黃光清

(招商局重慶公路工程檢測中心有限公司， 重慶 400067)

連續(xù)剛構(gòu)橋梁由于其跨越能力強(qiáng)、施工便利且有良好的經(jīng)濟(jì)性，近幾十年來在國內(nèi)得到了大量建設(shè)。由于在早期的設(shè)計(jì)中認(rèn)識(shí)不足，致使很多運(yùn)營期的連續(xù)剛構(gòu)橋梁出現(xiàn)了有效預(yù)應(yīng)力不足、箱梁產(chǎn)生橫向裂縫和斜向裂縫、結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的下?lián)系葐栴}[1-2]。因此，在評(píng)估連續(xù)剛構(gòu)橋梁承載能力時(shí)，其結(jié)構(gòu)外觀及裂縫、混凝土強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)的下?lián)?、預(yù)應(yīng)力損失、荷載試驗(yàn)結(jié)果等幾個(gè)參數(shù)的檢測和評(píng)估是分析橋梁承載能力的關(guān)鍵[3-4]。

1 工程背景

K4特大橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，由左右2幅獨(dú)立橋跨組成，橋跨布置為(98+180+98) m；單幅橋面全寬12 m,行車道11 m。主梁采用直腹板單箱單室、三向預(yù)應(yīng)力混凝土箱型截面。單幅箱梁底板寬6.5 m，頂板寬12.5 m，兩側(cè)懸臂長各3.0 m。主梁和薄壁墩身均采用C50混凝土，承臺(tái)采用C30混凝土。

K5大橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，橋跨布置為(77+140+77) m；橋梁分左右幅,單幅橋面全寬12 m,行車道11 m。主梁采用直腹板單箱單室、三向預(yù)應(yīng)力混凝土箱型截面。單幅箱梁底板寬6 m，頂板寬12 m，兩側(cè)懸臂長各3.0 m。梁和薄壁墩身采用C50混凝土，承臺(tái)采用C30混凝土。

兩橋設(shè)計(jì)荷載均為公路-Ⅰ級(jí)。

2 關(guān)鍵參數(shù)檢測與分析

2.1 主要外觀病害

2.1.1 K4特大橋

該橋左右幅受檢區(qū)頂板底面、底板底面存在較多縱向裂縫，裂縫總數(shù)為87條，總長132.7 m，15%左右的裂縫寬度超限。抽檢的4處中跨跨中縱向預(yù)應(yīng)力波紋管均壓漿不飽滿?；炷岭x析、麻面處較多，部分節(jié)段混凝土存在空洞，抽檢的1處豎向預(yù)應(yīng)力波紋管壓漿不飽滿。

2.1.2 K5大橋

該橋左右幅橋受檢區(qū)段頂板、底板均存在縱向裂縫，部分裂縫寬度超限，超限裂縫占總量的5%左右；抽檢的2處豎向波紋管未見壓漿，抽檢時(shí)滲水，對應(yīng)梁段的腹板存在縱、斜向裂縫，最寬處已達(dá)到0.6 mm。抽檢的2處縱向預(yù)應(yīng)力波紋管管內(nèi)壓漿不飽滿，在中跨跨中位置管道空隙量約1 cm～2 cm。新街岸邊跨端部箱梁上游腹板外側(cè)混凝土崩裂約0.3 m2，內(nèi)側(cè)腹板外鼓、開裂。

2.1.3 外觀檢測結(jié)果分析

兩橋均存在箱梁開裂(主要為縱向開裂)、波紋管外露、混凝土表觀缺陷等病害，K4橋?qū)挾瘸蘖芽p比例較高，其他外觀檢測結(jié)果并無明顯差異。

檢測時(shí)，這2座橋?yàn)樾陆蛄海形赐ㄜ?，承受活載作用較小，且由于建成時(shí)間較短(約18個(gè)月)，收縮徐變造成的預(yù)應(yīng)力損失尚處于初期，因此僅從外觀上看，裂縫等尚未大量開展，特別是箱梁頂、底板橫向裂縫和腹板斜向裂縫尚未大量出現(xiàn)，部分評(píng)定參與者僅憑外觀檢測結(jié)果和同類運(yùn)營期橋梁對比，堅(jiān)持認(rèn)為2座橋梁技術(shù)狀況尚可，無需進(jìn)行限載和加固。

