面壓應(yīng)力及斜截面主壓應(yīng)力均小于規(guī)范限值，橋梁結(jié)構(gòu)是安全的。

3 病害分析

通過實(shí)地檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該橋梁使用過程中存在的主要病害為：

(1)橫隔板底部混凝土破損、鋼板外露：T梁受偏載、扭轉(zhuǎn)(支座不平)等作用時(shí)兩片梁受力不均致使橫隔板間鋼板連接的部位產(chǎn)生應(yīng)力集中，因而容易產(chǎn)生混凝土破損現(xiàn)象，建議修復(fù)后采取粘鋼板或碳纖維的方法對(duì)其進(jìn)行加固。

(2)混凝土鋼筋銹脹：鋼筋銹脹是由于施工控制不嚴(yán)，鋼筋保護(hù)層偏薄，鋼筋在外界環(huán)境的侵蝕作用下發(fā)生銹蝕；鋼筋銹蝕后體積膨脹從而使得混凝土表層產(chǎn)生脫落，對(duì)于銹蝕部分予以鑿除，鋼筋表面除銹刷保護(hù)漆，鑿除部分澆注混凝土保持其封閉性。

(3)支座開裂：支座使用年限較長，出現(xiàn)橡膠老化，產(chǎn)生裂紋。

(4)支座剪切：超載車輛較多，汽車沖擊力大導(dǎo)致支座處受剪力較大；滑動(dòng)支座安裝時(shí)未涂抹硅脂油，滑板支座滑動(dòng)不暢，易發(fā)生剪切，對(duì)于剪切比較嚴(yán)重的支座，及時(shí)進(jìn)行更換，同時(shí)對(duì)墩頂遺留的垃圾進(jìn)行清除，避免對(duì)支座受力以及變形產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

綜上所述，隨著使用時(shí)間的延長，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁發(fā)生病害的概率也會(huì)增加，這對(duì)于橋梁的技術(shù)狀況等級(jí)以及使用安全都會(huì)造成極大的影響，因此對(duì)橋梁承載能力進(jìn)行評(píng)估有著重要的意義，驗(yàn)算結(jié)果表明：橋梁在各類荷載組合作用下正截面、斜截面的承載能力、應(yīng)力以及變形符合規(guī)范，滿足正常使用要求。同時(shí)為了確保橋梁的安全使用，要定期對(duì)橋梁上部、下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢修，對(duì)常見病害及時(shí)進(jìn)行處理。