吳福坦

(福州市公路局，福建福州 350002)

永泰嵩口大橋位于福建省永泰縣嵩口鎮(zhèn)郊區(qū)，縣道125線K51+836處，全長(zhǎng)182.45 m。該橋加固之前的上部結(jié)構(gòu)采用8×22.16 m鋼筋混凝土T梁結(jié)構(gòu)，下部墩臺(tái)采用實(shí)心重力式漿砌料石墩，漿砌塊石橋臺(tái)。第一次加固是采用在原有5片T梁之間增設(shè)4片新T梁的加固方法，加固之后公路等級(jí)為Ⅳ級(jí)，橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅱ級(jí)。橋梁病害主要是新梁裂縫比較多，而老梁裂縫表面基本未發(fā)現(xiàn)新裂縫，因此，需對(duì)其開(kāi)展相應(yīng)的驗(yàn)證分析。根據(jù)橋梁靜動(dòng)載荷載試驗(yàn)、裂縫觀測(cè)及承載能力檢算分析，并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料及經(jīng)驗(yàn)，對(duì)T梁承載能力及病害成因進(jìn)行分析。嵩口大橋第一次加固后橫斷面圖見(jiàn)圖1。

圖1 嵩口大橋第一次加固后橫斷面圖（單位：cm）

1 檢測(cè)內(nèi)容

本文主要檢測(cè)內(nèi)容包括:靜動(dòng)載荷載試驗(yàn)、裂縫發(fā)展?fàn)顩r檢測(cè)評(píng)估、承載能力檢算。

1.1 靜載試驗(yàn)

根據(jù)橋型特點(diǎn)及試驗(yàn)?zāi)康?，按照?guī)范規(guī)定及計(jì)算模型分析，設(shè)計(jì)采用對(duì)稱加載(工況1)和偏心加載(工況2)兩種工況對(duì)該橋第三跨跨中截面最大正彎矩和最大豎向撓度效應(yīng)進(jìn)行測(cè)試。其中應(yīng)變傳感器和撓度測(cè)點(diǎn)布置分別如圖2，圖3所示。

圖2 跨中截面應(yīng)變計(jì)測(cè)點(diǎn)布置圖（單位：cm）

1.2 動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)載試驗(yàn)包括脈動(dòng)試驗(yàn)和車輛激勵(lì)試驗(yàn)。選取第一、二及三跨進(jìn)行脈動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等動(dòng)力學(xué)特征，傳感器布置如圖4所示;選取第三跨進(jìn)行車輛激勵(lì)試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)構(gòu)在不同車速情況下的動(dòng)力響應(yīng)，動(dòng)應(yīng)變測(cè)試傳感器布置如圖5所示。

圖3 跨中截面上撓度測(cè)點(diǎn)示意圖（單位：cm）

圖4 脈動(dòng)試驗(yàn)傳感器布置示意圖（單位：cm）

1.3 裂縫發(fā)展?fàn)顩r評(píng)估檢測(cè)

在荷載作用下，對(duì)典型的且滿足檢測(cè)條件的現(xiàn)場(chǎng)裂縫的長(zhǎng)度及走向、寬度、深度等進(jìn)行測(cè)試，采集現(xiàn)場(chǎng)裂縫的變形狀況和開(kāi)裂數(shù)據(jù)，以此評(píng)估裂縫在荷載作用下的發(fā)展?fàn)顩r。

1.4 承載能力檢算

根據(jù)實(shí)際橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，其計(jì)算荷載及相關(guān)參數(shù)按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行取值;當(dāng)參數(shù)未明確時(shí)，參考相關(guān)規(guī)范予以考慮。通過(guò)對(duì)其承載能力進(jìn)行檢算，評(píng)估橋梁現(xiàn)有承載能力能否滿足設(shè)計(jì)荷載要求。橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算采用橋梁博士3.2有限元軟件，將結(jié)構(gòu)離散為30個(gè)單元，31個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖5 動(dòng)應(yīng)變測(cè)試傳感器布置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 靜載試驗(yàn)

2.1.1 應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

第三跨跨中截面在對(duì)稱加載(工況1)和偏心加載(工況2)兩種工況下的應(yīng)變數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)表1中數(shù)據(jù)可知，各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)變值基本小于理論值，應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)均小于1.0，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。另外，計(jì)算應(yīng)變基本符合平截面假定，中性軸基本位于頂板的下方，即頂板基本都處于受壓狀態(tài)。在試驗(yàn)荷載作用下，各T梁測(cè)試截面腹板測(cè)點(diǎn)應(yīng)變分布趨勢(shì)和理論一致。因裂縫的存在，應(yīng)變分布沿截面高度方向上局部有突變。