2.2 橋面線形

連續(xù)剛構(gòu)橋梁橋面線形變化反映了主梁的下?lián)锨闆r，是分析預(yù)應(yīng)力損失狀況的重要參數(shù)之一，屬于承載能力鑒定分析的必測項(xiàng)目。這2座橋橋面鋪裝后未及時(shí)進(jìn)行橋面線形測量，在本次測量前9個(gè)月，某檢測單位對橋面線形進(jìn)行了觀測，在此將這2次結(jié)果進(jìn)行對比分析。

依據(jù)工程測量規(guī)范[5]對橋面線形進(jìn)行了觀測，測點(diǎn)布置在上、下游側(cè)車道邊沿處及橋面中心處，測點(diǎn)水平間距5.0 m，與前次測量一致。但由于前次測量未設(shè)置永久觀測點(diǎn)且測點(diǎn)標(biāo)識(shí)被毀損，致使具體測點(diǎn)位置存在一定偏差。

2次測量的高程差值即橋面線形變化，反映了測量期間主梁的下?lián)锨闆r，其典型監(jiān)測曲線見圖1、圖2。

圖1 K4特大橋右幅橋面高程與前次測量差值

圖2 K5大橋左幅橋面高程與前次測量差值

從圖1可知，由于2次檢測的測點(diǎn)位置存在偏差，因此所測得的箱梁下?lián)暇€形不夠平滑，但總體趨勢非常明顯：兩邊跨未見明顯下?lián)希锌缙毡橄聯(lián)?，中跨跨中最大下?lián)霞s90 mm。兩橋墩(距伸縮縫98 m、278 m處)墩頂高程變化值分別為-0.2 mm、-3.7 mm。

從圖2可知，由于2次測量的測點(diǎn)位置存在偏差，結(jié)果顯示左幅橋的1號(hào)墩墩頂(距伸縮縫77 m處)下沉8.5 mm，2號(hào)墩墩頂(距伸縮縫217 m處)下沉19.5 mm，且大樁號(hào)側(cè)伸縮縫的高程亦存在最大-20 mm差值，不能對中跨的下?lián)嫌幸粋€(gè)準(zhǔn)確的判斷。

為解決這個(gè)問題，對測量結(jié)果及測點(diǎn)位置偏差的影響進(jìn)行分析和處理。

由于連續(xù)剛構(gòu)橋下?lián)现饕w現(xiàn)在中跨，因此作如下處理：1) 扣除橋面縱坡影響；2) 扣除主墩沉降影響。僅考慮中跨線形，處理結(jié)果見圖3、圖4。

圖3 處理后K4特大橋右幅中跨橋面曲線比較

圖4 處理后K5大橋左幅中跨橋面曲線比較

從圖3、圖4可以看出，扣除縱坡后的2次實(shí)測中跨橋面曲線幾乎一致，可用來準(zhǔn)確分析橋面下?lián)馅厔莺土恐怠?/p>

從圖3、圖4還可知，2次檢測期間，K4特大橋右幅和K5大橋左幅中跨橋面線形總體趨勢為中跨普遍下?lián)?，跨中最大，分別為87.8 mm、12.9 mm。

由于上述下?lián)现颠€包含了2次測試時(shí)的溫差影響、混凝土收縮徐變影響[6-7]以及可能的恒載變化影響，需通過計(jì)算將其扣除。

K4特大橋右幅異常撓度值：f=87.8-45.7(溫差、混凝土收縮徐變影響規(guī)范計(jì)算值)=42.1 mm。

K5大橋左幅異常撓度值：f=12.9-9.5(溫差、混凝土收縮徐變影響規(guī)范計(jì)算值)=3.4 mm。

從線形監(jiān)測結(jié)果看，K4特大橋9個(gè)月期間產(chǎn)生的下?lián)现得黠@異常，K5大橋基本正常。

2.3 混凝土強(qiáng)度

混凝土強(qiáng)度是連續(xù)剛構(gòu)承載能力檢測的基本參數(shù)，采用超聲回彈法、鉆芯法對2座橋進(jìn)行了檢測，依據(jù)《超聲回彈綜合法檢測混凝土強(qiáng)度技術(shù)規(guī)程》[8]第5.1.3條，將每梁段作為單個(gè)構(gòu)件來檢測和評(píng)價(jià)。每個(gè)梁段測區(qū)數(shù)量取10個(gè)，測區(qū)尺寸為400 mm×400 mm，結(jié)果如下。

