簡支梁橋試驗檢測技術的應用

周志華 付洄運

1 概述

隨著公路大規模建設的開展,橋梁數量迅猛增長,由于使用荷載、環境因素以及結構本身缺陷等的作用,橋梁使用性能退化、承載力不足、適應性不夠,已成為世界各國普遍關心的問題,而通過先進、適用、有效的方法對橋梁結構進行合理的試驗檢測與診斷評定是對在用橋梁進行預防性養護管理,科學維修加固的重要手段。京山橋為位于南昌—高坊嶺一級公路上的一座小橋,南昌—高坊嶺一級公路是江西省第一條一級公路,于 1989年9月建成通車,是南昌市區直接聯通向塘機場和向塘火車站,并通往贛南、贛東的一段主干路。隨著南昌市場經濟日益繁榮和交通量的逐年劇增,省交通運輸廳和市政府決定拓寬南高線,對南高線分期分段實施線路改造。京山小橋需要將中央分隔帶取消達到增加行車道的寬度,為全面了解和科學評定京山小橋的現有狀況,為本次改擴建工程設計提供科學決策依據,對京山小橋進行全橋檢測。

2 工程概況

京山小橋全橋長 29.14m,上部構造采用 2-13m預應力空心板結構;下部構造采用樁柱式橋臺,橋墩采用柱式墩,墩臺均采用鉆孔灌注樁基礎,鉆孔樁內力按 m法計算。橋梁設計荷載標準及主要技術指標:車輛荷載等級為汽車—超 20級設計、掛車—120驗算;橋面凈寬:2×凈 9m;橋面縱坡:0%,橋面橫坡為雙向 1.5%小橋。

上部結構材料:1)混凝土:13m跨徑預應力混凝土空心板、鉸縫均采用 40號混凝土。橋面鋪裝采用 40號防水混凝土,人行欄桿采用 20號混凝土。2)預應力鋼絞線:采用 φj15、標準強度15000 kg/cm松弛鋼絞線。3)普通鋼筋:直徑不小于 10mm者采用Ⅱ級鋼筋,直徑不大于 10mm者采用Ⅰ級鋼筋。4)其他:伸縮縫采用 40型伸縮縫,支座采用 140mm×140mm×42mm橡膠支座。

下部構造材料:1)混凝土:蓋梁、臺帽、樁柱式墩身、柱式臺身、耳背墻、搭板采用 25號混凝土,樁基礎采用 25號水下混凝土。2)普通鋼材同上部結構。3)其他錐坡及防護采用 7.5號漿砌片石及砂礫墊層。石料標號不小于 30號。

3 橋梁試驗檢測

3.1 外觀檢測

橋梁結構外觀檢測主要檢查主梁混凝土、錐坡、墩臺及基礎、支座、橋面鋪裝、伸縮縫、橋面排水系統、人行道及護欄等。

橋梁外觀檢查評定:1)橋面鋪裝層混凝土基本完好;伸縮縫橡膠及型鋼無異常變形。2)從全橋來看,主梁混凝土外觀質量總體較差,混凝土侵蝕嚴重,露筋現象較少。3)全橋大部分支座工作狀態正常,大部分支座的鋼板銹蝕,必須進行維修或更換。4)錐坡總體良好;墩臺混凝土質量總體良好。5)小橋欄桿基本損壞,人行道鋪砌大部分塌陷,坑槽。橋頭照明設施基本完好。

綜上所述,由專家小組認定京山小橋上部構件功能與材料均較差,下部構造功能與材料較好,存在有局部輕度缺損;次要部件功能較差,材料有較多中等缺損。小橋外觀檢查綜合評定為較差狀態。

3.2 混凝土無損檢測

3.2.1 超聲—回彈檢測及碳化深度檢測結果與分析

為檢測該橋各構件現齡期混凝土強度,現場檢測時,選取了全部構件中有代表性構件進行超聲回彈綜合法無破損質量檢測。檢測工作抽檢頻率均嚴格按規范規定的不少于全部構件中的30%進行測試。測區選取有代表性位置如:支座兩支點,L/4,L/2,3L/4處等,在每個構件上均勻布置 10個測區,每個測區內各采取 16個回彈值和 3個超聲聲速值,將測得的數據進行分析處理,得出現齡期混凝土強度推定值,主梁混凝土平均強度值,墩柱、蓋梁、耳墻、臺帽混凝土平均強度值。

3.2.2 混凝土無損檢測評定

對全橋主梁、墩柱、蓋梁、臺帽、耳墻等結構構件進行超聲回彈綜合檢測的結果表明:各種構件的混凝土強度符合設計要求,其中主梁混凝土絕大部分強度大于 40MPa,平均值強度為 42.54MPa,碳化深度為0.5mm;實測墩柱混凝土強度為 28.70MPa,碳化深度為 0.0mm;蓋梁、臺帽、耳墻實測混凝土強度分別為 36.70MPa,35.30MPa,33.80MPa,碳化深度為 0.0mm,推定混凝土強度均達到設計文件要求。對全橋主梁、墩柱、蓋梁、臺帽、耳墻等結構構件進行的鋼筋保護層厚度檢測表明:除主梁露筋區域外,實測主梁保護層厚度最大值為5.1 cm,最小值為 4.2 cm,符合規范要求;實測墩臺保護層厚度最大值為 6.3 cm,最小值為 3.7 cm,蓋梁保護層厚度最大值為 5.4 cm,最小值為 3.8 cm,均符合設計文件及相關規范要求。

