王紅偉,藍日彥,馮學茂,劉 棟,劉全佩

(1.廣西新發(fā)展交通集團有限公司,廣西 南寧 530029;2.廣西大學,廣西 南寧 530004)

0 引言

由于車輛荷載、腐蝕環(huán)境等因素影響,橋梁在服役期內會出現(xiàn)各種威脅安全性和耐久性的病害[1-2],尤其是各類舊橋,準確地獲取和評估病害對承載力的影響對保障舊橋的安全性具有重要的意義。目前,國內針對舊橋的檢測多是采用人工的方法,新檢測技術和新檢測裝備也發(fā)展迅速[3-4],例如智能機器人、聲波CT技術[5]和基于Mask RCNN的橋梁裂縫檢測方法[6]等,相關研究也比較豐富,有力地促進了橋梁病害檢測技術的發(fā)展。關于橋梁狀態(tài)的評估,目前多是基于人工檢測結果結合技術狀況評定規(guī)范來進行,王磊等[7]基于中美兩國橋梁承載力評定規(guī)范對比指出美國的橋梁承載力評定結果略顯保守,中國的評定流程與計算公式更加簡潔。也有學者開展了不同評估方法對比研究,龔江烈等[8]分析了目前常用評定方法的優(yōu)缺點,提出了基于振動特性的原始指紋評定法。此外,也有將材質狀況與模糊評判結合起來[9]、擬靜態(tài)撓度法[10]評定橋梁橋承載力,取得了良好的效果。通過荷載試驗評定橋梁承載力[11-12]也比較多,荷載試驗獲得的橋梁承載力通常低于橋梁的破壞承載力,該方法雖然可靠性較高,但造價較高,在實際應用時受到一定的限制。為了評估某鋼筋混凝土空心板舊橋底板開裂后的安全性,本文采用現(xiàn)場檢測、理論分析和荷載試驗相結合的方法,以人工調查和常規(guī)測量工具相結合的方法對舊橋的病害進行檢測,采用ANSYS有限元軟件建立舊橋的三維精細化實體有限元模型,對舊橋的技術狀況進行計算評定,并開展舊橋的荷載試驗進行驗證,可為國內同類型橋梁的檢測與評估提供借鑒和參考。

1 橋梁構造及病害概況

1.1 橋梁構造簡介

某舊橋全長61 m,橋面為分離式結構,設計荷載為汽-超20、掛-120;上部結構為3×16 m鋼筋混凝土空心板,每幅由11塊30#混凝土的空心板組成,每幅凈寬11.25 m。橋梁縱斷面見圖1。

1.2 梁底病害概況

采用人工調查和常規(guī)測量工具相結合的方法,針對橋梁的橋面系、空心板、墩臺與基礎等進行調查,結果表明三大部分均存在不同程度的病害,其中對結構承載力和安全性影響比較大的是梁的底板開裂,梁底裂縫分布見圖2,其中視圖觀測方向自下向上。

由圖2舊橋的裂縫開裂和分布情況統(tǒng)計分析可知,裂縫寬度在0.04～0.16 mm,裂縫分布范圍比較廣,尤其是跨中部位,削弱了截面的抗力,威脅舊橋的耐久性。

2 舊橋安全性的理論分析

2.1 舊橋技術狀況評定

基于舊橋現(xiàn)場檢測結果,獲得舊橋的實際技術參數(shù),結合公路橋梁技術狀況評定標準,對舊橋進行評定,具體評定結果見表1。

表1 舊橋各部件技術狀況評定結果表

橋梁總體技術狀況得分Dr計算公式如下:

(1)

式中:Ri——評定標度;

Wi——權重。

在獲得橋梁各構件技術狀況評定結果的基礎上,根據(jù)式(1)計算總體技術狀況得分Dr,可得Dr為56.8,屬于三類橋。

2.2 舊橋承載力驗算

基于橋梁的設計圖紙和實際測量尺寸,采用ANSYS有限元軟件建立該舊橋的三維空間精細化實體有限元模型,單元類型采用Solid45,C30混凝土彈性模量3×1010Pa,泊松比為0.2,單元數(shù)為12 504,節(jié)點數(shù)為18 833,邊界條件采用簡支。其有限元模型三維視圖見圖3。

圖3 有限元模型三維視圖

基于建立的三維有限元模型,針對舊橋開展承載力分析。取沖擊系數(shù)為1.209,重要性系數(shù)取1.0。

(1)內力分析。由數(shù)值分析結果可知公路-Ⅰ級荷載作用下,舊橋的最不利跨中彎矩為1 114.158 kN·m,梁端剪力為326.875 kN。根據(jù)橋梁的構造和材料參數(shù),計算可得跨中彎矩承載力為1 113.7 kN·m,梁端剪力為636.61 kN。由此可知,橋梁的跨中彎矩不滿足公路-Ⅰ級荷載要求,梁端剪力滿足要求。

(2)裂縫驗算。綜合考慮恒載、汽車活載及各自分項系數(shù),計算可得短期和長期效應的組合值分別為681.485 kN·m和565.713 kN·m。

鋼筋應力σss和縱向受拉鋼筋配筋率ρ的計算分別見式(2)和式(3)。

σss=Ms/0.87Ash0=188.720 N/mm2

(2)

(3)

式中:b——截面寬度(mm);

As——受拉鋼筋面積(mm2);

bf——翼緣寬度(mm);

hf——翼緣厚度(mm);

h0——有效高度(mm)。

裂縫寬度Wtk計算見式(4),可知橋梁的裂縫寬度Wtk>0.2 mm,不滿足橋梁規(guī)范要求。

(4)