2.3.1 K4特大橋

根據(jù)箱梁混凝土超聲回彈測試結(jié)果，結(jié)合相應(yīng)梁段和測區(qū)的鉆芯強(qiáng)度結(jié)果來進(jìn)行修正，得出左幅橋測試的25個(gè)梁段中，最高強(qiáng)度為57.4 MPa，最低強(qiáng)度為41.0 MPa，9個(gè)梁段的強(qiáng)度在設(shè)計(jì)值50.0 MPa以下。

右幅橋箱梁所測試的12個(gè)梁段中，混凝土最高強(qiáng)度為62.9 MPa，最低強(qiáng)度為45.0 MPa，1個(gè)梁段的強(qiáng)度在設(shè)計(jì)值50.0 MPa以下。

2.3.2 K5大橋

左幅橋測試的22個(gè)梁段中，最高強(qiáng)度為67.4 MPa，最低強(qiáng)度為50.6 MPa。右幅橋箱梁所測試的14個(gè)梁段中，混凝土最高強(qiáng)度為73.4 MPa，最低強(qiáng)度為47.7 MPa，2個(gè)梁段的強(qiáng)度在50.0 MPa以下。

2.3.3 混凝土強(qiáng)度測試結(jié)果分析

1) K4特大橋的主梁混凝土平均強(qiáng)度較K5大橋低，其最低值較設(shè)計(jì)強(qiáng)度50 MPa相差較多，離散性也較K5大橋大，說明K4特大橋的混凝土強(qiáng)度存在較為嚴(yán)重的缺陷，而K5大橋混凝土強(qiáng)度則相較設(shè)計(jì)值略有欠缺。

2) 由于這2座連續(xù)剛構(gòu)橋各梁段實(shí)測強(qiáng)度值變化較大，在承載能力檢算時(shí)的取值可采用3種方式：

(1) 每個(gè)梁段都采用實(shí)測強(qiáng)度值；(2) 采用所有梁段實(shí)測強(qiáng)度值的平均值；(3) 采用所有梁段實(shí)測值的最小值。

根據(jù)規(guī)范對強(qiáng)度測區(qū)的表觀要求及現(xiàn)場工作時(shí)的實(shí)際情況，采用方式(3)較適宜，主要基于以下2點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

① 由于這2座橋箱梁混凝土強(qiáng)度很不均勻，而橋梁的破壞則是從最薄弱的部分開始的，因此，可將超聲回彈綜合法測得的各梁段強(qiáng)度中的最小值作為代表值對結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算。

② 在強(qiáng)度檢測時(shí)，選擇的是梁段混凝土表觀質(zhì)量相對較好的區(qū)域劃分測區(qū)的，測出的最低強(qiáng)度并不是結(jié)構(gòu)實(shí)際的最低強(qiáng)度。因此，取超聲回彈綜合法測得的各梁段強(qiáng)度中的最小值作為代表值來對結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢算是較為適宜的。

2.4 預(yù)應(yīng)力損失

對于大跨徑梁橋的有效預(yù)應(yīng)力檢測，一般有應(yīng)力釋放法，包括混凝土盲孔法、普通鋼筋應(yīng)力釋放法及直接對預(yù)應(yīng)力鋼束進(jìn)行反拉等方法[9]，而在連續(xù)剛構(gòu)橋梁中，這些方法可靠性和準(zhǔn)確性均有待進(jìn)一步提高。

2.4.1 估算方法

依據(jù)規(guī)范及相關(guān)文獻(xiàn)[10-13]，按照如下方法對結(jié)構(gòu)有效預(yù)應(yīng)力進(jìn)行估算：

2.4.2 估算結(jié)果分析

1) K4特大橋右幅

若僅根據(jù)2次測得的主梁下?lián)狭窟M(jìn)行反推分析，則K4右幅預(yù)應(yīng)力損失約為8.3%。如果再考慮從橋梁建成到第1次線形觀測這段時(shí)間箱梁的下?lián)?，則預(yù)應(yīng)力損失會(huì)更大。

