彭　偉，鄭建紅，吳成忠，陳憶前

(1.重慶安濟建設(shè)加固工程有限責(zé)任公司，重慶401120；2.招商局重慶交通科研設(shè)計院有限公司橋梁工程結(jié)構(gòu)動力學(xué)國家重點實驗室，重慶400067；3.重慶中設(shè)工程設(shè)計股份有限公司，重慶 400025)

橋梁是交通網(wǎng)的重要組成部分，其工作狀況直接影響路網(wǎng)的通暢與安全。連續(xù)剛構(gòu)橋是一種墩梁固結(jié)體系，具有橋墩高、跨徑大、施工便捷、行車平順等特點，是跨越江河、湖泊、深溝的首選橋型之一，并在實際工程中得到大量應(yīng)用[1]。由于混凝土材料抗拉性能較差、容易開裂，以及車輛超載超速、自然環(huán)境侵蝕等因素，運營中的橋梁難免有潛在的損傷累積與功能退化，影響結(jié)構(gòu)的承載能力與服役安全，難以滿足社會發(fā)展對橋梁越來越高的性能要求。文獻[2-5]的研究表明，連續(xù)剛構(gòu)橋在運營中經(jīng)常出現(xiàn)跨中撓度過大、箱梁梁體開裂及鋼筋銹蝕等病害，且隨主跨跨徑L的增加(L<100 m、L=100～160 m、L>160 m)，連續(xù)剛構(gòu)橋的病害有逐漸增多的趨勢。為減少結(jié)構(gòu)安全隱患，應(yīng)及時開展橋梁狀態(tài)全面檢測和承載能力評估。文獻[6-8]通過實橋檢測調(diào)查了跨水域的連續(xù)剛構(gòu)橋梁病害，著重研究了主梁的裂縫機理及下?lián)喜『Y(jié)構(gòu)性能的影響，但涉及連續(xù)剛構(gòu)橋水下構(gòu)件檢查的資料很少。除水質(zhì)的影響外，造成這種狀況的主要原因在于水下構(gòu)件較隱蔽、不直觀可見、難于接近觀察，而且水上構(gòu)件的常用檢查手段和方法并不能直接用于水下檢測[9]，因此，在橋梁檢查中，水下墩柱及基礎(chǔ)的檢測頻次明顯不如主梁與橋面系等水上構(gòu)件，這導(dǎo)致橋梁水下構(gòu)件可能的病害情況不能及時被發(fā)現(xiàn)，可能由此忽略水下墩柱及基礎(chǔ)等病害對結(jié)構(gòu)安全運營的影響。鑒于此，本文以三峽庫區(qū)某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋為例，結(jié)合橋位處水質(zhì)情況，對該橋主體結(jié)構(gòu)及附屬構(gòu)件進行外觀和材質(zhì)狀況等檢查，并運用水下攝像及人工探摸對主橋水下墩柱及承臺病害進行檢查，據(jù)此進行橋梁現(xiàn)狀承載能力評估分析，相關(guān)檢測與分析過程可為跨水域的連續(xù)剛構(gòu)橋運營與管理維護提供參考。

1　背景工程

三峽庫區(qū)某預(yù)應(yīng)力混凝土大跨連續(xù)剛構(gòu)橋(圖1)是連接當(dāng)?shù)毓I(yè)園區(qū)與居民區(qū)的重要通道，至2017年已竣工通車8 a，橋梁原設(shè)計荷載為城-A級、人群荷載3.0 kN/m2。橋梁全長521 m，兩岸引橋為3×30 m連續(xù)梁橋(左右分幅)，主橋為大跨連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑布置為90 m+150 m+90 m；橋面全寬18 m，橫向布置為2×1.5 m(人行道)+15 m(車行道)；引橋、主橋的箱梁斷面見圖2～ 3。引橋下部為矩形實體墩，主橋下部為雙薄壁矩形實體墩，墩底均為嵌巖樁基礎(chǔ)；兩岸均用混凝土重力式橋臺，臺底為擴大基礎(chǔ)。橋面采用瀝青混凝土鋪裝，并在橋臺、過渡墩處設(shè)置伸縮縫。

