大跨度連續橋梁承載能力評估及病害分析

黃海彬，廖海峰，朱 磊

(1.寧波市城建設計研究院有限公司 寧波市 315012；2.中國市政工程中南設計研究總院有限公司 武漢市 430010；3.西安圣天建筑工程科技有限公司 西安市 710000)

0 引言

隨著國內經濟的快速發展，公路運輸交通量也隨之急劇增長，很多橋梁建成時間較早因此難以滿足交通需求，受到車輛荷載以及外界因素影響，橋梁結構容易發生病害，這對于其使用安全產生了極大的隱患。國內外學者進行了系列研究：王麗麗[1]介紹了幾種城市橋梁的檢測方法；楊承斌[2]總結分析了414座橋梁中橋面構造以及上下部結構的破壞形態；廖志鵬[3]分析了預應力混凝土橋梁中常見的裂縫、剝落等病害，并闡述了這一類型橋梁的加固技術要點；楊永杰等[4]以連續小箱梁橋梁作為研究對象，對比分析了粘貼鋼板法和粘貼碳纖維加固法的加固效果以及經濟效益；王子強[5]對影響簡支空心板橋梁結構耐久性的典型病害進行了研究，并提出了對應的加固措施。基于此，以大跨度連續梁橋作為研究對象，對其常見病害以及承載能力進行了分析，為該橋的改造升級提供必要的依據。

1 工程背景

1.1 工程概況

某大橋全長575.1m，橋梁跨徑組合為4×30m+5×30m+5×30m+5×30m，橋梁上部結構為預應力混凝土簡支連續T梁，下部結構：橋墩為圓柱式墩、橋臺為肋板式橋臺，基礎均采用鉆孔灌注樁基礎。

該橋采用的主要設計標準：原設計汽車荷載為公路—Ⅱ級；設計洪水頻率為100年一遇；橋面寬度為15.0m=1.5m(人行道)+12.0m(行車道)+1.5m(人行道)；地震動峰值加速度為0.05；通航等級為Ⅵ級；主要材料為混凝土，上構預應力混凝土T梁C50，整體化防水混凝土C40，搭板、護欄等橋面系構件C30，下構墩臺蓋梁、肋板、承臺、墩柱、背墻耳墻C30，墩臺樁基C25水下混凝土，系梁C25。

1.2 安全評估方法

首先通過特殊檢查對橋梁技術狀況進行整體評定，主要包括橋梁幾何形態參數以及結構自振頻率檢測，對橋梁整體結構受損情況進行定性評估，分析橋梁結構的完整性，為橋梁使用狀態下承載能力評定提供試驗數據支撐。然后對該橋的承載能力進行評估，主要包括橋梁承載能力極限狀態、正常使用極限狀態以及持久狀況應力驗算，分析橋梁的承載能力是否滿足規范要求。最后對橋梁使用狀態下常見病害進行了分析并提出了解決措施。

測定橋梁自振頻率，可以有效對結構損傷進行判斷，而且可以準確反饋橋梁整體結構的可靠性以及荷載傳遞路徑。測定時采取脈動試驗方法，根據實測自振頻率fmi與理論計算頻率fdi兩者比值對橋梁結構剛度進行評定。試驗時，傳感器測點數據采集結果見表1。

表1 脈動試驗結果匯總表

根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21—2011)中橋梁結構自振頻率的評定標準，對以上檢測結果進行評定，結果見表2。

表2 橋梁自振頻率評定結果表

檢測評定結果表明：脈動試驗測試實測豎向一階頻率為4.37Hz，比理論一階頻率3.59Hz大，比值為1.22，評定標度值為1，說明該橋整體結構的動剛度處于較好狀態。

2 承載能力評估

主要針對橋梁承載能力極限狀態、正常使用使用極限狀態以及持久狀況應力進行評估驗算，按照《公路預應力混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62—2018)對橋梁正截面、斜截面的抗彎強度、抗剪強度、應力以及變形進行分析。

2.1 承載能力極限狀態驗算

2.1.1正截面抗彎強度驗算

運營階段在基本組合下，中梁作用效應與結構抗力對比結果詳見圖1。

圖1 基本組合下中梁作用效應與結構抗力對比圖

表3 跨中正截面抗彎強度驗算結果表

由表3可以看出，最不利荷載組合下，邊梁、中梁最大正彎矩出現在跨中，結構安全系數分別為1.24、1.06，邊梁、中梁正截面抗彎承載力符合《公路預應力混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》要求。