3.3 靜荷載試驗

3.3.1 試驗控制荷載和控制斷面

試驗控制荷載時根據橋梁設計圖紙采用各種通用的有限元程序建立平面或空間有限元模型,結合規范及設計要求計算確定。綜合試驗荷載效率 η與設計荷載的等效性、車輛的機動性等選擇加載車型。京山橋為雙幅預應力混凝土簡支空心板梁橋,試驗橋跨選擇通行壓力較大的橋幅進行。控制斷面為跨中斷面的梁底正應力、跨中斷面的撓度、支座沉降。

3.3.2 靜荷載試驗的測點布置

試驗橋跨每片梁的跨中梁底位置均布置有應變測點,測點共計 12個;試驗橋跨每片梁的跨中梁底位置及橋墩支座附近位置均布置有撓度測點,測點共計 24個。

3.3.3 靜荷載試驗的加載程序和車位

本次試驗車輛選用2輛自卸重車。1)跨中偏載正彎矩工況:加 1級:一列一輛重車(1號)加載;加 2級:兩列兩輛重車(1號,2號)加載。2)跨中對稱正彎矩工況:加 1級:一列一輛重車(1號)加載;加 2級:兩列兩輛重車(1號,2號)加載。

3.3.4 數據匯總與評定

1)應力值和撓度值與理論計算值的比值評定。校驗系數 η是評定結構工作狀況、確定橋梁承載能力的一個重要指標。一般要求 η值不大于 1,η值越小,結構的安全儲備越大。在試驗荷載作用下,最大應力校驗系數和最大撓度的校驗系數雖在容許范圍之內,但接近于容許值的上限,說明該橋的安全儲備不夠。2)實測殘余撓度值Sp與實測撓度值Stat的比值評定。根據實測資料可知,跨中控制截面的實測殘余撓度值與最大實測撓度值的比值均滿足《大跨徑混凝土橋梁的試驗方法》中第 3.19條 Sp/Stat≤20%要求。3)靜荷載試驗評定。通過理論分析與現場試驗數據對比,靜荷載試驗結果評定如下:依據《公路舊橋承載能力檢定方法》規定,預應力混凝土橋應力校驗系數范圍為 0.60～0.90,撓度校驗系數范圍為 0.70～1.00,在本次試驗荷載作用下,最大應力校驗系數為 0.95和最大撓度校驗系數為 0.93,其中最大應力校驗系數超出《公路舊橋承載能力檢定方法》要求范圍,最大撓度校驗系數值接近容許上限值,說明該橋的安全儲備較小。

4 問題與建議

4.1 問題

1)該橋病害情況較嚴重,功能降低,進一步惡化將不利于重要部件使用,并影響正常交通,上部部分重要構件(梁板)存在裂縫超出限值的情況,屬于功能性病害。根據《公路橋涵養護規范》中的橋梁技術狀況評定標準,評定該橋為三類橋。2)最大應力校驗系數超出《公路舊橋承載能力檢定方法》要求范圍,最大撓度校驗系數值接近容許上限值,說明該橋的安全儲備較小。3)該橋的交通量大,超載超限車輛多,且該橋位于紅綠燈路口處,長期處于滿布車輛荷載狀況,若將行車道拓寬為三車道很難滿足“正常使用極限狀態”和“承載能力極限狀態”的要求。

4.2 建議

1)外觀檢測發現,梁底混凝土外觀質量較差、質地酥松,部分梁體存在裂縫、鋼筋銹蝕、梁體內漏水等病害;靜荷載試驗結果也表明橋梁安全儲備較小,如需對車道進行拓寬改造則建議通過加固提高主梁的整體承載能力或更換主梁以確保結構安全。2)建議更換第一跨:1號,20號,21號梁;第二跨:1號梁等病害較嚴重梁體。3)對變形和開裂的支座進行更換。4)對人行道板及欄桿進行更換。5)加強對橋梁的日常維護與常規檢查。

5 結語

通過本文的實例,明確了舊橋梁結構的維修和改造都需要事先對結構狀況進行檢測與評價,闡明了橋梁結構靜荷載試驗是對橋梁結構物工作狀態進行直接測試的一種鑒定手段。隨著道路交通建設的發展,以及橋梁使用年齡的增長,結構老化的數量越來越多。舊橋梁結構的維修和改造都需要事先對結構狀況進行檢測與評價。雖然目前已有不少可以應用的檢測評價方法,但有些技術仍需進一步完善才能達到普遍應用的階段。因此,橋梁結構靜荷載試驗技術變得越來越重要了。

[1]JTGD62-2004,公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范[S].

[2]JTGF80/1-2004,公路工程質量檢驗評定標準[S].

[3]JTGH11-2004,公路橋涵養護規范[S].