■彭 浩

（南平市公路事業(yè)發(fā)展中心武夷山分中心，南平 354300）

1 工程概況

大安中橋位于福建省南平市武夷山市，橋型布置為4×20 m 預(yù)應(yīng)力混凝土簡支空心板梁，每跨共7 片預(yù)應(yīng)力混凝土簡支空心板梁，每片梁梁高0.9 m，梁寬1.24 m。 橋梁寬度：0.25 m （混凝土防撞護(hù)欄）+0.75 m（人行道）+7.0 m（行車道）+0.75 m（人行道）+0.25 m（混凝土防撞護(hù)欄）=9.0 m，橋面連續(xù)，橫坡由橋面鋪裝調(diào)整。 1#、5#橋臺為U 型臺，2#、3#、4#橋墩為柱式墩擴(kuò)大基礎(chǔ)。 梁片、橋墩和樁基的混凝土強(qiáng)度等級分別為40 號、30 號和30 號混凝土。 設(shè)計(jì)荷載：汽-20 級，掛-100。 2003 年竣工。 橋梁立面全景圖見圖1。

圖1 橋梁立面圖

圖2 橋梁橫斷面圖

根據(jù)橋梁養(yǎng)護(hù)需要，為了解橋梁的實(shí)際承載能力狀況，擬通過外觀檢測、理論計(jì)算、現(xiàn)場荷載試驗(yàn)及結(jié)構(gòu)檢算，對橋梁承載力進(jìn)行評價。

2 外觀檢測

本次外觀檢測主要內(nèi)容包括： 全橋外觀檢查、上部結(jié)構(gòu)板梁混凝土回彈強(qiáng)度、碳化深度、保護(hù)層厚度、鋼筋銹蝕狀況等。

2.1 外觀檢查

（1）橋面系：經(jīng)檢查，全橋混凝土橋面共有10條橫縱向裂縫，縫長（1.00～5.00）m，寬（1.00～2.50）mm，1 處路面破損S=0.40 m×0.15 m，2 處橋頭搭板路面磨損露粗骨料面積為S1=4.0 m×4.0 m 和S2=8.0 m×3.0 m。 （2）上部結(jié)構(gòu)：2-5#、2-6#、3-1#、3-3#、3-4#空心板板底共出現(xiàn)5 條縱向裂縫，縫長（0.30～1.10）m，縫寬（0.04～0.06）mm。 4-7#空心板梁底1 處掉塊面積S=（0.10×0.10）m2。全橋共3 跨空心板間鉸縫未見填料。 （3）下部結(jié)構(gòu)：9 個支座與梁底不密貼。 3#蓋梁左側(cè)防震擋塊與邊梁密貼，4# 臺左側(cè)防震擋塊與邊梁密貼，0#臺左側(cè)防震擋塊與空心板梁間垃圾堆積，長青苔。 從外觀檢查情況看，第2 跨和第3 跨病害較多。 擬選取外觀較好的第1 跨和病害較多的第3 跨進(jìn)行對比，以分析病害較多的第3 跨橋梁結(jié)構(gòu)是否存在削弱現(xiàn)象。

2.2 混凝土回彈強(qiáng)度檢測

在1-2#、1-4#、1-5#、3-1#、3-5#、3-7# 空心板板底采用回彈法測定橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件材質(zhì)強(qiáng)度，所檢構(gòu)件混凝土強(qiáng)度狀況均為良好，結(jié)果見表1。

表1 橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件材質(zhì)強(qiáng)度測試結(jié)果

2.3 混凝土碳化狀況檢測

在1-2#、1-4#、1-5#、3-1#、3-5#、3-7# 空心板板底采用鉆孔+酚醛指示劑法檢測與評定橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土碳化狀況（表2），結(jié)果顯示：碳化深度實(shí)測平均值（4.5～5.0）mm，混凝土保護(hù)層厚度實(shí)測平均值（59.6～63.9）mm，碳化層深度/保護(hù)層厚度（0.07～0.08），均小于1。 因此，混凝土碳化狀況對橋梁結(jié)構(gòu)耐久性影響不大。

