既有空心板橋承載能力評(píng)估探究

吳宇晟 楊斌 朱沈陽(yáng)

（1.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210000；2.江蘇華通工程檢測(cè)有限公司，江蘇 南京 210000）

一、引言

空心板橋具有橋型簡(jiǎn)單、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在公路中小型橋梁中應(yīng)用廣泛。但在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，橋梁結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)不同程度的病害，危及板梁的承載能力。因此正確評(píng)估舊橋?qū)嶋H承載能力，可以提高既有橋梁維修加固的科學(xué)合理性[1]?；诂F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修正模型，將進(jìn)一步提高模型的準(zhǔn)確性，提升計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)度。

二、橋梁概況

京滬高速公路某中橋上部結(jié)構(gòu)為3×16m預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁，下部結(jié)構(gòu)為柱式墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，橋梁2#孔跨河。橋面鋪裝為10cm厚現(xiàn)澆混凝土調(diào)平層+9cm厚瀝青混凝土組成。橋面縱坡i1=0.457%，i2=-0.556%，斜交角度θ=45°。橋梁1#、2#墩為TCYB型冠狀圓板式橡膠支座D×H=200mm×48mm；0#、3#臺(tái)帽頂支座采用TCYBF4圓板式滑板支座D×H=200mm×48mm。

進(jìn)行環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)之前，對(duì)該橋進(jìn)行外觀檢查。該橋分左右兩幅，左幅上部結(jié)構(gòu)整體情況良好，技術(shù)狀況評(píng)定為1類；下部結(jié)構(gòu)整體情況良好，技術(shù)狀況評(píng)定為1類；橋面系有1處伸縮縫裝置混凝土破損，面積約為0.02m2，技術(shù)狀況評(píng)定為2類。右幅上部結(jié)構(gòu)板梁存在斜向裂縫共1條，總長(zhǎng)約為0.5m，縫寬為0.1mm，板梁鋼筋銹脹共1處，長(zhǎng)約0.1m，技術(shù)狀況評(píng)定為2類；下部結(jié)構(gòu)蓋梁鋼筋銹脹共2處，總長(zhǎng)約0.6m，技術(shù)狀況評(píng)定為1類；橋面系整體情況良好，未見明顯病害，技術(shù)狀況評(píng)定為1類。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果，本橋技術(shù)狀況較為良好，全橋技術(shù)狀況等級(jí)評(píng)定為1類。本橋已采用了碳纖維修補(bǔ)、砂漿涂抹的修補(bǔ)加固方式，外觀質(zhì)量良好，加固效果良好，總體維修加固質(zhì)量評(píng)價(jià)為良好。

三、模型建立及修正

環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)選擇該中橋左幅（3×16m）作為測(cè)試跨，各跨測(cè)點(diǎn)布置按照八等分布置，試驗(yàn)按照測(cè)站組號(hào)依次進(jìn)行，分別測(cè)量主梁豎向、橫向、縱向的加速度時(shí)程，測(cè)量完畢后將設(shè)備移至下一測(cè)站，重復(fù)上述步驟，直至測(cè)量工作結(jié)束。

通過(guò)MACEC結(jié)構(gòu)模態(tài)分析軟件對(duì)獲得的橋跨結(jié)構(gòu)基本動(dòng)力參數(shù)，如自振頻率、阻尼比及固有振型進(jìn)行譜分析，根據(jù)自相關(guān)譜、互相關(guān)譜、各點(diǎn)相位及相干系數(shù)確定各階頻率，根據(jù)模態(tài)分析法識(shí)別阻尼比參數(shù)，計(jì)算各階模態(tài)阻尼，通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的傳遞函數(shù)分析來(lái)確定各測(cè)點(diǎn)的相對(duì)幅值大小和相位，從而得出橋梁結(jié)構(gòu)的各階振型。

采用有限元結(jié)構(gòu)分析通用軟件ANSYS建立有限元模型，建立實(shí)體模型。模型采用笛卡爾三軸坐標(biāo)?？招陌濉⒒炷连F(xiàn)澆層等采用solid45單元模擬，瀝青鋪裝層及護(hù)欄采用mass21質(zhì)量單元模擬，實(shí)橋兩側(cè)豎向、橫向和縱向約束狀況采用combin14模擬，預(yù)應(yīng)力鋼筋采用link8單元模擬，共有節(jié)點(diǎn)13816個(gè)、單元11900個(gè)。