假定異常下?lián)蠟榫€性發(fā)展，則由271 d異常下?lián)贤扑愠蓸蚝笾恋?次線形測試時(shí)總的異常下?lián)现禐?5.722 mm，事實(shí)上，連續(xù)剛構(gòu)橋梁的下?lián)弦?guī)律為前期發(fā)展快，后期發(fā)展速度越來越慢，因此實(shí)際的異常下?lián)现祽?yīng)大于這個(gè)計(jì)算值。

由于異常下?lián)现?5.722 mm已扣除橋梁建成至第2次測量橋面線形期間的溫差變化、混凝土收縮徐變規(guī)范計(jì)算值，因此該異常下?lián)现等坑深A(yù)應(yīng)力損失引起，據(jù)此推算得預(yù)應(yīng)力損失為17.3%。這是一個(gè)不可接受的值，說明K4特大橋的預(yù)應(yīng)力損失非常嚴(yán)重。

2) K5大橋左幅

按271 d異常下?lián)?.7 mm全部由預(yù)應(yīng)力損失引起計(jì)算，推算得預(yù)應(yīng)力損失為2.8%，如將時(shí)間推算至橋梁建成時(shí)，則推算得預(yù)應(yīng)力損失為5.5%。

2.5 荷載試驗(yàn)

當(dāng)通過檢算分析尚無法明確評(píng)定橋梁承載能力時(shí)，可通過對橋梁施加靜力荷載作用，即靜載試驗(yàn)，測定橋梁結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)荷載作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并據(jù)此修訂承載能力檢算結(jié)果或直接判定承載能力是否滿足要求。

橋梁自振頻率是橋梁整體剛度的體現(xiàn)，通過實(shí)測自振頻率與理論計(jì)算頻率之比可確定自振頻率評(píng)定標(biāo)度，分析橋梁結(jié)構(gòu)性能。

2.5.1 靜載試驗(yàn)截面

依據(jù) JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》[14]，結(jié)合兩橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取的靜載試驗(yàn)截面為：1) 邊跨最大正彎截面A；2) 墩頂附近最大負(fù)彎截面B；3) 中跨L/4負(fù)彎截面C；4) 中跨3L/8正彎截面D；5) 中跨跨中截面E。兩橋截面位置見圖5、圖6。

單位：mm

2.5.2 應(yīng)變測試

靜載試驗(yàn)中，校驗(yàn)系數(shù)是指各測點(diǎn)應(yīng)變實(shí)測值、各截面實(shí)測撓度值與理論計(jì)算值之比，是判斷結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和剛度的重要參數(shù)，這里的理論計(jì)算值依據(jù)實(shí)測參數(shù)計(jì)算所得。各工況下兩橋?qū)崪y應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)對比見表1。

從表1可知，雖然這2座橋的混凝土強(qiáng)度和預(yù)應(yīng)力損失有明顯差異，但這2座橋梁4幅橋的應(yīng)變測試結(jié)果顯示，其平均校驗(yàn)系數(shù)并未出現(xiàn)較大差異，最大、最小校驗(yàn)系數(shù)也都較為離散，并不能從應(yīng)變測試結(jié)果中發(fā)現(xiàn)明顯的規(guī)律性。K4特大橋除個(gè)別測點(diǎn)受測試因素和混凝土離散性影響使得校驗(yàn)系數(shù)超出1.0外，整體上仍滿足JTG/T J21-01—2015《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》[14]的要求，即使是將計(jì)算采用的主梁彈模換成設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級(jí)時(shí)的彈模，其校驗(yàn)系數(shù)整體也處于正常范圍內(nèi)，并不能據(jù)此得出主梁強(qiáng)度不滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)論。

單位：mm

表1 各工況下2橋?qū)崪y應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)對比

2.5.3 撓度測試

在各測試截面分別布置2個(gè)撓度測點(diǎn)，采用精密水準(zhǔn)儀從未加載1幅橋面進(jìn)行觀測讀數(shù)。各工況下兩橋?qū)崪y撓度平均校驗(yàn)系數(shù)對比見表2。

從表2可知，這兩橋?qū)崪y撓度校驗(yàn)系數(shù)略有差異，約為5%。由于混凝土彈性模量的離散性、測試時(shí)的環(huán)境差異等多種因素的影響，結(jié)構(gòu)剛度表現(xiàn)略有差異屬于正?，F(xiàn)象，其數(shù)值均在正常范圍內(nèi)，滿足荷載試驗(yàn)規(guī)程的要求。因此并不能僅憑撓度實(shí)測結(jié)果得出K4特大橋整體剛度表現(xiàn)優(yōu)于K5大橋的結(jié)論，也不能判定橋梁整體剛度不滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 各工況下兩橋?qū)崪y撓度平均校驗(yàn)系數(shù)對比