表2 橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土碳化狀況測試結(jié)果

2.4 混凝土保護(hù)層厚度檢測

對橋梁構(gòu)件混凝土保護(hù)層厚度進(jìn)行檢測（表3），構(gòu)件保護(hù)層厚度最大值（64.9～67.8）mm，最小值（55.5～57.6）mm，平均值（59.6～63.9）mm，標(biāo)準(zhǔn)差（2.95～3.73）mm，特征值（54.76～58.50），設(shè)計(jì)值57.0，特征值/設(shè)計(jì)值0.96～1.03，因此，所檢構(gòu)件的保護(hù)層對鋼筋耐久性影響不大，對鋼筋的保護(hù)有效。

表3 橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土保護(hù)層厚度測試結(jié)果

2.5 鋼筋銹蝕狀況

在第1 和第3 跨梁片底面布置測區(qū)進(jìn)行鋼筋銹蝕電位檢測，經(jīng)檢測，該構(gòu)件鋼筋銹蝕電位水平介于（-193～-106）mV。 根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》[1]要求，構(gòu)件鋼筋銹蝕標(biāo)度值取1，因此判定測區(qū)部位鋼筋無銹蝕活動性或銹蝕活動性不確定。

2.6 全橋技術(shù)狀況評分及等級評定

根據(jù) 《公路橋梁技術(shù)狀況評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21-2011）對橋梁總體技術(shù)狀況的評定。 橋梁總體技術(shù)狀況見表4。

表4 橋梁技術(shù)狀況評定

橋梁總體技術(shù)狀況評分為82.9 分， 綜合全橋總體技術(shù)狀況評分及單項(xiàng)控制指標(biāo)，本橋技術(shù)狀況等級2 類。 從外觀檢測結(jié)果看，第3 跨除板梁縱向裂縫較多外，其他外觀檢測結(jié)果與第1 跨很接近。

3 荷載試驗(yàn)

荷載試驗(yàn)包括靜載試驗(yàn)和動載試驗(yàn)。 通過建立橋梁結(jié)構(gòu)的有限元模型，研究橋梁結(jié)構(gòu)在現(xiàn)場加載車輛作用下的實(shí)測值與計(jì)算模型的理論計(jì)算值之間的比值，來評價橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力狀況。 本研究使用Midas Civil 有限元計(jì)算軟件建立空間模型，對本橋上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算模型見圖3。其中每片梁縱向分為20 個單元，每片梁之間按鉸縫進(jìn)行約束，梁體為一端固定，另一端豎向約束、水平向自由伸縮。 動力響應(yīng)分析中，梁體按質(zhì)量塊進(jìn)行處理。 依據(jù)橋梁模型，模擬計(jì)算出橋梁的設(shè)計(jì)荷載等級和試驗(yàn)荷載的內(nèi)力、應(yīng)變和變形，以及橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性。

圖3 橋梁Midas Civil 有限元計(jì)算模型

3.1 靜載試驗(yàn)

橋梁靜載試驗(yàn)主要是通過采用與設(shè)計(jì)荷載等效的橋面靜力荷載作用于橋梁結(jié)構(gòu)，測量橋梁結(jié)構(gòu)在靜力試驗(yàn)荷載作用下的撓度和應(yīng)變，用以確定橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)與最初設(shè)計(jì)期望值是否相符，以及橋梁截面剛度及整體剛度是否滿足設(shè)計(jì)承載能力要求。

3.1.1 試驗(yàn)荷載確定

根據(jù)外觀檢測結(jié)果，選取病害較多的第3 跨作為試驗(yàn)對象，采用4 輛約40 t（400 kN）的重型卡車進(jìn)行加載（圖4）。試驗(yàn)設(shè)置2 個荷載工況，各工況荷載效率系數(shù)在0.95～1.05。試驗(yàn)分為三級加載和一級卸載，每級加載后持續(xù)5 min，使結(jié)構(gòu)得到充分的零荷恢復(fù)后進(jìn)行讀數(shù)，再進(jìn)入下級加載，直至遞增達(dá)到最大荷載，最后直接卸載到零水平，得到殘余應(yīng)變和殘余變形數(shù)據(jù)。加載車輛的主要技術(shù)參數(shù)見表5，車輛縱橫向排列見圖5，靜力加載試驗(yàn)計(jì)算值及荷載效率見表6。

表5 加載車輛主要技術(shù)參數(shù)

