基于檢測的連續剛構橋病害分析及承載能力驗算

黃柳云 孟金 程振庭

摘要：為了解某預應力混凝土連續剛構橋的工作狀況，對該橋在現役狀態下承載力檢測評定開展研究：系統分析了全橋構件外觀缺陷、村質狀況與狀態參數等拎查評定，根據檢查結果按照《公路橋梁技術狀況評定標準》進行技術狀況等級評定;并根據相關規范和檢測數據計算出主橋承載能力驗算的相關參數，同時在考慮外觀病害、村質缺損狀況及橋梁變形的影響下，利用有限元軟件MIDAS/Civil對橋梁結構承載能力進行檢算評估。根據檢測結果和計算分析表明：該橋在現役狀態下承載能力和正常使用性能滿足設計荷載等級要求，但主要構件存在裂縫、剝落、露筋、蜂窩和麻而等病害，對結構承載能力有較大影響，建議后期應及時采取防治措施，并加強巡查和養護。

關鍵詞：預應力混凝土：連續剛構：病害分析：安全等級

中圖分類號：u448.23DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.01.007

0引言

我國公路橋梁在最近幾十年得到了迅速發展，預應力混凝土連續剛構橋以其整體穩定性好、抗震能力強、預應力強度高、跨越能力強等優勢獲得了大規模應用，己成為設計方案中最常見的選擇。但由于設計經驗不足、施工質量管控不嚴及運營時限過長等原因，導致不少連續剛構橋梁出現了諸如跨中下撓過大、梁體開裂等病害，這些病害的出現使得橋梁的實承載能力降低，影響到橋梁的正常使用。

針對這一問題，目前國內外學者開展了相應研究。彭偉等以三峽庫區某連續剛構橋為研究對象，對橋梁進行了外觀檢測和承載力驗算分析，得出該橋滿足規范要求的結論;董曉兵等根據某預應力混凝土連續剛構橋的外觀檢測結果，對該橋的主要病害裂縫成因利用有限元軟件分別進行了定量分析與實體單元分析，認定箱梁開裂原因主要為預應力損失及超載，并提出了相應的加固維修方案;陳祥方等基于某在役預應力混凝土連續剛構橋梁的檢測結果，系統分析了該橋承載力的評定過程，實現了檢測結果的量化應用;張椿明等以某服役多年的石拱橋為研究對象，利用有限元軟件ANSYS對橋梁進行了仿真模擬，并對比了檢測結果，得出承載力滿足設計荷載等級要求;Andric等采用模糊層次分析法（FAHP）對橋梁在多種危險狀況下的風險評估進行了分析，提出了一種新的災害風險評估框架;Anania等研究了后張預應力混凝土橋梁的破壞倒塌模式，提出了制造不足對失效模式的影響。

本文以廣西某連續剛構橋為例，系統分析該橋的外觀檢查與材質狀況專項檢查評定過程，采用分層綜合評定與5類橋梁單項控制指標相結合的方法綜合評定全橋技術狀況等級，結合有限元軟件驗算評估橋梁結構的承載力，為橋梁后期安全運營提供技術依據。

1 工程概況

廣西某連續剛構橋（圖1）是南寧至河池高速公路上的一座大型橋梁，全長285.5m，橋面全寬24.5m，左右幅橋面寬均為12.25m。設計荷載：高速公路“汽車-超20級”“掛車-120”。上部結構采用75m+125m+75m三跨預應力混凝土變截面連續剛構箱梁，截面為單箱單室直腹板，箱梁頂面寬度為12.5m，底寬7m，梁高由跨中2.50m二次拋物線變化至墩頂梁高6.80m。下構中0#臺為重力式U型橋臺、3#臺為肋板式橋臺，主墩采用柔性薄壁墩，橋臺基礎均為樁基礎，墩基礎采用明挖擴大基礎。橋面系采用現澆混凝土鋪裝，支座均采用盆式橡膠支座。

2檢測結果分析

2.1橋梁外觀檢測

通過對該橋的外觀檢測，發現病害主要有裂縫、剝落、露筋、蜂窩和麻面，這些病害集中于上部結構的箱梁外底板、箱梁外腹板、箱梁內頂板、箱梁內腹板、橫隔板和下部結構橋墩（臺）等部位，主橋部分破壞形態如圖2所示。

主橋檢查表明：箱梁內、外側有數條縱向裂縫，其中左幅箱梁內側裂縫最長，達10.04m，最大縫寬0.10mm;右幅箱梁外側裂縫數量最多，共計67道，縫長合計54.90m，最大縫長4.83m，最大縫寬0.20mm，發現存在少許網狀裂縫及斜向裂縫，裂縫均未超過規范限寬，全橋箱梁伴隨出現混凝土剝落、露筋且銹蝕、蜂窩、麻面等病害;橋臺帽梁存在少量豎向裂縫，側墻及背墻有3道斜向裂縫超過規范限寬;橋面鋪裝出現輕微開裂及破損。

2.2橋面線性測量

本橋測點布置首先用原己布設點，按路線前進方向布設68個觀測點開展橋梁線性測量工作。為便于表示橋面線形測量結果，另設局部樁號、高程系統，自定義基準點高程為100m，起點K0設于0#臺前端，全橋左、右幅共布置17個測試斷面，其橋面測線結果如圖3所示。從圖3看出，全橋橋面線形基本平順，主橋及引橋無明顯沉降和下撓。

3技術狀況等級評定

根據公路橋梁技術狀況《評定標準》（JTG/T H21—2011），首先，按“基層先評”的原則逐級打分，具體為對所檢測橋梁，按橋型劃分檢查部件及權重，從橋梁構件、橋梁部件到橋梁上部結構、下部結構、橋面系，最終對橋梁總體技術狀況進行評分。剛構橋總體技術評分見表1.

