馮瑩，韓振國(guó)，孫舒

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

0 引言

近些年，在橋梁服役過程中，由于交通量的急劇增加和大量新型車輛的出現(xiàn)，部分道路的通行能力已無法滿足實(shí)際需求，需要進(jìn)行升級(jí)改造，以提高荷載等級(jí)和通行能力。因此，采用合理且經(jīng)濟(jì)的承載能力評(píng)定方法對(duì)現(xiàn)役橋梁的承載能力進(jìn)行評(píng)估，是確保橋梁安全運(yùn)營(yíng)的重要保障[1-2]。

以某沿海原二級(jí)公路改造升級(jí)為背景，評(píng)估其沿線上某座預(yù)應(yīng)力系桿拱橋現(xiàn)有承載能力是否滿足公路Ⅰ級(jí)新標(biāo)準(zhǔn)要求，并提出合理化建議。

1 橋梁概況

某橋位于江蘇省連云港市灌南縣境內(nèi)，2005年建成通車，全長(zhǎng)256 m。主橋?yàn)橐豢?6 m預(yù)應(yīng)力混凝土下承式系桿拱橋，拱肋軸線為二次拋物線，矢跨比為1/5。鋼筋混凝土拱肋采用B×H=1.1 m×1.2 m的工字型斷面，在拱腳處變?yōu)榫匦谓孛?，預(yù)應(yīng)力混凝土系桿采用B×H=1.1 m×1.6 m的工字型斷面，在拱腳處變?yōu)榫匦谓孛?。全橋共設(shè)11對(duì)吊桿，吊桿鋼套管為熱軋45號(hào)無縫鋼管，間距4.6 m。橋面總寬為13 m。該橋原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車20級(jí)，掛車100級(jí)，現(xiàn)運(yùn)行道路荷載等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)。主橋立面及橫斷面如圖1所示。

圖1 主橋立面、橫斷面（單位：cm）

2 橋梁檢查結(jié)果

2.1 主橋缺損狀況檢查結(jié)果

在對(duì)橋梁進(jìn)行常規(guī)檢測(cè)中，發(fā)現(xiàn)主橋吊桿鋼套筒表面防銹涂層脫落，銹蝕較嚴(yán)重；橫撐局部露筋銹蝕；行車道板有1處破損露筋；板式橡膠支座存在脫空、開裂等病害，其中主橋支座脫空共3個(gè)，支座嚴(yán)重開裂共7個(gè)，支座剪切變形共4個(gè)；主橋一側(cè)橋墩伸縮縫閉合，另一側(cè)伸縮縫破損嚴(yán)重、型鋼缺失，主橋橋面有2條橫向裂縫，跨中有1處破損。

2.2 無損檢測(cè)結(jié)果

在主橋無損檢測(cè)中對(duì)系梁、橫梁及拱肋進(jìn)行混凝土強(qiáng)度檢測(cè)和鋼筋保護(hù)層厚度抽檢，對(duì)照《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）[3]得到以下結(jié)果：

（1）混凝土實(shí)測(cè)強(qiáng)度、碳化深度評(píng)定標(biāo)度為1。

（2）鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)評(píng)定標(biāo)度為1。

2.3 主橋線形測(cè)量結(jié)果

采用水準(zhǔn)儀對(duì)橋面線進(jìn)行測(cè)量，從圖2可以看出，主橋整體平順，未見明顯下?lián)匣蛲蛔?，橋梁使用狀況尚好。

圖2 橋面實(shí)測(cè)線形圖譜

根據(jù)橋梁現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果，對(duì)照《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011）[4]相關(guān)規(guī)定，主橋上部結(jié)構(gòu)評(píng)分為82.7，技術(shù)狀況評(píng)定等級(jí)為2類；下部結(jié)構(gòu)評(píng)分為87.7，技術(shù)狀況評(píng)定等級(jí)為2類；橋面評(píng)分為70.8，技術(shù)狀況評(píng)定等級(jí)為3類；得出主橋總體評(píng)分為82.3，總體技術(shù)狀況評(píng)定等級(jí)為2類。

3 橋梁荷載試驗(yàn)

3.1 靜載試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)橋梁現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及施工圖紙，利用有限元分析軟件Midas/Civil 2019建立主橋的計(jì)算模型，如圖3所示，并對(duì)其原設(shè)計(jì)荷載（汽車20級(jí)，掛車100級(jí)）作用下的受力進(jìn)行分析。根據(jù)主橋受力特點(diǎn)，選取拱肋L/2附近截面、拱肋L/4附近截面、拱腳附近截面、系桿L/4附近截面作為主要測(cè)試截面，主橋系桿拱橋靜載試驗(yàn)測(cè)試截面布置如圖4所示。