利用三階響應(yīng)面模型對(duì)初始有限元模型進(jìn)行參數(shù)修正，得到反映當(dāng)前工作狀態(tài)相對(duì)準(zhǔn)確的模型。通過(guò)環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，得到中橋豎向3階、橫向2階、縱向1階及扭轉(zhuǎn)4階的頻率和振型。實(shí)測(cè)和計(jì)算頻率吻合較好，除高階扭轉(zhuǎn)外，誤差均在5%以內(nèi)，且實(shí)測(cè)和計(jì)算的振型吻合良好，MAC值都在85%以上。

四、承載能力驗(yàn)算

（一）承載能力極限狀態(tài)

把通過(guò)動(dòng)力修正后的實(shí)體模型效應(yīng)與采用橫向分布系數(shù)法的傳統(tǒng)桿系模型效應(yīng)值進(jìn)行比對(duì)，并對(duì)各結(jié)構(gòu)抗力進(jìn)行驗(yàn)算[2]。驗(yàn)算時(shí)采用《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）規(guī)定的公路-I級(jí)荷載等級(jí)，根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范、承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程進(jìn)行既有橋梁的承載能力評(píng)估驗(yàn)算。

計(jì)算分析時(shí)考慮既有橋梁健康狀況及新拓寬結(jié)構(gòu)對(duì)既有橋梁承載能力的影響。折減系數(shù)計(jì)算各項(xiàng)參數(shù)取值如下：結(jié)構(gòu)缺損取2，混凝土強(qiáng)度取1，鋼筋銹蝕電位取1，氯離子含量取1，電阻率取1，保護(hù)層厚度取2，碳化深度取1，材料風(fēng)化取1，物理化學(xué)損傷自振頻率取1，簡(jiǎn)算系數(shù)評(píng)定標(biāo)度D取1.4，考慮到梁體維修情況，Z1取1.03，惡化狀況定標(biāo)度E取1.44，惡化系數(shù)取0.029，Z1×(1-ξe)取1。分別使用基于動(dòng)力修正的實(shí)體模型和桿系模型計(jì)算分析橋梁作用效應(yīng)與結(jié)構(gòu)抗力，結(jié)果如表1、表2所示。

表1 現(xiàn)行公路-I級(jí)荷載組合作用下16m空心板梁抗彎承載能力驗(yàn)算

表2 現(xiàn)行公路-I級(jí)荷載組合作用下16m空心板梁抗剪承載能力驗(yàn)算

由表1、表2可知，基于動(dòng)力修正的實(shí)體模型16m空心板梁驗(yàn)算截面的抗彎承載能力、抗剪承載能力均滿足新規(guī)范要求。基于動(dòng)力修正的實(shí)體模型效應(yīng)值較采用橫向分布系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算的桿系模型效應(yīng)值小約6%～9.5%左右，這是由于其更精確地模擬了邊界約束條件，而橫向分布系數(shù)法則偏于安全的近似解。

（二）正常使用極限狀態(tài)

針對(duì)空心板橋在正常使用極限狀態(tài)下的變形進(jìn)行驗(yàn)算。由于該橋的橫向連接不確定，故采用修正后的ANSYS模型計(jì)算出撓度影響面，根據(jù)影響面加載，對(duì)跨中撓度進(jìn)行驗(yàn)算。

驗(yàn)算采用《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60-2015）的公路-I級(jí)車道荷載。在橋面各節(jié)點(diǎn)依次分別施加集中荷載，按順序逐次提取關(guān)注位置的撓度值，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果做出各關(guān)注位置撓度影響面圖，參照撓度影響面圖的正負(fù)分布情況，為活載布載提供參考，如圖1、圖2所示。

圖1 中梁跨中撓度影響

圖2 邊梁跨中撓度影響面

根據(jù)《鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）和《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3362-2018），計(jì)算預(yù)應(yīng)力混凝土受彎構(gòu)件最大撓度應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)組合，撓度值扣除自重及預(yù)應(yīng)力影響，且汽車荷載不計(jì)入沖擊系數(shù)，即采用1.0倍汽車荷載加載。在ANSYS中按影響面加載完成后，得出中梁跨中最大撓度為3.51mm，邊梁跨中最大撓度為4.79mm，最大撓度驗(yàn)算均小于新規(guī)范允許值26.6mm，滿足規(guī)范要求。

五、結(jié)語(yǔ)

利用環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果修正橋梁實(shí)體模型，進(jìn)行橋梁承載能力檢算，并與桿系模型計(jì)算結(jié)果做對(duì)比，驗(yàn)證了方法的可靠性；基于動(dòng)力修正的實(shí)體模型效應(yīng)值相較于采用橫向分布系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算的桿系模型效應(yīng)值小約6%～9.5%左右，這是由于其更精確地模擬了邊界約束條件，而橫向分布系數(shù)法則偏于安全的近似解。