摘要 隨著高速公路的迅速發(fā)展和運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，既有橋梁在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中出現(xiàn)了各種結(jié)構(gòu)問(wèn)題，有必要對(duì)橋梁進(jìn)行分析從而準(zhǔn)確判明橋梁構(gòu)件的損傷程度及原因，保證橋梁結(jié)構(gòu)安全。文章在對(duì)一座大跨徑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行技術(shù)狀況評(píng)定的基礎(chǔ)上，按照相關(guān)規(guī)范引入各種檢算系數(shù)，利用有限元軟件建立計(jì)算模型，對(duì)橋梁進(jìn)行了承載能力評(píng)定，可以為公路管養(yǎng)部門(mén)進(jìn)行橋梁養(yǎng)護(hù)科學(xué)決策提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持和服務(wù)。

關(guān)鍵詞 橋梁；構(gòu)件損傷；結(jié)構(gòu)安全；檢算；有限元

中圖分類(lèi)號(hào) U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）13-0043-04

0 引言

隨著國(guó)家在交通領(lǐng)域的投入持續(xù)加大，高速公路里程在快速增加，橋隧比也在持續(xù)增大。大跨徑橋梁作為路線(xiàn)的控制性工程，在工程建設(shè)中起著關(guān)鍵性作用[1]。對(duì)于重載交通的路段，交通量與日俱增，橋梁由于長(zhǎng)期的超負(fù)荷運(yùn)營(yíng)，出現(xiàn)了各種結(jié)構(gòu)問(wèn)題。對(duì)于某些表面結(jié)構(gòu)問(wèn)題，往往只是影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，通過(guò)維修處置就可以消除；而對(duì)于結(jié)構(gòu)性損傷，會(huì)影響橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力，造成承載能力不能滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求，影響橋梁結(jié)構(gòu)安全，對(duì)運(yùn)營(yíng)路線(xiàn)造成安全隱患。通過(guò)橋梁承載能力的評(píng)定，可以為公路管養(yǎng)部門(mén)進(jìn)行橋梁養(yǎng)護(hù)科學(xué)決策提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持和服務(wù)[2-3，6]。

1 工程概況

某特大橋?yàn)?4 m+4×152 m+84 m六跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)橋，橋梁全長(zhǎng)783 m；分左右幅，橋面寬24.5 m，上部結(jié)構(gòu)截面形式為單箱單室箱形梁，下部結(jié)構(gòu)1～4號(hào)橋墩墩梁固結(jié)，采用雙薄壁空心墩，5號(hào)橋墩采用薄壁空心墩。橋臺(tái)采用輕型埋置式橋臺(tái)，基礎(chǔ)采用擴(kuò)大基礎(chǔ)。橋面鋪裝采用瀝青混凝土，汽車(chē)荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)，該橋于2010年12月建成通車(chē)。

2 橋梁缺損與材質(zhì)狀況檢測(cè)評(píng)定

2.1 橋梁缺損檢測(cè)與評(píng)定

該橋在歷年定期檢查中發(fā)現(xiàn)的主要問(wèn)題為：橋面鋪裝存在縱向裂縫、坑洞、破損；上部承重構(gòu)件存在橫向裂縫、斜向裂縫、縱向裂縫，其中頂板滲水較嚴(yán)重。

2023年橋梁外觀檢查中發(fā)現(xiàn)橋面鋪裝病害數(shù)量比2022年有所增加，上部承重構(gòu)件腹板存在橫向裂縫、斜向裂縫、縱向裂縫的數(shù)量有所增加，頂板滲水病害數(shù)量有所減少。

按照《公路橋梁技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/T H21—2011）[4]對(duì)該橋進(jìn)行橋梁技術(shù)狀況評(píng)定：2021年左幅和右幅橋梁技術(shù)狀況等級(jí)均評(píng)定為3類(lèi)；2022年對(duì)橋梁病害進(jìn)行了維修處置，左幅和右幅橋梁技術(shù)狀況等級(jí)均評(píng)定為2類(lèi)；2023年左幅和右幅橋梁技術(shù)狀況等級(jí)均評(píng)定為2類(lèi)，其中橋梁上部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評(píng)定為3類(lèi)，橋梁下部結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評(píng)定為1類(lèi)，橋梁橋面系技術(shù)狀況評(píng)定為3類(lèi)。