圖3 主橋計(jì)算模型

圖4 測(cè)試截面布置（單位：cm）

根據(jù)《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTGT J21—01－2015）[5]的要求，主橋靜載試驗(yàn)工況和對(duì)應(yīng)測(cè)試內(nèi)容見表1，各截面的加載控制值滿足規(guī)范要求，靜載試驗(yàn)荷載效率ηq在0.95～1.03范圍內(nèi)。試驗(yàn)過程中，加載車輛按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[6]要求布置。所得靜載試驗(yàn)結(jié)果如下：

表1 靜載試驗(yàn)工況及測(cè)試內(nèi)容

（1）主橋控制斷面主要撓度測(cè)點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.83～0.95，均小于1.0，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21—01—2015）[7]的要求。

（2）主橋控制斷面主要應(yīng)力測(cè)點(diǎn)系桿應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.55～0.8，拱肋應(yīng)力校驗(yàn)系數(shù)范圍為0.62～0.92，均小于1.0，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21—01—2015）[7]的要求。

（3）卸載后，主橋控制斷面主要測(cè)試點(diǎn)的相對(duì)殘余撓度和應(yīng)變＜20%，說明主橋上部結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

3.2 動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)主橋進(jìn)行的動(dòng)載試驗(yàn)包括脈動(dòng)試驗(yàn)與跑車試驗(yàn)。脈動(dòng)試驗(yàn)過程中，測(cè)試了主橋結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等動(dòng)力特性。采用有限元計(jì)算軟件Midas/Civil 2019對(duì)主橋進(jìn)行動(dòng)力特性分析，理論計(jì)算頻率與實(shí)測(cè)頻率比較見表2。跑車試驗(yàn)是在主橋跨中截面位置布設(shè)豎向拾振器，測(cè)試主橋在一輛重約320 kN的標(biāo)準(zhǔn)車下以車速為10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h作用下的動(dòng)態(tài)振動(dòng)響應(yīng)，根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算得到的實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)見表3。

表2 理論計(jì)算頻率與實(shí)測(cè)頻率比較

表3 不同車速激振下沖擊效應(yīng)分析

動(dòng)載試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）自振頻率實(shí)測(cè)值大于理論計(jì)算值，實(shí)測(cè)前兩階振型與理論振型相一致，表明上部結(jié)構(gòu)整體剛度大于理論剛度。

（2）實(shí)測(cè)沖擊系數(shù)小于規(guī)范計(jì)算值，表明上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力性能較好，車輛正常行駛對(duì)橋梁的沖擊效應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。

通過主橋靜動(dòng)載試驗(yàn)可知：在原設(shè)計(jì)荷載（汽車20級(jí)，掛車100級(jí)）作用下，主橋上部結(jié)構(gòu)的整體剛度滿足要求，并且處于彈性工作狀態(tài)，在原設(shè)計(jì)荷載的作用下，主橋可以正常運(yùn)營(yíng)。

4 橋梁承載力能力檢算

對(duì)主橋進(jìn)行承載能力檢算是按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）中現(xiàn)荷載標(biāo)準(zhǔn)（公路I級(jí)，二車道計(jì)）進(jìn)行，計(jì)算過程中計(jì)入承載能力檢算系數(shù)Z1、Z2、承載能力惡化系數(shù)系數(shù)ξe、構(gòu)件截面折減系數(shù)系數(shù)ξc和鋼筋截面折減系數(shù)ξs，以評(píng)定主橋在現(xiàn)荷載等級(jí)為公路I級(jí)情況下，能否正常工作。

4.1 檢算方法

依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/TJ21—2011）配筋混凝土橋梁承載能力評(píng)定有：

（1）承載能力極限狀態(tài)，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果按照式（1）進(jìn)行計(jì)算評(píng)定：

（2）正常使用極限狀態(tài)

正常使用極限狀態(tài)宜按現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計(jì)和養(yǎng)護(hù)規(guī)范及檢測(cè)結(jié)果分以下三方面進(jìn)行計(jì)算評(píng)定：

①限制應(yīng)力：

②荷載作用下的變形：

③各類荷載組合作用下裂縫寬度滿足：

以上具體參數(shù)定義可參考《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）第7.3節(jié)。

4.2 檢算系數(shù)

根據(jù)橋梁檢測(cè)和荷載試驗(yàn)結(jié)果，按照《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）確定，主橋承載力檢算判式中的各系數(shù)取值匯總見表4。