表6 靜力加載試驗(yàn)計(jì)算值及荷載效率

圖4 重型卡車加載車型

圖5 各工況下加載車輛的平面布置圖

3.1.2 靜載試驗(yàn)觀測方案

靜力荷載試驗(yàn)的主要觀測項(xiàng)目為應(yīng)變測點(diǎn)和撓度測點(diǎn)。 （1）應(yīng)變測點(diǎn)：將振弦式應(yīng)變計(jì)粘貼在空心板梁底部截面，設(shè)置7 個應(yīng)變測點(diǎn)，測試截面和應(yīng)變測點(diǎn)布置見圖6～7。 （2）撓度測點(diǎn)：在第3 跨中截面、2#墩和3#墩頂支座處布置支點(diǎn)沉降觀測點(diǎn)，共設(shè)置21 個撓度測點(diǎn)（見圖8）。采用精密水準(zhǔn)儀測量，根據(jù)支點(diǎn)沉降結(jié)果對撓度測試結(jié)果進(jìn)行修正。

圖6 靜力荷載試驗(yàn)測試截面

圖7 靜力荷載試驗(yàn)應(yīng)變測點(diǎn)布置圖

圖8 靜力荷載試驗(yàn)撓度測點(diǎn)布置圖（單位：cm）

3.1.3 靜載試驗(yàn)結(jié)果分析（1）應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

橋梁荷載試驗(yàn)在不同工況下的應(yīng)變值見表7～8。由表7～8 可知，在工況1 荷載作用下，主要控制測點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)處于（0.49～0.51）范圍，在工況2 荷載作用下，主要控制測點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)處于（0.50～0.51 范圍），略低于《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）[2]中預(yù)應(yīng)力混凝土橋主要控制測點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)（0.6～0.9）常值范圍，表明在最不利活載效應(yīng)作用下，實(shí)測應(yīng)變值均小于滿載理論值，橋梁應(yīng)力狀況能滿足設(shè)計(jì)要求。 在工況1 荷載作用下，卸載后主要控制測點(diǎn)的最大相對殘余應(yīng)變?yōu)?.3%，在工況2荷載作用下，卸載后主要控制測點(diǎn)的最大相對殘余應(yīng)變?yōu)?.1%，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）中主要控制測點(diǎn)的相對殘余變形（或應(yīng)變）不宜大于20%的規(guī)定，說明橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性受力階段。

表7 工況1：第3 跨最大正彎矩截面左側(cè)偏載各測點(diǎn)應(yīng)變值

表8 工況2：第3 跨最大正彎矩截面右側(cè)偏載各測點(diǎn)應(yīng)變值

（2）撓度數(shù)據(jù)分析

橋梁荷載試驗(yàn)在不同工況下的撓度值見表9～10。由表9～10 可知，在工況1 荷載作用下，主要控制測點(diǎn)撓度校驗(yàn)系數(shù)處于（0.57～0.61）范圍，在工況2 荷載作用下，主要控制測點(diǎn)應(yīng)變校驗(yàn)系數(shù)處于（0.49～0.66 范圍），略低于《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）中預(yù)應(yīng)力混凝土橋主要控制測點(diǎn)校驗(yàn)系數(shù)（0.7～1.0）常值范圍，表明在最不利活載效應(yīng)作用下，實(shí)測撓度值均小于滿載理論值，橋梁變形狀況能滿足設(shè)計(jì)要求。 在工況1 荷載作用下，卸載后主要控制測點(diǎn)的最大相對殘余變形為9.0%，在工況2 荷載作用下，卸載后主要控制測點(diǎn)的最大相對殘余變形為16.3%， 滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》（JTG/T J21-01-2015）中主要控制測點(diǎn)的相對殘余變形（或應(yīng)變）不宜大于20%的規(guī)定，說明橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性受力階段。

表9 工況1：第3 跨最大正彎矩截面左側(cè)偏載各測點(diǎn)撓度值

表10 工況2 ：第3 跨最大正彎矩截面右側(cè)偏載各測點(diǎn)撓度值

3.2 動載試驗(yàn)

動載試驗(yàn)包含環(huán)境振動試驗(yàn)和無障礙行車試驗(yàn)，通過脈動法測量橋梁的自然振動頻率和阻尼比，通過強(qiáng)制振動法測量動態(tài)系數(shù)。 比較測量的頻率、理論計(jì)算的頻率及分析測得的動態(tài)系數(shù)，檢驗(yàn)這些指標(biāo)能否滿足規(guī)范要求，進(jìn)而判定當(dāng)前橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能。

3.2.1 測試項(xiàng)目和測點(diǎn)布置

（1）環(huán)境振動試驗(yàn)