表1 第三跨跨中截面混凝土應(yīng)變值 με

2.1.2 位移數(shù)據(jù)分析

位移數(shù)據(jù)如表2所示，主梁的撓度向下為負(fù)值。由表2中數(shù)據(jù)可知，最大實(shí)測(cè)撓度是在偏心加載時(shí)，其值為7.5 mm，即撓跨比為1/2 949，滿足規(guī)范(JTG D60-2004)規(guī)定的1/600的要求;在各工況荷載作用下，各測(cè)點(diǎn)撓度的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值較為接近，變化規(guī)律基本相同，撓度校驗(yàn)系數(shù)在0.85～1.01之間，說(shuō)明橋梁該跨的整體剛度滿足要求。

2.1.3 殘余變形分析

通過(guò)計(jì)算所得的相對(duì)殘余變形數(shù)據(jù)如表3所示。從表3中可知，測(cè)試斷面卸載后其相對(duì)殘余變形均在《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》規(guī)定的20%范圍以內(nèi)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形基本能夠得以恢復(fù)，表明結(jié)構(gòu)基本處于線彈性狀態(tài)。

2.2 動(dòng)載試驗(yàn)

2.2.1 脈動(dòng)試驗(yàn)

表2 第三跨各控制截面撓度值 mm

表3 第三跨跨中截面各測(cè)點(diǎn)相對(duì)殘余變形表

典型測(cè)點(diǎn)測(cè)試所得的脈動(dòng)時(shí)程曲線，如圖6所示。對(duì)脈動(dòng)時(shí)程曲線進(jìn)行傅立葉變換，得到加速度頻譜圖(如圖7所示)，從而得出結(jié)構(gòu)的豎向頻率。通過(guò)環(huán)境振動(dòng)試驗(yàn)和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，共得到每一跨的豎向3階的頻率和振型，如表4所示。可以看出，實(shí)測(cè)頻率和計(jì)算頻率吻合較好，實(shí)測(cè)和計(jì)算的振型吻合較好;各跨頻率相差較小，說(shuō)明各跨的剛度相近。

圖6 典型測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)時(shí)程曲線

圖7 典型測(cè)點(diǎn)的頻譜分析

表4 豎向?qū)崪y(cè)頻率

2.2.2 激勵(lì)試驗(yàn)

利用無(wú)障礙行車試驗(yàn)測(cè)定橋梁結(jié)構(gòu)在運(yùn)行車輛的狀態(tài)下的動(dòng)力反應(yīng)，測(cè)量各控制截面在不同車速下的沖擊系數(shù)。

從不同車速激振下的動(dòng)應(yīng)變時(shí)程曲線分析得到實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)如表5所示。第三跨跨中T梁的沖擊系數(shù)μ在0.07～0.28，均小于JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范中規(guī)定的設(shè)計(jì)理論值μc(0.29)，即車速為10 km/h～40 km/h的車輛對(duì)第三跨跨中T梁的沖擊基本正常。

表5 不同車速下的沖擊系數(shù)

2.3 裂縫發(fā)展?fàn)顩r評(píng)估檢測(cè)

梁體主要裂縫寬度如表6所示，每個(gè)梁體取其中典型裂縫作為代表。試驗(yàn)前的腹板兩側(cè)典型裂縫展開(kāi)圖如圖8所示。由此可知:

1)在靜載試驗(yàn)前，新梁已產(chǎn)生大量裂縫且存在超限貫通裂縫，而老梁表面裂縫已修補(bǔ);施加荷載之后，新梁不僅產(chǎn)生少許新的裂縫而且還有原有裂縫的擴(kuò)展，老梁基本沒(méi)有新裂縫產(chǎn)生;

2)施加荷載之前，新梁有一部分裂縫已超限，最大裂縫寬度為0.50 mm;施加荷載之后，新梁最大裂縫寬度為0.80 mm，且裂縫基本均超過(guò)規(guī)范允許的0.20 mm，會(huì)影響橋梁安全使用和耐久性能。卸載后，新梁大部分裂縫均可恢復(fù)到初始狀態(tài)，說(shuō)明橋梁承載力能滿足要求。

表6 梁體主要裂縫寬度記錄表 mm

圖8 第三跨梁腹板兩側(cè)裂縫圖

2.4 結(jié)構(gòu)承載能力驗(yàn)算結(jié)果

參考相關(guān)規(guī)范通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)算T梁承載能力，驗(yàn)算結(jié)果表明橋承載能力能滿足公路—Ⅱ級(jí)荷載等級(jí)要求。