橋梁荷載試驗(yàn)主要是檢驗(yàn)橋梁在使用荷載作用下的工作性能和汽車活載響應(yīng)，不能直接判定橋梁的極限承載能力。對于連續(xù)剛構(gòu)橋而言，活載作用在整體荷載組合里所占的比例更小，加載時(shí)結(jié)構(gòu)整體上仍處于彈性工作階段，結(jié)構(gòu)損傷以及預(yù)應(yīng)力損失并不能在測試結(jié)果中得到直觀體現(xiàn)。

2.5.4 豎向基頻

豎向基頻是反映橋梁結(jié)構(gòu)整體剛度的基本參數(shù)，采用891-4型速度傳感器、INV-8型抗混濾波放大器、INV306D(F)多通道智能信號(hào)采集儀以及DASP分析軟件進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集及后期處理。兩橋豎向基頻測試結(jié)果見表3。

表3 豎向基頻實(shí)測結(jié)果對比 Hz

從表3可見，兩橋的1階豎向基頻實(shí)測值均略大于理論計(jì)算值，2階豎向基頻則較為接近。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，盡管K4特大橋預(yù)應(yīng)力損失大，混凝土強(qiáng)度更低，但其實(shí)測基頻與理論基頻之比卻略大于K5大橋。

2.6 結(jié)構(gòu)檢算

結(jié)合外觀檢查、專項(xiàng)檢測以及荷載試驗(yàn)結(jié)果，依據(jù)JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測評(píng)定規(guī)程》[15]進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢算，得出如下結(jié)論：

1) K4特大橋部分梁段的極限承載能力不滿足設(shè)計(jì)要求，部分工況下其正常使用極限狀態(tài)不滿足設(shè)計(jì)要求。

2) K5大橋極限承載能力和正常使用極限狀態(tài)能滿足設(shè)計(jì)荷載的正常使用要求。

K4特大橋開通運(yùn)營后，其主梁持續(xù)下?lián)?，出現(xiàn)了大量橫向裂縫和斜向裂縫并不斷展開，2年后不得不進(jìn)行加固并設(shè)置健康監(jiān)測系統(tǒng)，事實(shí)驗(yàn)證了其承載能力不滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)論。K5大橋則在后續(xù)運(yùn)營中處于正常狀態(tài)。

3 結(jié)論

本文通過對某高速上2座連續(xù)剛構(gòu)橋部分關(guān)鍵參數(shù)的檢測分析，得出以下結(jié)論：

1) 對于建成時(shí)間較短或尚未投入運(yùn)營的連續(xù)剛構(gòu)橋梁，收縮徐變造成的預(yù)應(yīng)力損失尚處于初期，裂縫等尚未大量開展，特別是箱梁頂、底板橫向裂縫和腹板斜向裂縫尚未大量出現(xiàn)，不能僅憑外觀檢測結(jié)果和同類運(yùn)營期橋梁比對結(jié)果而判斷橋梁的技術(shù)狀況。

2) 可依據(jù)連續(xù)剛構(gòu)橋梁主梁下?lián)现倒浪闫漕A(yù)應(yīng)力損失并作為承載能力檢算的關(guān)鍵參數(shù)，一定要在橋梁竣工時(shí)埋設(shè)橋面線形永久測點(diǎn)并進(jìn)行首次觀測，如測點(diǎn)缺失或變動(dòng)時(shí)，可通過扣除縱坡和主墩影響，比較橋面相對變化得到主梁的下?lián)现怠?/p>

3) 對于檢算時(shí)混凝土強(qiáng)度的取值，需依據(jù)橋梁具體技術(shù)狀況和強(qiáng)度實(shí)測結(jié)果采取多種方式，找出適宜的取值方法。

4) 連續(xù)剛構(gòu)橋梁的表觀和強(qiáng)度缺陷以及預(yù)應(yīng)力損失通常不能在橋梁靜、動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果中直接體現(xiàn)，其承載能力需結(jié)合外觀、強(qiáng)度、主梁下?lián)现档葯z測結(jié)果以及結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果進(jìn)行綜合判定。