該橋2023年的左幅和右幅橋梁技術(shù)狀況等級(jí)分?jǐn)?shù)均較2022年有所降低，分析原因如下：豎向裂縫、斜向裂縫主要原因有預(yù)應(yīng)力孔道注漿不密實(shí)，長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)導(dǎo)致預(yù)應(yīng)力損失；運(yùn)營(yíng)期超載車(chē)輛和重車(chē)較多?？v向裂縫主要原因有預(yù)應(yīng)力管道注漿不密實(shí)，積水凍脹引起開(kāi)裂；鋼筋保護(hù)層厚度過(guò)薄，導(dǎo)致沿鋼筋方向出現(xiàn)裂縫。頂板滲水主要原因有防水層破損失去保護(hù)作用；頂板混凝土澆筑不密實(shí)，在行車(chē)作用下出現(xiàn)開(kāi)裂，導(dǎo)致降水從橋面防水層的開(kāi)裂處滲入。

2.2 橋梁材質(zhì)強(qiáng)度檢測(cè)與評(píng)定

采用全自動(dòng)數(shù)顯回彈儀，選擇主梁、橋墩進(jìn)行檢測(cè)。上部結(jié)構(gòu)選取6個(gè)構(gòu)件，下部結(jié)構(gòu)選取5個(gè)構(gòu)件，共110個(gè)測(cè)區(qū)進(jìn)行回彈檢測(cè)。測(cè)試的11個(gè)構(gòu)件混凝土強(qiáng)度的實(shí)測(cè)推定值大于設(shè)計(jì)值，評(píng)定標(biāo)度值均為1，測(cè)試結(jié)果表明測(cè)試的各構(gòu)件混凝土強(qiáng)度狀況良好。

2.3 混凝土橋梁鋼筋銹蝕電位檢測(cè)與評(píng)定

鋼筋銹蝕電位檢測(cè)采用半電池電位法，選擇主梁、橋墩進(jìn)行檢測(cè)，按測(cè)區(qū)銹蝕電位最低值取值。上部結(jié)構(gòu)選取6個(gè)構(gòu)件，下部結(jié)構(gòu)選取5個(gè)構(gòu)件，每個(gè)構(gòu)件選取20個(gè)測(cè)點(diǎn)。測(cè)試的11個(gè)構(gòu)件的鋼筋銹蝕電位評(píng)定標(biāo)度均為1，測(cè)試結(jié)果表明測(cè)試的各構(gòu)件鋼筋銹蝕活動(dòng)性為不確定或無(wú)銹蝕活動(dòng)性。

2.4 混凝土橋梁氯離子含量檢測(cè)與評(píng)定

在現(xiàn)場(chǎng)鉆孔收集混凝土粉末后，采用滴定法進(jìn)行混凝土的氯離子含量檢測(cè)，選擇在主梁及橋墩進(jìn)行取樣，上部結(jié)構(gòu)選取6個(gè)構(gòu)件，下部結(jié)構(gòu)選取5個(gè)構(gòu)件，每個(gè)構(gòu)件選取3個(gè)測(cè)區(qū)。測(cè)試的11個(gè)構(gòu)件的氯離子含量評(píng)定標(biāo)度均為1，測(cè)試結(jié)果表明測(cè)試的各構(gòu)件誘發(fā)鋼筋銹蝕的可能性都很小。

2.5 混凝土橋梁電阻率檢測(cè)與評(píng)定

混凝土電阻率采用四電極阻抗測(cè)量法進(jìn)行測(cè)定，選擇主梁、橋墩進(jìn)行檢測(cè)，按測(cè)區(qū)銹蝕電位最低值取值。上部結(jié)構(gòu)選取6個(gè)構(gòu)件，下部結(jié)構(gòu)選取5個(gè)構(gòu)件，每個(gè)構(gòu)件選取30個(gè)測(cè)區(qū)。測(cè)試的11個(gè)構(gòu)件的電阻率評(píng)定標(biāo)度均為1，說(shuō)明測(cè)試的各構(gòu)件鋼筋的銹蝕速率很慢。

2.6 混凝土橋梁碳化狀況檢測(cè)與評(píng)定

混凝土碳化深度測(cè)試位置與混凝土強(qiáng)度測(cè)試位置一致，上部結(jié)構(gòu)選取6個(gè)構(gòu)件，下部結(jié)構(gòu)選取5個(gè)構(gòu)件，每個(gè)構(gòu)件選取3個(gè)測(cè)區(qū)。測(cè)試的11個(gè)構(gòu)件的碳化深度平均值在1.0～3.0 mm之間，評(píng)定標(biāo)度均為1，說(shuō)明碳化深度對(duì)鋼筋的銹蝕無(wú)影響。

2.7 混凝土橋梁鋼筋保護(hù)層厚度檢測(cè)與評(píng)定

混凝土鋼筋保護(hù)層厚度應(yīng)采用鋼筋檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)，選擇在主梁及橋墩進(jìn)行測(cè)試，上部結(jié)構(gòu)選取6個(gè)構(gòu)件，下部結(jié)構(gòu)選取5個(gè)構(gòu)件，每個(gè)構(gòu)件選取10個(gè)測(cè)點(diǎn)。11個(gè)構(gòu)件的鋼筋保護(hù)層厚度評(píng)定標(biāo)度在1～5之間，說(shuō)明構(gòu)件鋼筋易失去堿性保護(hù)，引起銹蝕。