由于該橋養(yǎng)護與管理權(quán)限調(diào)整，需及時了解橋梁既存病害及其對結(jié)構(gòu)使用性能的影響，因此，本研究根據(jù)行業(yè)有關(guān)規(guī)范[10-14]與既有管養(yǎng)資料，對該橋進行運營檢測及承載能力評估。

2　檢測內(nèi)容及檢測方法

根據(jù)連續(xù)剛構(gòu)橋共性病害和該橋特點，本次檢測分水上、水下兩部分進行。

2.1　水上檢測

采用常規(guī)方法對人工易于接近觀察的構(gòu)件進行檢查，包括以下3個方面：

1)橋梁表觀缺陷與裂縫檢查。主要檢查箱梁與墩臺有無裂縫、滲水、剝落、露筋等；護坡有無沖刷或缺損；橋面鋪裝有無坑槽、開裂、車轍及排水情況，伸縮縫有無破損或淤塞；支座老化與偏位情況。裂縫寬度用裂縫觀測儀測量，現(xiàn)場用粉筆進行標(biāo)識；借助橋檢車為作業(yè)平臺檢查箱梁外側(cè)腹板與底板。

2)構(gòu)件材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)檢查。按規(guī)范抽取主橋和引橋的代表性截面進行混凝土專項檢查，主要儀器有數(shù)顯回彈儀、氯離子含量測定儀、混凝土鋼筋檢測儀、鋼筋銹蝕儀等。分別將實測結(jié)構(gòu)自振頻率及代表截面尺寸與理論值或設(shè)計值比較。

3)結(jié)構(gòu)線形測量。基于監(jiān)控網(wǎng)，采用高精度全站儀測量墩頂偏位和橋面高程情況。

2.2　水下檢測

現(xiàn)有橋梁定檢或巡檢中往往忽略對水下墩柱及基礎(chǔ)的檢查，原因在于水下構(gòu)件無法直接采用水上構(gòu)件常用的方法進行檢查。鑒于該橋下水質(zhì)較好，本次采用水下攝像結(jié)合人工探摸[9]檢查主橋水下墩身有無破損或銹蝕等病害及承臺底有無沖刷。

3　檢測結(jié)果

對橋梁主體結(jié)構(gòu)及其附屬構(gòu)件進行全面檢查，可及時掌握橋梁的技術(shù)狀況，并可通過對橋梁材質(zhì)狀況和狀態(tài)參數(shù)等的檢測評定，對橋梁現(xiàn)狀承載能力作出客觀評價。

3.1　結(jié)構(gòu)表觀缺陷與裂縫檢查

主橋箱梁內(nèi)頂板在近邊跨端部有少量泛堿縱向裂縫(縫長0.5～3.0 m，見圖4)，中跨中腹板有少量泛堿網(wǎng)狀裂縫，邊跨橫隔板有數(shù)條短裂縫(縫寬0.06 mm)；引橋2#～4#鉸縫部分脫落(總長25 m)。全橋箱梁外底板多處蜂窩、麻面，局部有滲水、泛堿，引橋箱梁翼緣板局部剝落、掉角。

0#臺前墻中部有2條豎向裂縫(縫長3.00 m、縫寬0.24 mm，見圖5),0#臺前墻護坡的填土從左至右斜向開裂，長度10 m。

橋面鋪裝在0#伸縮縫至園區(qū)側(cè)20 m范圍內(nèi)、3#伸縮縫至居民區(qū)側(cè)25 m范圍內(nèi)，都多處擁包、車轍、開裂。

3.2　構(gòu)件材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)檢查

采用鋼卷尺抽測主橋邊跨及中跨部分截面的底板與腹板尺寸，實測尺寸與設(shè)計值基本吻合。經(jīng)脈動法實測(fmi)、Midas軟件建模計算(fdi)，主橋第1階自振頻率分別為1.43、0.87 Hz。fmi/fdi>1.1，表明試驗橋跨結(jié)構(gòu)實測自振特性正常，均符合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》)主橋自振頻率評定標(biāo)度為1的要求。