環(huán)境振動試驗(yàn)是在橋面無任何行車荷載以及橋址附近無規(guī)則振源的情況下，在橋梁給定的參考橫截面上布置傳感器，記錄并識別橋梁動態(tài)特性（固有頻率、模態(tài)形狀、阻尼比）及其隨時間的變化，測定橋跨結(jié)構(gòu)由于風(fēng)荷載、地脈動、水流等隨機(jī)荷載引起的橋跨微幅振動響應(yīng)。 橋梁動載測試傳感器的測點(diǎn)布置見圖9。

圖9 橋面環(huán)境振動測點(diǎn)縱橫向布置圖

（2）無障礙行車試驗(yàn)

無障礙行車試驗(yàn)是在橋面無任何障礙的情況下，用1 輛40 t（400 kN）的載重汽車以10、20、30、40 km/h 的速度駛過橋跨結(jié)構(gòu)， 測定橋梁在運(yùn)行車輛荷載作用下的動載反應(yīng)。 無障礙行車測試截面為第3 跨最大正彎矩截面，動撓度測點(diǎn)布置見圖10。

圖10 橋梁無障礙行車動撓度測點(diǎn)布置圖

3.2.2 動載試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）環(huán)境振動試驗(yàn)

在環(huán)境振動試驗(yàn)下測量的豎向一階阻尼比為0.737%、振動頻率S 為5.91 Hz、理論計(jì)算的振動頻率J 為4.69 Hz、S/J 為1.26。 豎向一階理論振型、實(shí)測振型見圖11～12。 動載試驗(yàn)豎向一階實(shí)測頻率為5.91 Hz， 大于通過有限元計(jì)算得到的理論結(jié)構(gòu)基頻4.69 Hz，且實(shí)測振型與理論振型一致，實(shí)測阻尼比0.737%，說明橋梁結(jié)構(gòu)受力狀況較好。

圖11 一階模態(tài)理論振型

圖12 一階模態(tài)實(shí)測振型

（2）無障礙行車試驗(yàn)

橋梁第3 跨在激振試驗(yàn)下的動撓度測試時程曲線見圖13。

圖13 激振試驗(yàn)動撓度測試時程曲線

大橋在無障礙行車情況下的實(shí)測沖擊系數(shù)見表11。

表11 不同車速激振下實(shí)測橋面動撓度與沖擊系數(shù)

由表11 可知，實(shí)測的沖擊系數(shù)（1+μ）換算值介于1.02～1.07。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》計(jì)算得到中橋的沖擊系數(shù)理論值為1.288， 因此實(shí)測值均小于規(guī)范理論值，說明橋面平整度較好、行車舒適度較高。

4 承載能力檢算

本橋板梁跨中截面為主要控制截面，具體的結(jié)構(gòu)尺寸、預(yù)應(yīng)力鋼束和鋼筋構(gòu)造分別見圖14～19。

圖14 板梁結(jié)構(gòu)尺寸圖（單位：cm）

圖15 板梁跨中和支點(diǎn)截面尺寸圖（單位：cm）

圖16 板梁預(yù)應(yīng)力鋼束結(jié)構(gòu)尺寸圖

圖17 板梁跨中和支點(diǎn)截面鋼束位置尺寸圖（單位：cm）

圖18 板梁普通鋼筋結(jié)構(gòu)尺寸圖（單位：cm）

圖19 板梁跨中和支點(diǎn)截面普通鋼筋結(jié)構(gòu)尺寸圖（單位：cm）

檢算涉及的主要計(jì)算參數(shù)如下：板梁采用40號混凝土，相當(dāng)于現(xiàn)行規(guī)范的C38 等級。 預(yù)應(yīng)力鋼束采用6φj-15，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度Ryb=1 860 MPa。 I 級鋼筋直徑φ8，分別為N1～N5、N9～N16，相當(dāng)于現(xiàn)行規(guī)范的HPB300 等級；II 級鋼筋直徑φ12，分別為N7、N7A、N8、N17，相當(dāng)于現(xiàn)行規(guī)范的HRB400 等級。 根據(jù)外觀檢測和靜載、動載的試驗(yàn)結(jié)果，評定大安中橋的承載能力。 依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[3]、《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》[4]、《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》的規(guī)定，分別按計(jì)入和不計(jì)入檢算、惡化、折減、修正系數(shù)的情況，推求橋梁跨中截面正截面抗彎抗力效應(yīng)和最不利荷載效應(yīng)組合值，當(dāng)截面抗彎抗力效應(yīng)大于截面彎矩組合效應(yīng)，承載能力符合要求，反之，則視為橋梁承載力不足。 預(yù)應(yīng)力簡支梁橋承載能力按下列公式計(jì)算：

