曾漢輝

(廣東華路交通科技有限公司，廣東廣州 510420)

0 引言

隨著交通量急速增長，超限車輛的荷載效應超過公路橋梁的設(shè)計等級;另一方面，原有橋梁的設(shè)計標準偏低，因老化、破損難以適應公路運輸需要。如何評價在役橋梁的承載能力，準確的評估構(gòu)造物的損傷程度，具有重要意義。

1 工程背景

石碣大橋新橋位于東莞石碣鎮(zhèn)，全橋總長658.8 m，跨徑組合為:3×20 m+2×9.7 m(南引橋)+6×72.4 m+45 m(主橋)+4×25 m(北引橋)，其中主橋為6×72.4 m+45 m為單箱單室預應力混凝土變截面連續(xù)箱梁。主橋立面圖見圖1。

圖1 石碣大橋主橋立面圖

2 承載能力分析思路

本次進行石碣大橋的承載能力工作的思路如圖2所示，主要從以下幾方面進行:

1)檢測評估:采用無損檢測方法，對結(jié)構(gòu)混凝土進行全面測試，為橋梁結(jié)構(gòu)承載能力檢算模型的參數(shù)修正提供參考;2)應用橋梁計算分析專用軟件，對橋梁進行結(jié)構(gòu)驗算，根據(jù)實際的荷載情況和結(jié)構(gòu)性能，分析橋梁的受力狀態(tài);3)應用橋梁計算分析專用軟件，對橋梁進行結(jié)構(gòu)驗算，根據(jù)實際的荷載情況和結(jié)構(gòu)性能，分析橋梁的受力狀態(tài)。

圖2 承載能力流程圖

3 混凝土連續(xù)箱梁檢測評估工作

3.1 混凝土強度檢測

本次檢測采用超聲—回彈綜合法，隨機對3號跨箱梁、9號跨箱梁部位選取30個測區(qū)，其檢測結(jié)果見表1。根據(jù)JTG/T J21-2011公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程(以下簡稱《評定規(guī)程》)的評定規(guī)定，箱梁與橋墩的混凝土強度的狀態(tài)均為較好，其評定標度為2(見表1)。

表1 混凝土強度數(shù)據(jù)匯總表

3.2 混凝土碳化深度檢測

本次預應力混凝土箱梁的碳化深度基本上在0 mm～1.0 mm之間，均小于其凈保護層厚最小值，這說明構(gòu)件中的混凝土碳化對堿性混凝土環(huán)境破壞不大，該橋的混凝土狀態(tài)為良好，其評定標度為1。

3.3 鋼筋銹蝕電位檢測

本次采用半電池電位法對混凝土連續(xù)箱梁檢測，結(jié)果表明:連續(xù)箱梁的鋼筋銹蝕電位平均值介于-50 mV～-100 mV之間，各測區(qū)的鋼筋銹蝕狀態(tài)基本上為無銹蝕活動性或銹蝕活動性不確定，評定標度為1。

3.4 混凝土氯離子含量檢測

對混凝土連續(xù)箱梁的取樣的混凝土粉末中氯離子含量的測試結(jié)果，該橋的混凝土中氯離子含量均小于0.15%。表明氯離子誘發(fā)鋼筋銹蝕的可能性很小，該項指標的評定標度為1。

3.5 混凝土電阻率檢測

對混凝土連續(xù)箱梁測試結(jié)果表明，各測區(qū)的混凝土電阻率均大于20 kΩ·cm，表明混凝土電阻率對鋼筋銹蝕影響很慢，測區(qū)評定標度為1。

3.6 混凝土鋼筋保護層厚度

對混凝土連續(xù)箱梁測試結(jié)果表明，腹板鋼筋保護層厚度基本滿足要求，但底板保護層偏薄，且均勻性較差。各構(gòu)件檢測結(jié)果主要為有影響不顯著和鋼筋易失去堿性保護，發(fā)生銹蝕兩類。根據(jù)《評定規(guī)程》的評定規(guī)定，按最不利原則考慮，其評定標度取為5。