分別在主橋、引橋及墩臺選取代表性測區(qū)。結(jié)果表明，受檢構(gòu)件的混凝土強度、碳化深度、鋼筋銹蝕電位與保護層厚度、氯離子含量等參數(shù)狀態(tài)良好，均符合《評定規(guī)程》評定標(biāo)度1的要求。

3.3　橋梁線形測量

該橋未設(shè)置測量控制網(wǎng)及墩頂偏位監(jiān)測點，在補設(shè)相應(yīng)監(jiān)控點后，按工程測量要求[15]進行線形測量(氣溫14 ℃)。以0#伸縮縫為起點，沿橋面左右幅布置2條測線共58個高程測點。自定義基準點高程為100 m，主橋橋面實測線形見圖6。從圖6可見，主橋橋面線形較平順，經(jīng)與設(shè)計線形比較，跨中約有3 cm的預(yù)拱度。

3.4　水下墩柱及承臺檢查

在完成設(shè)備調(diào)試與安全交底等準備后，根據(jù)天氣情況先在橋墩附近水域進行檢查，條件具備后進行水下攝像。結(jié)果表明，4#、5#墩的承臺分別露出河床約3.7、1.3 m，5#墩墩身在水深7.8、10.6 m處有鋼筋銹蝕(見圖7、圖8)；承臺周圍有施工臨時結(jié)構(gòu)及石塊堆積，未見承臺破損、露筋及沖刷病害。

4　橋梁技術(shù)狀況評估

根據(jù)第3節(jié)檢測結(jié)果，按照JTG/T H21—2011《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準》[12]評定病害標(biāo)度與扣分項，從構(gòu)件、部件逐級向上打分評定。主橋上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系評分分別為81.3、97.3、83.8，引橋上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系評分分別為92.2、89.5、79.8，主橋、引橋技術(shù)狀況評分別為88.2、88.7，全橋技術(shù)狀況等級為2類，表明結(jié)構(gòu)有輕微缺損，對橋梁使用功能無影響。

5　主橋檢算與承載能力評估

由于主橋為跨徑150 m的大跨剛構(gòu)橋，其承載能力對當(dāng)?shù)毓I(yè)園區(qū)交通有直接影響，故結(jié)合檢測結(jié)果修正主橋的結(jié)構(gòu)抗力與作用效應(yīng)，以此評估主橋現(xiàn)役狀態(tài)下的承載能力。

5.1　建模

基于Midas軟件Civil模塊，采用梁單元將主橋箱梁按施工順序進行離散，并在墩梁固結(jié)區(qū)適當(dāng)加密單元數(shù)，墩底邊界條件全部考慮為固結(jié)。主橋共離散為131個單元，136個節(jié)點，主橋有限元模型見圖9，主梁與橋墩材料參數(shù)取值見表1。

表1　主橋材料參數(shù)取值

5.2　檢算內(nèi)容

在檢算分析中考慮恒載、活載、溫度作用，并計入收縮徐變及汽車沖擊作用的影響，活載的計算荷載為城市-A級，驗算荷載為公路-I級，人群荷載為3.0 kN/m2。檢算評估過程主要依據(jù)《評定規(guī)程》關(guān)于配筋混凝土橋梁的有關(guān)規(guī)定。

5.2.1承載能力極限狀態(tài)

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的承載能力極限狀態(tài)主要進行主梁正截面抗彎、斜截面抗剪承載能力檢算，根據(jù)檢測結(jié)果，按照式(1)進行計算評定：

γ0S≤R(fd,ξc,adc,ξsads)Z1(1-ξe)。

(1)