式（1）中：γ0—結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)；S—荷載效應(yīng)函數(shù)；R（·）—抗力效應(yīng)函數(shù)；fd—材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；adc—構(gòu)件混凝土幾何參數(shù)值；ads—構(gòu)件鋼筋幾何參數(shù)值；Z2—承載能力檢算系數(shù)；ξe—承載能力惡化系數(shù)；ξc—配筋混凝土結(jié)構(gòu)的截面折減系數(shù)；ξs—鋼筋的截面折減系數(shù)。

根據(jù)《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》持久狀況承載能力極限狀態(tài)計(jì)算規(guī)定，參照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTJ021-85）中汽車-20級，掛車-100 的原荷載等級進(jìn)行計(jì)算。跨中控制截面彎矩效應(yīng)組合值為1 581 kN·m，不計(jì)檢算、惡化、折減、修正系數(shù)時，板梁跨中截面抗力為1 884 kN·m。 跨中截面彎矩效應(yīng)組合值小于板梁截面抗力，因此正截面抗彎強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。 計(jì)入檢算、惡化、折減、修正系數(shù)時，各系數(shù)取值如下：根據(jù)橋跨主要測點(diǎn)應(yīng)變或變位校驗(yàn)系數(shù)確定承載能力檢算系數(shù)Z2為1.18；根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》可知承載能力惡化系數(shù)ξe=0.0264； 根據(jù)橋梁截面損傷綜合標(biāo)度值R=1，得出截面折減系數(shù)ξc=1.00；根據(jù)現(xiàn)狀檢查結(jié)果，橋梁無沿鋼筋的裂縫，也沒觀察到鋼筋銹蝕，鋼筋截面鋼筋折減系數(shù)ξs=0.98。 按照《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTJ021-85）進(jìn)行正截面抗彎承載力驗(yàn)算，1# 梁跨中截面最大彎矩組合值為1 581 kN·m，跨中截面抗力為1 637 kN·m，跨中截面彎矩效應(yīng)組合值小于板梁截面抗力，因此正截面抗彎強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》對該橋的承載能力評定，大安中橋承載能力滿足設(shè)計(jì)荷載汽-20 級，掛-100 級的使用要求，具備設(shè)計(jì)通行汽車荷載的能力。

5 結(jié)語

通過對大安中橋外觀檢測、現(xiàn)場荷載試驗(yàn)和承載能力檢算，得出以下結(jié)論：（1）橋梁外觀總體情況較好，全橋技術(shù)狀況評定2 類（82.9 分），存在個別病害問題但對橋梁結(jié)構(gòu)承載力的影響不大；（2）靜載試驗(yàn)荷載滿載時， 各控制截面測點(diǎn)的實(shí)測撓度值、應(yīng)變值均小于理論計(jì)算值，滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》中的校驗(yàn)系數(shù)的常值范圍；各撓度測點(diǎn)、應(yīng)變測點(diǎn)的相對殘余變形（應(yīng)變）滿足《公路橋梁荷載試驗(yàn)規(guī)程》中主要控制測點(diǎn)的相對殘余變形（或應(yīng)變）不宜大于20%的規(guī)定，說明橋梁結(jié)構(gòu)處于彈性受力階段；（3）動載試驗(yàn)中豎向一階實(shí)測頻率為5.91 Hz，大于通過有限元計(jì)算得到的理論結(jié)構(gòu)基頻4.69 Hz，且實(shí)測振型與理論振型一致，實(shí)測阻尼比0.737%，說明橋梁結(jié)構(gòu)受力狀況較好；無障礙行車試驗(yàn)下，實(shí)測的沖擊系數(shù)（1+μ）換算值介于1.02～1.07，小于中橋的沖擊系數(shù)理論計(jì)算值1.288，說明橋面平整度較好、行車舒適度較高；（4）通過對橋梁進(jìn)行承載能力檢算，按計(jì)入惡化、折減、修正系數(shù)的情況，計(jì)算得出橋梁跨中截面抗力大于截面彎矩組合效應(yīng)值，說明橋梁承載能力符合要求，滿足設(shè)計(jì)荷載汽-20 級，掛-100 級的使用要求。