2.8 橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率檢測(cè)與評(píng)定

橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率不僅能夠反映橋梁結(jié)構(gòu)的剛度和受力狀況，還能夠反映橋梁結(jié)構(gòu)的損傷程度。該次橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率檢測(cè)評(píng)定標(biāo)度為1，表明該橋測(cè)試聯(lián)的整體剛度較好。

3 橋梁承載能力檢算相關(guān)參數(shù)

按照相關(guān)規(guī)范對(duì)混凝土橋梁進(jìn)行配筋，在計(jì)算反映橋梁結(jié)構(gòu)承載能力狀態(tài)的抗力效應(yīng)時(shí)，應(yīng)根據(jù)測(cè)試結(jié)果引入計(jì)算得到的承載能力檢算系數(shù)Z1或Z2、承載能力惡化系數(shù)ξe、混凝土截面折減系數(shù)ξc、鋼筋截面折減系數(shù)ξs，活載影響修正系數(shù)ξq。承載能力的檢算系數(shù)應(yīng)依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）進(jìn)行取值[5]。

3.1 承載能力檢算系數(shù)Z1

按照相關(guān)規(guī)范，應(yīng)考慮橋梁結(jié)構(gòu)的表觀缺損狀態(tài)、材質(zhì)強(qiáng)度和實(shí)測(cè)自振頻率的檢測(cè)評(píng)定結(jié)果，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果確定結(jié)構(gòu)的承載能力檢算系數(shù)評(píng)定標(biāo)度D，結(jié)果見(jiàn)表1所示，最后按照《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）計(jì)算承載能力的檢算系數(shù)Z1。

根據(jù)承載能力檢算系數(shù)評(píng)定標(biāo)度D的取值，則Z1=1.13。

3.2 截面折減系數(shù)ξc

按照相關(guān)規(guī)范，根據(jù)材料風(fēng)化結(jié)果、結(jié)構(gòu)物理與化學(xué)損傷結(jié)果、結(jié)構(gòu)混凝土碳化檢測(cè)結(jié)果指標(biāo)計(jì)算結(jié)構(gòu)截面損傷的綜合評(píng)定標(biāo)度R，最后按照《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）計(jì)算截面折減系數(shù)ξc，結(jié)果見(jiàn)表2所示。

3.3 配筋混凝土鋼筋截面折減系數(shù)ξs

對(duì)于配筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮橋梁結(jié)構(gòu)的現(xiàn)有表觀缺損狀況、鋼筋銹蝕情況，確定配筋混凝土鋼筋的截面折減系數(shù)ξs。根據(jù)橋梁外觀檢查的評(píng)定結(jié)果，鋼筋截面的折減系數(shù)ξs取值為0.98。

3.4 配筋混凝土橋梁承載能力惡化系數(shù)ξe

按照相關(guān)規(guī)范，對(duì)于配筋混凝土橋梁，應(yīng)綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)表觀缺損狀況、鋼筋銹蝕電位、混凝土電阻率、混凝土碳化情況、鋼筋保護(hù)層厚度、氯離子含量等的測(cè)試結(jié)果、混凝土強(qiáng)度，確定配筋混凝土橋梁的承載能力惡化系數(shù)ξe，結(jié)果見(jiàn)表3所示。

按照《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）惡化系數(shù)ξe為0.066。

3.5 活載影響修正系數(shù)ξq

根據(jù)調(diào)查的近年來(lái)通過(guò)該橋的典型代表交通量結(jié)果、大噸位車(chē)輛混入率結(jié)果和軸荷分布情況，該橋的活載影響修正系數(shù)ξq取值為1.06。

4 有限元計(jì)算模型與檢算結(jié)果

4.1 有限元計(jì)算模型

該橋檢算采用Midas Civil 2021橋梁專(zhuān)用計(jì)算軟件建立的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，模型見(jiàn)圖1所示。

依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》（JTG/T J21—2011），對(duì)于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的承載能力極限狀態(tài)應(yīng)根據(jù)橋梁檢測(cè)結(jié)果按照下式進(jìn)行計(jì)算[6-7]：

γ0S≤R（ fd，ξcadc，ξsads）Z1（1?ξe） （1）

式中，γ0——結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)；S——荷載效應(yīng)函數(shù)；R（·）——結(jié)構(gòu)的抗力效應(yīng)函數(shù)；fd——結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；adc——結(jié)構(gòu)構(gòu)件混凝土的幾何參數(shù)值；ads——結(jié)構(gòu)構(gòu)件鋼筋的幾何參數(shù)值。