計算出主橋左幅及右幅技術狀況評分分別為80.5、80.2，技術狀況等級評定均為2類，表明結構有輕微缺損，對橋梁使用功能無影響。

4承載能力檢算

4.1舊橋相關檢算系數確定

4.2承載能力檢算評估

由于主橋為跨徑125m的大跨剛構橋，梁端支座反力偏大，其承載能力需詳細驗算，故結合檢測結果，計入按照相關規范和檢測數據計算出的主橋承載能力相關參數。同時，在考慮外觀病害、材質缺損狀況及橋梁變形的影響下，驗算評估主橋運營狀態下的承載能力，系統分析橋梁結構實際狀態。

4.2.1計算模型及橋梁沖擊系數說明

采用橋梁專業有限元程序Midas/Civil建立全橋有限元桿系單元模型，其中主梁和橋墩均選用梁單元。主橋計算模型共劃分220個單元、227個節點，如圖4所示。在結構模型建立中，假設混凝土、鋼筋為理想彈性材料，材料的彈性模量為常數;不考慮橋面鋪裝、護欄的剛度對橋梁抗彎能力的提高;截面變形符合平截面假設。

在橋梁沖擊系數計算中，考慮該橋設計時根據《公路橋涵設計通用規范》（JTJ021—89），該橋跨徑大于45m，不計橋梁沖擊系數;本次計算根據規范《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015），通過有限元計算得到該橋橋梁沖擊系數為0.05.

4.2.2檢算結果分析

在該橋結構驗算中，主要驗算橋梁在各個不同荷載工況組合并結合舊橋設計參數，參照《公路橋涵設計通用規范》（JTGD60-2015）進行代換，分析得到不同狀態下的主梁內力、應力、位移的驗算值。考慮到該橋左右幅分離、結構形式對稱、施工方法相同，本次選取左幅1#和2#跨進行檢算。

1）承載能力極限狀態檢算

在箱梁正截面抗彎承載能力檢算中，根據連續剛構橋結構受力特點，選取1#和2#跨最大正彎矩截面、墩頂左側及右側最大負彎矩截面作為主要控制截面;在斜截面抗剪承載能力檢算中，以1#和2#跨墩頂左、右兩側截面作為主要控制截面。箱梁的荷載效應與截面抗力對比如圖5所示。

由圖5可知，對比新舊規范設計要求，根據《公路橋涵設計通用規范》（JTG 1360-2015）進行驗算，主梁受荷載效應更大，但箱梁各截面的荷載效應均小于截面抗力，說明其抗彎承載能力及抗剪承載能力既滿足《公路橋涵設計通用規范》（JTJ021-89）中高速公路車輛荷載：“汽車-超20級”“掛車-120”“人群荷載：3.0kN/m²”的要求，同時也滿足規范（JTGD60-2015）中規定的高速公路汽車荷載等級：“公路-I級”“人群荷載：3.0kN/m²”之要求。

2）正常使用極限狀態檢算

在對該橋正常使用極限狀態正截面抗裂、斜截面抗裂驗算中發現：橋梁在設計條件下，主橋主梁斷面頂板、底板均處于壓應力狀態，且壓應力安全儲備較大。按照《通用規范》（JTG D60-2015）進行代換驗算，發現主橋主梁斷面頂板、底板絕大部分處于壓應力狀態，僅2號跨中附近處于拉應力狀態，其拉應力為0.86MPa，小于最大容許拉應力1.86MPa，正截面抗裂驗算符合規范抗裂驗算要求;1號跨主梁各斜截面σ_tp=-0.65MPa～0.37MPa，2號跨主梁各斜截面σ_tp=-0.43MPa～0MPa，均小于容許拉應力評定值1.33MPa，主梁斜截面抗裂驗算符合規范評定要求。

主梁撓度驗算需滿足：在消除結構自重的長期撓度后，主梁最大撓度不應超過計算跨徑的L/600.在對主梁撓度驗算中發現：1號跨中撓度f_dl=13.13mm<125mm（評定值），2號跨中撓度f_dl=33.73mm<208mm（評定值），其撓度驗算結果均符合評定要求。

4.2.3承載能力結果評估

由上述承載能力檢算分析結果可知：該橋在現役狀態下的箱梁承載能力和正常使用性能符合原設計高速公路車輛荷載等級“汽車-超20級”“掛車-120”“人群荷載：3.0kN/m²”的要求，同時滿足規范（JTGD60—2015）高速公路車輛荷載“公路-I級”“人群荷載：3.0kN/m²”要求。

5 結論

通過對廣西某預應力混凝土連續剛構橋的實際檢測與承載能力檢算評估，得到如下結論：

1）該橋技術狀況等級評定結果為2類，表明結構有輕微缺損，對橋梁使用功能無影響，但主要構件存在裂縫、剝落、露筋、蜂窩和麻面等病害，對結構承載能力有較大影響，后期應及時采取防治措施，并加強巡查和養護。

2）由于大跨剛構橋的構造相對復雜，雖采用《評定標準》對各類構件及病害描述較具體明確，但考慮檢測的全面性與準確性，還應采取必要措施對所有構件進行詳細檢查，特別是對橋梁水下墩柱及基礎的檢測。

3）結合檢測結果，采用專業的有限元軟件對橋梁承載能力進行檢算評定，主橋承載能力及正常使用性能滿足規范要求，但主橋箱梁存在彎矩一剪力組合斜向裂縫的情況，考慮后期運營期間橋梁的交通壓力增加的可能性，應注意控制超載超限情況的發生。