式(1)中，該橋結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0=1.1，S、R(·)為荷載效應(yīng)、抗力效應(yīng)函數(shù)，fd為材料強度設(shè)計值；adc、ads為構(gòu)件混凝土、鋼筋幾何參數(shù)值。根據(jù)第3節(jié)檢測結(jié)果，按《評定規(guī)程》確定各檢測指標(biāo)的評定標(biāo)度與構(gòu)件權(quán)重后，確定承載能力檢算系數(shù)Z1、承載能力惡化系數(shù)ξe、結(jié)構(gòu)截面折減系數(shù)ξc、鋼筋截面折減系數(shù)ξs的取值。

根據(jù)調(diào)查，該橋通行車輛荷載與標(biāo)準車輛荷載無明顯差異，故無需對活載進行修正。參考JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[16]的荷載基本組合，建立結(jié)構(gòu)承載能力檢算的如下荷載組合：

組合1(最大正彎)：1.1× [γGi×恒載+1.4×汽車荷載+1.4×0.8×人群荷載]，

組合2(最大負彎)：1.1× [γGi×恒載+1.4×汽車荷載+1.4×0.8×人群荷載]，

組合3(最大正彎)：1.1× [γGi×恒載+1.4×汽車荷載+1.4×0.7×人群荷載+0.7×1.4×升溫]，

組合4(最大負彎)：1.1× [γGi×恒載+1.4×汽車荷載+1.4×0.7×人群荷載+0.7×1.4×升溫]，

組合5(最大正彎)：1.1× [γGi×恒載+1.4×汽車荷載+1.4×0.7×人群荷載+0.7×1.4×降溫]，

組合6(最大負彎)：1.1× [γGi×恒載+1.4×汽車荷載+1.4×0.7×人群荷載+0.7×1.4×降溫]。

組合中，永久作用效應(yīng)的分項系數(shù)γGi=1.2(對結(jié)構(gòu)承載能力不利)、1.0(對結(jié)構(gòu)承載能力有利)。

5.2.2正常使用極限狀態(tài)

預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的正常使用極限狀態(tài)的檢算和評定，按現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計和養(yǎng)護規(guī)范及檢測結(jié)果，主要進行主梁正截面抗裂、斜截面抗裂及主梁撓度的檢算和評定。

5.2.3構(gòu)件應(yīng)力

構(gòu)件應(yīng)力檢算主要計算正常使用階段的主梁混凝土最大壓應(yīng)力及其是否滿足評定要求。

5.3　檢算結(jié)果分析

5.3.1承載能力極限狀態(tài)

在主梁正截面抗彎承載能力檢算中，按照連續(xù)剛構(gòu)橋受力特點，選取中跨最大正彎矩截面、邊跨最大正彎矩截面、墩頂最大負彎矩截面作為關(guān)心截面。參考JTG D62—2004《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》[17](下文簡稱《公預(yù)規(guī)》)對箱型截面受彎構(gòu)件的計算規(guī)定，在各荷載組合作用下，關(guān)心截面的抗彎抗效比(結(jié)構(gòu)抗力Mu/作用效應(yīng)γ0Md)均大于1.0。由圖10可見，主梁正截面抗彎承載能力滿足式(1)的評定要求。

在主梁斜截面抗剪承載能力檢算中，以邊跨、中跨主梁各施工節(jié)段為基本單元，按照《公預(yù)規(guī)》對箱型截面受彎構(gòu)件的計算規(guī)定，分別對各單元斜截面抗剪承載力進行檢算。計算結(jié)果表明，邊跨、中跨主梁各單元斜截面抗剪抗效比(結(jié)構(gòu)抗力Vu/作用效應(yīng)γ0Vd)最小值分別為1.55、1.89，因此，主梁斜截面抗剪承載能力滿足式(1)的評定要求。

5.3.2正常使用極限狀態(tài)

對于全預(yù)應(yīng)力混凝土分段澆筑構(gòu)件，《公預(yù)規(guī)》規(guī)定在作用短期效應(yīng)組合下，截面抗裂驗算應(yīng)分別滿足下列要求：正截面σst-0.80σpc≤0，斜截面σtp≤0.4ftk。其中，σst、σpc、σtp、ftk分別為作用短期效應(yīng)組合下的構(gòu)件抗裂驗算邊緣混凝土的法向拉應(yīng)力、扣除全部預(yù)應(yīng)力損失后的預(yù)加力在構(gòu)件抗裂驗算邊緣產(chǎn)生的混凝土預(yù)壓應(yīng)力、作用短期效應(yīng)組合和預(yù)加力產(chǎn)生的混凝土主拉應(yīng)力、混凝土抗拉強度標(biāo)準值。