4 承載能力各項系數(shù)的確定

4.1 結(jié)構(gòu)承載能力惡化系數(shù)

根據(jù)上述對石碣大橋新橋各檢測評估的測試結(jié)果，綜合得到結(jié)構(gòu)惡化狀況評定值E如表2所示。

表2 承載能力惡化狀況評定值E

根據(jù)石碣大橋新橋橋址的環(huán)境特征，該橋的環(huán)境條件為“干、濕交替、凍、有侵蝕性介質(zhì)”，根據(jù)《評定規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，其承載能力惡化系數(shù)取0.076。

4.2 結(jié)構(gòu)截面折減系數(shù)

根據(jù)本次的檢測結(jié)果，確定石碣大橋新橋的截面損傷評定標度如表3所示。

根據(jù)截面損傷評定標度值R確定得ξc取0.99。

4.3 活載影響修正系數(shù)

根據(jù)石碣大橋新橋?qū)嶋H運營車輛的現(xiàn)場察看，該橋上運營車輛主要以小型客車為主，超載車輛較少，故取活載影響修正系數(shù)為 1.0。

表3 混凝土截面損傷評定標度R

4.4 承載能力檢算系數(shù)

表4 檢算系數(shù)評定指標

由表4可知，本次檢測未進行結(jié)構(gòu)的自振頻率檢測，根據(jù)經(jīng)驗按保守估計，按照該橋的實測自振頻率與理論頻率相同考慮，按照評定規(guī)程的有關(guān)規(guī)定，取模態(tài)參數(shù)的評定標度為2。

根據(jù)以上的評定結(jié)果，按《評定規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，取承載力檢算系數(shù)為1.10。

5 混凝土連續(xù)梁橋承載能力分析

橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力分析主要依據(jù)竣工圖紙，并結(jié)合現(xiàn)場檢測評估情況，著重對結(jié)構(gòu)主要控制截面、結(jié)構(gòu)薄弱截面進行檢算。本橋的承載能力評定按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用承載能力極限狀態(tài)法計算，首先對橋跨結(jié)構(gòu)進行計算分析，并在檢測結(jié)果的基礎(chǔ)上確定承載能力檢算系數(shù)、惡化系數(shù)、截面折減系數(shù)和活載影響修正系數(shù)的合理取值，然后對橋梁的承載能力作出評定。

5.1 計算模型

本橋采用平面桿系有限元法建立了連續(xù)箱梁的二維有限元模型，全橋共有節(jié)點173個，單元172個，分析模型見圖3。

圖3 石碣大橋新橋模型圖

5.2 計算荷載與組合

一般質(zhì)量檢查結(jié)果表明，預應力混凝土連續(xù)箱梁未出現(xiàn)嚴重影響其承載能力的質(zhì)量缺陷和病害，這里針對上部主要承重構(gòu)件的承載能力檢算按完好構(gòu)件進行驗算。

按汽車—20級，掛—100，人群3.5 kN/m2，系統(tǒng)升降溫20℃，荷載組合根據(jù)橋規(guī)(JTJ 021-89，JTJ 022-85)的規(guī)定，考慮以下三種組合進行截面驗算。

荷載組合Ⅰ:恒載+汽—20+人群;

荷載組合Ⅱ:恒載+汽—20+人群+升降溫20℃ +溫度梯度(規(guī)范BS5400模式)。

荷載組合Ⅲ:恒載+掛—100。

在進行荷載組合計算的過程中，同時考慮結(jié)構(gòu)折減系數(shù)與檢算系數(shù):

1)承載能力惡化系數(shù)取0.076;2)截面損傷折減系數(shù)取0.99;3)鋼筋腐蝕的截面折減系數(shù)取1.0;4)活載影響修正系數(shù)取1.0;5)承載力檢算系數(shù)取1.10。

5.3 計算結(jié)果

本次驗算嚴格按照竣工圖紙所述的橋梁結(jié)構(gòu)施工階段，準確的模擬橋梁結(jié)構(gòu)的各個施工過程，并綜合考慮目前橋梁的實際工作狀態(tài)，對其進行正常使用狀態(tài)下應力和承載能力極限狀態(tài)下強度的驗算，驗算結(jié)果如下。