3 T梁主要病害成因分析

T梁主要存在裂縫病害，通過(guò)對(duì)其病害成因進(jìn)行分析討論，可以得出以下結(jié)論:1)超設(shè)計(jì)荷載的重載、超載車輛的作用是T梁裂縫產(chǎn)生的主要原因。根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)承載能力可以滿足公路Ⅱ級(jí)荷載要求，但不能滿足公路Ⅰ級(jí)荷載要求。在長(zhǎng)期超載作用下，裂縫會(huì)不斷發(fā)展，影響橋梁安全使用和耐久性;2)實(shí)測(cè)荷載橫向分布系數(shù)值比理論計(jì)算值略大。荷載橫向分布系數(shù)越大，其承受的荷載作用也越大，使用過(guò)程中也更容易產(chǎn)生裂縫。而且，該橋長(zhǎng)期存在超出設(shè)計(jì)荷載等級(jí)的重型、超載車輛等荷載作用，導(dǎo)致T梁混凝土開(kāi)裂較為嚴(yán)重，尤其以2號(hào)和8號(hào)T梁裂縫情況最為嚴(yán)重;3)局部保護(hù)層厚度偏小也是結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的原因之一。由于局部鋼筋過(guò)為密集，使保護(hù)層混凝土與內(nèi)部混凝土隔開(kāi)，使得鋼筋保護(hù)層厚度偏小，混凝土層較薄，無(wú)法承擔(dān)梁體的總體變形，造成混凝土開(kāi)裂。

另外，新梁裂縫較多而老梁基本未發(fā)現(xiàn)新裂縫的情況，通過(guò)對(duì)其病害成因進(jìn)行分析討論，可以得出以下結(jié)論:1)新、舊T梁之間收縮徐變不一致，在收縮徐變效應(yīng)作用下，舊T梁受壓，新T梁受拉。新T梁的收縮效應(yīng)相當(dāng)于給舊T梁施加了縱向預(yù)應(yīng)力，這樣對(duì)舊T梁是有利的，而對(duì)新T梁則不利。在荷載作用下，新T梁較舊T梁更易開(kāi)裂;2)新、舊T梁的施工質(zhì)量、時(shí)間及環(huán)境存在一定差異，使得新、舊T梁的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度存在細(xì)微差異。根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果表明:在設(shè)計(jì)荷載作用下，新梁整體剛度略弱于舊梁，在承受長(zhǎng)期荷載作用下，新梁與舊梁相比更易產(chǎn)生裂縫;3)當(dāng)梁體裂縫達(dá)到一定程度后，荷載的增加并不會(huì)使新裂縫產(chǎn)生，只會(huì)增大裂縫寬度;舊T梁裂縫經(jīng)過(guò)修補(bǔ)，而且膠有一定延性，在荷載作用下基本不產(chǎn)生新裂縫;對(duì)于新T梁，在長(zhǎng)期超載作用下，裂縫發(fā)展比較嚴(yán)重。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)荷載試驗(yàn)和承載能力檢算可知嵩口大橋承載能力滿足公路Ⅱ級(jí)設(shè)計(jì)荷載的要求。裂縫發(fā)展?fàn)顩r檢測(cè)結(jié)果表明，荷載作用下裂縫會(huì)繼續(xù)發(fā)展，卸載后大部分裂縫均可恢復(fù)到初始狀態(tài)，橋梁承載力能滿足要求，但T梁大部分裂縫寬度已超出規(guī)范限值，會(huì)影響橋梁安全使用和耐久性能，建議對(duì)T梁進(jìn)行再次加固維修處理。

[1] 劉自明.橋梁工程檢測(cè)手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社，2002.

[2] 周?？。瑓怯啦?，譚也平，等.橋梁荷載試驗(yàn)研究綜述[J].中外公路，2008，28(4):164-166.

[3] 龔中平，潘永考，李 威.梁橋承載力及荷載試驗(yàn)技術(shù)研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2006(5):21-23.

[4] 李克銀.連續(xù)梁橋荷載試驗(yàn)梁格法分析[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2011，153(6):25-28.

[5] 諶潤(rùn)水，劉群安.公路橋梁荷載試驗(yàn)的作用與基本原則[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2006(5):5-8.

[6] 王自彬，岳渠德，趙金環(huán)，等.動(dòng)力荷載試驗(yàn)在橋梁檢測(cè)評(píng)估中的應(yīng)用[J].青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，28(1):14-34.