4.2 主梁正截面抗彎?rùn)z算結(jié)果

選取主梁最不利彎矩截面進(jìn)行正截面抗彎的承載能力檢算，根據(jù)承載能力檢算公式，其內(nèi)力組合值及對(duì)應(yīng)截面抗力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4所示。

由表4可知，主梁最不利截面抗彎?rùn)z算結(jié)果的效應(yīng)與抗力比值在0.58～0.77之間，說(shuō)明主梁抗彎性能良好，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.3 主梁斜截面抗剪檢算結(jié)果

主梁關(guān)鍵截面剪力組合值及對(duì)應(yīng)截面抗剪承載能力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5所示。

由表5可知，主梁關(guān)鍵截面抗剪檢算結(jié)果的效應(yīng)與抗力比值在0.59～0.81之間，說(shuō)明主梁抗剪性能良好，滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4.4 正截面抗裂檢算結(jié)果

按照相關(guān)規(guī)范，在短期作用效應(yīng)組合下，全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件應(yīng)符合以下要求：對(duì)于分段澆筑的縱向分塊構(gòu)件：

σst?0.8σpc≤0 （2）

式中，σst——荷載作用短期效應(yīng)組合下結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗裂驗(yàn)算時(shí)，結(jié)構(gòu)邊緣的混凝土法向拉應(yīng)力；σpc——扣除結(jié)構(gòu)全部預(yù)應(yīng)力損失后的預(yù)加力在構(gòu)件抗裂驗(yàn)算時(shí)，結(jié)構(gòu)邊緣的混凝土預(yù)壓應(yīng)力。

根據(jù)檢算結(jié)果，除梁端截面，主梁上緣和下緣均未出現(xiàn)拉應(yīng)力，正截面抗裂滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求。

4.5 斜截面抗裂檢算結(jié)果

按照相關(guān)規(guī)范，在作用短期效應(yīng)組合下，全預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件應(yīng)符合下列條件：現(xiàn)場(chǎng)澆筑（包括預(yù)制拼裝）構(gòu)件：

σtp≤0.4×Z1×ftk （3）

式中，σtp——荷載作用短期效應(yīng)組合和預(yù)加力產(chǎn)生的混凝土主拉應(yīng)力；ftk——混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；Z1——承載能力檢算系數(shù)。

根據(jù)檢算結(jié)果，主梁主拉應(yīng)力最大為0.386 MPa＜0.4×Z1×ftk=0.4×1.13×2.85 MPa=1.288 MPa，說(shuō)明斜截面抗裂滿(mǎn)足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

在橋梁技術(shù)狀況評(píng)定的基礎(chǔ)上，按照相關(guān)規(guī)范，對(duì)橋梁缺損與材質(zhì)狀況進(jìn)行了檢測(cè)評(píng)定，并引入橋梁承載能力檢算系數(shù)，利用有限元軟件進(jìn)行了建模計(jì)算，分別對(duì)主梁正截面抗彎、主梁斜截面抗剪、正截面抗裂、斜截面抗裂進(jìn)行了分析，檢算結(jié)果滿(mǎn)足原設(shè)計(jì)荷載等級(jí)要求。

大跨徑橋梁作為路線(xiàn)的控制性工程，在工程建設(shè)中起著關(guān)鍵性作用。隨著交通量與日俱增，對(duì)于重載交通的路段，橋梁由于長(zhǎng)期的超負(fù)荷運(yùn)營(yíng)，導(dǎo)致出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)性損傷，會(huì)影響橋梁的結(jié)構(gòu)安全，對(duì)運(yùn)營(yíng)造成安全隱患。為此，應(yīng)綜合考慮橋梁現(xiàn)有技術(shù)狀況，在橋梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重病害且難以判明構(gòu)件損傷原因及程度時(shí)，對(duì)其進(jìn)行承載能力的檢測(cè)評(píng)定[8]，可以為公路管養(yǎng)部門(mén)進(jìn)行橋梁養(yǎng)護(hù)科學(xué)決策提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持和服務(wù)。

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收稿日期：2024-02-22

作者簡(jiǎn)介：魏鑫（1983—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：工程結(jié)構(gòu)檢測(cè)及分析應(yīng)用。

基金項(xiàng)目：山西省交通建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心（有限公司）科技創(chuàng)新項(xiàng)目“既有大跨徑連續(xù)剛構(gòu)和連續(xù)梁橋病害成因分析及維修加固技術(shù)研究”（23-JCKJ-01）；山西工程科技職業(yè)大學(xué)校級(jí)基金“三維激光點(diǎn)云智能建造技術(shù)研究與應(yīng)用”（KJ202320）。