經(jīng)計算，在作用短期效應(yīng)組合下，主橋主梁除兩端外，各單元上、下緣均表現(xiàn)為壓應(yīng)力，滿足規(guī)范全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件抗裂驗算要求。其中，邊跨箱梁頂緣、底緣壓應(yīng)力最小儲備分別為2.07、2.74 MPa，中跨箱梁頂緣、底緣壓應(yīng)力最小儲備為3.03、2.73 MPa；主橋邊跨主梁各單元斜截面σtp=0.13～0.91 MPa，中跨主梁各單元斜截面σtp=0.24～0.94 MPa，均小于評定值1.19 MPa，具體見圖11所示?？梢娭髁盒苯孛婵沽褭z算滿足評定要求。

根據(jù)《公預(yù)規(guī)》的規(guī)定，在消除結(jié)構(gòu)自重的長期撓度后，主梁最大撓度不應(yīng)超過計算跨徑的L/600，以中跨跨中作為驗算部位，在正常使用極限狀態(tài)下，中跨跨中撓度fd1=45.4 mm<282.5 mm(評定值)，撓度滿足評定要求。

5.3.3構(gòu)件應(yīng)力

根據(jù)《公預(yù)規(guī)》，對于全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，受壓區(qū)混凝土最大壓應(yīng)力應(yīng)滿足σkc+σpt≤fck，其中，σkc、σpt分別為混凝土法向壓應(yīng)力及由預(yù)加力產(chǎn)生的混凝土法向拉應(yīng)力，fck為混凝土抗壓強度標(biāo)準值。經(jīng)計算表明，主梁上、下緣最大壓應(yīng)力分別為10.72、10.05 MPa，均小于評定值19.25 MPa，構(gòu)件應(yīng)力滿足評定要求。

5.3.4承載能力評估結(jié)果

通過對主橋進行上述承載能力極限狀態(tài)、正常使用極限狀態(tài)、構(gòu)件應(yīng)力的檢算分析與評定，結(jié)果表明該橋主橋現(xiàn)狀條件下的承載能力和正常使用性能滿足城-A級、人群荷載3.0 kN/m2與公路-I級、人群荷載3.0 kN/m2的使用要求。

6　結(jié)論

通過對三峽庫區(qū)某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的全面檢測與現(xiàn)狀承載能力評估，可得如下結(jié)論：

1)該橋綜合技術(shù)狀況評定結(jié)果為2類，但橋面系有3類構(gòu)件，橋面鋪裝在路線彎道的起始點附近有嚴重擁包、車轍、開裂，應(yīng)結(jié)合JTG H11—2004《公路橋涵養(yǎng)護規(guī)范》及時處治橋面鋪裝病害與0#臺前墻裂縫，并加強后期觀測。

2)根據(jù)檢測結(jié)果進行檢算與評定，主橋現(xiàn)狀條件下的承載能力和正常使用性能滿足城-A級、人群荷載3.0 kN/m2與公路-I級、人群荷載3.0 kN/m2的使用要求。

3)檢測發(fā)現(xiàn)主橋5#墩水下墩身有鋼筋銹蝕現(xiàn)象，影響了結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評估，并一定程度上造成了結(jié)構(gòu)安全隱患。

建議重視跨水域橋梁水下墩柱及基礎(chǔ)的檢測，并保證一定的頻次，以及時發(fā)現(xiàn)橋梁水下構(gòu)件可能的病害情況。本文所用人工水下攝像能直觀反映橋梁水下墩柱與承臺等構(gòu)件的病害，但對水下能見度低、人工潛水受限等條件下的應(yīng)用還需進一步研究。

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