5.3.1 正常使用狀態(tài)下應力驗算

正常使用狀態(tài)下預應力混凝土連續(xù)箱梁截面的上下緣的最大和最小正應力及其最大主拉應力和主壓應力如圖4，圖5所示。

圖4 正常使用狀態(tài)下不同組合下主梁上下緣最大和最小正應力圖

圖5 正常使用狀態(tài)下不同組合下主梁最大主壓應力和最大主拉應力圖

從圖4，圖5我們可以得到以下結(jié)論:

1)荷載組合Ⅰ下，主梁最大壓應力為13.4 MPa，且上下緣未出現(xiàn)拉應力;最大主壓應力為14.2 MPa，最大主拉應力較小，不超過-2.4 MPa，滿足預應力混凝土A類構(gòu)件的要求。

2)荷載組合Ⅱ下，主梁最大壓應力為16.8 MPa，最大拉應力為-1.66 MPa;最大主壓應力為14.10 MPa，最大主拉應力 -1.66 MPa，不超過-2.7 MPa，滿足預應力混凝土A類構(gòu)件的要求。

3)荷載組合Ⅲ下，主梁最大正應力為11.88 MPa，且上下緣未出現(xiàn)拉應力;最大主壓應力為12.14 MPa，最大主拉應力較小，不超過-2.7 MPa，滿足預應力混凝土A類構(gòu)件的要求。

5.3.2 承載能力極限狀態(tài)下截面強度驗算

承載能力極限狀態(tài)下混凝土連續(xù)箱梁截面的上下緣的最大和最小正應力及其最大主拉應力和主壓應力如圖6～圖8所示。

如圖6～圖8中，我們可以得到以下結(jié)論:

1)荷載組合Ⅰ下，全梁各截面的強度系數(shù)均大于1，截面強度滿足要求，各主要驗算截面中，最大正彎矩強度系數(shù)最小位于3號跨0.4L截面處，其值為1.139，最大負彎矩強度系數(shù)最小位于5號墩頂截面處，其值為1.077。表明結(jié)構(gòu)墩頂及部分跨中截面強度富裕量較小。

2)荷載組合Ⅱ下，全梁各截面的強度系數(shù)均大于1，截面強度滿足要求，各主要驗算截面中，最大正彎矩強度系數(shù)最小位于33號跨0.4L截面處，其值為1.139，最大負彎矩強度系數(shù)最小位于5號墩頂截面處，其值為1.077。表明結(jié)構(gòu)墩頂及部分跨中截面強度富裕量較小。

3)荷載組合Ⅲ下，全梁各截面的強度系數(shù)均大于1，截面強度滿足要求，各主要驗算截面中，最大正彎矩強度系數(shù)最小位于3號跨0.4L截面處，其值為1.401，最大負彎矩強度系數(shù)最小位于5號墩頂截面處，其值為1.357。

圖6 承載能力極限狀態(tài)下組合 Ⅰ下截面最大內(nèi)力和最小內(nèi)力及相應抗力圖

圖7 承載能力極限狀態(tài)下組合Ⅱ 下截面最大內(nèi)力和最小內(nèi)力及相應抗力圖

圖8 承載能力極限狀態(tài)下組合Ⅲ 下截面最大內(nèi)力和最小內(nèi)力及相應抗力圖

6 結(jié)語

本文通過對石碣大橋新橋(預應力混凝土連續(xù)箱梁)進行檢測評估，進而取得各項系數(shù)的取值，對其承載能力的計算與分析，可以得到以下基本結(jié)論:

1)對該橋的正常使用極限狀態(tài)組合應力的驗算，結(jié)果表明，該橋各截面的應力均滿足規(guī)范要求。

2)對該橋的承載極限狀態(tài)下各截面強度的驗算，結(jié)果表明，該橋各截面的強度均滿足規(guī)范要求，但墩頂及部分跨中截面強度的富裕量較小。

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[3] 沈大元.既有橋梁承載力評定的方法[C].全國橋梁結(jié)構(gòu)學術(shù)大會，1992.