式中:C1、C2和C3——系數(shù);

σss——鋼筋應力(MPa);

d——鋼筋直徑(mm);

ρ——效配筋率;

Es——鋼筋彈性模量(N/mm2)。

3 舊橋安全性的試驗驗證

基于舊橋現(xiàn)場檢測、技術狀況評定和承載力驗算,開展舊橋的荷載試驗,獲取橋梁的靜力和動力特性,評估舊橋的安全性。

3.1 試驗設計

在舊橋現(xiàn)場檢測和理論分析基礎上,為了檢驗舊橋實際承載力,開展靜載和動載試驗?？紤]舊橋的構造和受力特點,選取中跨和邊跨的跨中截面和支座截面進行測試。在測試截面布置動靜應變和位移測點,橋面布置速度傳感器。測點布置見圖4。

圖4 測點布置示意圖

荷載采用公路-Ⅰ級,進行試驗布載和數(shù)值分析,計算結果表明采用3輛34 t重單軸車可滿足加載效率0.95～1.05。

3.2 靜力試驗結果分析

3.2.1 靜應變試驗結果分析

各工況荷載作用下,舊橋中跨跨中各測點應力測試及計算值見圖5,邊跨跨中各測點應力測試及計算值見圖6。拉應力為正,壓應力為負。

圖5 中跨跨中各測點應力測試及計算值曲線圖

圖6 邊跨跨中各測點應力測試及計算值曲線圖

對圖5和圖6進行分析可知:

不同荷載工況作用下,各測點應力測試值與計算值存在一定差別,實測值均小于計算值,最大測試值為3.18 MPa(在2#墩～3#臺第3跨),相應最大計算值為3.20 MPa,但全橋只有2根梁應力>3 MPa。這主要是由于有限元計算是將橋梁簡化為彈性體分析,而舊橋各跨板底面存在大量裂縫。

恒載應力疊加活荷載應力后,加上恒載應力最大值達7.40 MPa,其他板板底應力在疊加恒載應力后全部都>3.0 MPa,超過混凝土抗拉強度。由于三跨都具有相同幾何尺寸、相同剛度及相同荷載作用,對應工況的實測數(shù)據(jù)基本一致,證明實測數(shù)據(jù)規(guī)律是準確的。卸載后各測點殘余應變值均<5με,結構處于彈性工作范圍。

3.2.2 靜撓度試驗結果分析

各工況荷載作用下,測點撓度實測及計算值見圖7。測點豎向位移向上為負,向下為正。

圖7 各測點靜撓度測試及計算結果曲線結果圖

由圖7分析可知:各工況不利荷載作用下各測點撓度分布規(guī)律合理,并與有限元計算結果一致,校驗系數(shù)<1,最大撓度發(fā)生在5#板測點,其值為2.97 mm,小于規(guī)范允許值L/600,橋梁整體剛度比較好,橫向剛度沒有降低。

3.2.3 裂縫開展情況分析

在測試橋梁空心板應變及撓度的同時,對活載作用典型裂縫開展寬度進行測試。在各不利工況作用下,橋梁主橋空心梁底結構裂縫最大開展寬度為0.012 mm,恒載裂縫寬度為0.14 mm,即活載下裂縫的最大寬度為0.152 mm,小于規(guī)范容許值,卸載后裂縫恢復恒載寬度,證明橋梁彈性工作狀態(tài)良好。

綜上所述,舊橋的承載力略低于公路-Ⅰ級荷載,且存在一定病害,需加固維修。

3.3 動力試驗結果分析

通過1輛34 t車分別以不同速度從橋上駛過,測試舊橋的動力特性。

(1)振動頻率測試分析。測得中跨橫向和豎向1階固有頻率分別為3.427 Hz和2.944 Hz,中跨豎向在20 km/h、40 km/h和60 km/h跑車工況下,豎向1階振動頻率分別為7.832 Hz、7.822 Hz和7.832 Hz,橫向1階振動頻率分別為4.895 Hz、4.907 Hz和4.895 Hz。結合振動功率譜可知,舊橋固有頻率與跑車振動主頻率雖然接近,但分布在跑車的振動主頻率能量很小,不會引起共振。

(2)動應力和動撓度測試分析。舊橋在20 km/h、40 km/h和60 km/h的跑車和剎車工況下的最大拉應力分別為0.233 MPa和0.733 MPa。各工況下最大動位移是3.238 mm,舊橋的剛度滿足正常使用要求。

(3)振動速度和沖擊系數(shù)。舊橋在各種跑車工況下測點最大速度為8.214 mm/s,在剎車、落車的工況下最大速度達到1.274 cm/s。各種跑車工況下最大沖擊系數(shù)為1.232,振動阻尼比為5.099%,能滿足使用條件。

4 結語

圍繞某鋼筋混凝土空心板舊橋底板開裂病害的安全性分析,以人工調查和常規(guī)測量工具相結合的方法對舊橋的病害進行檢測,獲取了鋼筋混凝土空心板舊橋底板開裂病害的分布情況;采用ANSYS有限元軟件建立了舊橋的三維精細化實體有限元模型,對舊橋的技術狀況進行計算評定,結果表明舊橋的技術狀況評分為56.8,屬于三類橋,跨中彎矩不滿足公路-Ⅰ級荷載要求,梁端剪力滿足要求;開展了舊橋的荷載試驗,試驗結果表明舊橋的承載力略低于公路-Ⅰ級荷載,且存在一定病害,需要進行加固,進一步驗證了鋼筋混凝土空心板舊橋底板開裂后理論分析結果的準確性,可為國內同類型橋梁的檢測與評估提供借鑒和參考。