表4 承載能力檢算判式中的各系數(shù)取值匯總表

4.3 承載能力檢算結(jié)果

采用有限元計(jì)算軟件Midas/Civil 2019進(jìn)行計(jì)算，考慮自重、二期恒載、汽車荷載、人群荷載、溫度荷載等作用，并按照實(shí)際檢測(cè)成果（結(jié)構(gòu)尺寸、材料強(qiáng)度）對(duì)橋梁進(jìn)行建模計(jì)算。

4.3.1 承載能力極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果

按照《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》（JTG3362—2018）要求，對(duì)主橋的系桿、拱肋、中橫梁、端橫梁和吊桿進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)下的抗力驗(yàn)算，采用有限元計(jì)算軟件Midas/Civil 2019計(jì)算，結(jié)果如圖5所示，主橋構(gòu)件在承載能力極限狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果見表5。

圖5 承載能力極限狀態(tài)計(jì)算圖譜

表5 承載能力極限狀態(tài)檢算結(jié)果

4.3.2 正常使用極限狀態(tài)計(jì)算結(jié)果

按照《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）要求，采用有限元計(jì)算軟件Midas/Civil 2019計(jì)算了在正常使用極限狀態(tài)下，主橋的系桿、中橫梁抗裂驗(yàn)算和撓度驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。結(jié)合承載能力極限狀態(tài)檢算判式，主橋構(gòu)件在正常使用極限狀態(tài)下的計(jì)算結(jié)果見表6。

圖6 正常使用極限狀態(tài)計(jì)算圖譜

表6 正常使用極限狀態(tài)檢算結(jié)果

4.3.3 構(gòu)件的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

按照規(guī)范要求，采用有限元計(jì)算軟件Midas/Civil 2019對(duì)系桿、中橫梁進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算，按全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件，計(jì)算使用階段正截面法向壓應(yīng)力與斜截面主壓應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。結(jié)合根據(jù)承載能力極限狀態(tài)檢算判式，系桿、中橫梁的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 構(gòu)件的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果匯總

圖7 構(gòu)件應(yīng)力計(jì)算

通過對(duì)該主橋上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行承載能力檢算評(píng)定，在考慮檢算系數(shù)的影響下，得到結(jié)論有：

（1）主橋拱肋和系桿承載能力均滿足公路I級(jí)荷載要求；中橫梁、端橫梁及吊桿承載能力均不滿足公路I級(jí)荷載要求。

（2）系桿和橫梁的正截面抗裂均滿足公路I級(jí)荷載要求，但斜截面抗裂不滿足公路I級(jí)荷載要求。

（3）主橋變形滿足規(guī)范要求。

（4）系桿和橫梁壓應(yīng)力均滿足公路I級(jí)荷載要求。

5 結(jié)論

（1）該橋運(yùn)營(yíng)了約15 y，橋梁整體狀況尚好，對(duì)于檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)的主橋吊桿鋼護(hù)筒銹蝕部位應(yīng)進(jìn)行除銹防銹處理；對(duì)拱肋應(yīng)重新涂刷涂層；破損嚴(yán)重的伸縮縫和開裂嚴(yán)重的支座應(yīng)全部更換；混凝土破損露筋及存在裂縫的部位應(yīng)進(jìn)行修補(bǔ)和封閉處理。

（2）基于荷載試驗(yàn)對(duì)該橋承載能力進(jìn)行評(píng)估，該橋滿足原設(shè)計(jì)荷載（汽車20級(jí)，掛車100級(jí)）使用要求。

（3）該橋在現(xiàn)運(yùn)行道路荷載等級(jí)（公路Ⅰ級(jí)）下，承載能力極限狀態(tài)檢算結(jié)果不能滿足要求。

（4）受限于建造時(shí)期經(jīng)濟(jì)水平及交通量增長(zhǎng)預(yù)期，該橋原設(shè)計(jì)富余量在不采取任何措施的情況下無法提高荷載等級(jí)。但考慮拆除重建橋梁需要花費(fèi)大量人力、物力和財(cái)力，建議對(duì)該橋進(jìn)行維修加固后再利用。

（5）預(yù)應(yīng)力混凝土系桿拱橋承載能力的檢測(cè)與評(píng)估是一項(xiàng)復(fù)雜且綜合性的項(xiàng)目，需綜合考慮其工程背景、區(qū)域規(guī)劃、理論模型和實(shí)際工作狀態(tài)，才能對(duì)其作出科學(xué)客觀的評(píng)價(jià)與建議，在節(jié)約資源的情況下，保證橋梁的安全運(yùn)營(yíng)。