2.1.2斜截面抗剪強度驗算

運營階段在基本荷載組合下，中梁作用效應與結構抗力對比結果詳見圖2。

圖2 基本荷載組合下中梁作用效應與結構抗力對比圖

支點斜截面抗剪強度驗算結果見表4。

表4 支點斜截面抗剪強度驗算結果表

由表4可以看出最不利荷載組合下，邊梁、中梁最大剪力出現在支點處，分別為935kN、1225kN，結構安全系數分別為2.15、1.19，斜截面抗剪承載能力均滿足《公路預應力混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》要求。

2.2 正常使用極限狀態驗算

2.2.1抗裂驗算

對橋梁正截面以及斜截面進行抗裂驗算時，應按照A類部分預應力混凝土現澆構件進行分析。邊梁和中梁在長期荷載組合作用下上下緣最大最小正應力及主拉應力見圖3。

圖3 長期組合邊梁上緣最大最小正應力圖(單位：MPa)

邊梁和中梁抗裂驗算結果見表5。

表5 邊、中梁抗裂驗算結果表

短期組合作用下，邊梁上緣最大正應力出現在中間部分，以拋物線變化趨勢向兩端逐漸減小，邊梁下緣最大正應力出現在邊梁1/4跨處，1/2跨處出現最小正應力，邊梁最大主拉應力出現在中間部分；長期組合作用下，邊梁上緣最大正應力出現在中間部分，以拋物線變化趨勢向兩端逐漸減小，邊梁下緣最大正應力出現在1/4跨處。短期組合作用下，中梁上緣最大正應力出現在中間部分，中梁下緣最大正應力出現在中梁兩端，中梁最大主拉應力出現在中間部分；長期組合作用下，中梁上緣最大正應力出現在跨中部分，中梁下緣最大正應力出現在兩端。

最不利荷載組合下，邊、中梁正截面拉應力及斜截面主拉應力均小于規范限值。

2.2.2撓度驗算

按照規范要求，受彎構件其最大允許撓度在消除自重產生的影響后應小于計算跨徑的1/600。撓度計算結果見表6。

表6 撓度計算結果表

消除橋梁自重產生的影響后，邊梁、中梁的最大撓度計算結果顯示為21.5mm、38.6mm，小于限值，橋梁變形是安全的。

2.3 持久狀況應力驗算

對使用階段下中梁混凝土正截面以及斜截面壓應力進行驗算時，視作A類部分預應力混凝土現澆構件，分析結果見圖4。

圖4 標準值組合中梁斜截面主壓應力圖(單位：MPa)

邊梁和中梁應力驗算結果見表7。

表7 邊梁和中梁應力驗算結果表

標準值組合作用下，邊梁正截面最大壓應力出現在中間部分，朝著兩端逐漸減小；中梁正截面最大壓應力出現在中間部分，向兩端逐漸減小；邊梁斜截面主壓應力峰值出現在中間，向兩端逐漸降低；中梁斜截面主壓應力峰值出現在中間，向兩端逐漸減小；最不利荷載組合下，邊、中梁正截面壓應力及斜截面主壓應力均小于規范限值，橋梁結構是安全的。

3 病害分析

通過實地檢測，發現該橋梁使用過程中存在的主要病害為：

(1)橫隔板底部混凝土破損、鋼板外露：T梁受偏載、扭轉(支座不平)等作用時兩片梁受力不均致使橫隔板間鋼板連接的部位產生應力集中，因而容易產生混凝土破損現象，建議修復后采取粘鋼板或碳纖維的方法對其進行加固。

(2)混凝土鋼筋銹脹：鋼筋銹脹是由于施工控制不嚴，鋼筋保護層偏薄，鋼筋在外界環境的侵蝕作用下發生銹蝕；鋼筋銹蝕后體積膨脹從而使得混凝土表層產生脫落，對于銹蝕部分予以鑿除，鋼筋表面除銹刷保護漆，鑿除部分澆注混凝土保持其封閉性。

(3)支座開裂：支座使用年限較長，出現橡膠老化，產生裂紋。

(4)支座剪切：超載車輛較多，汽車沖擊力大導致支座處受剪力較大；滑動支座安裝時未涂抹硅脂油，滑板支座滑動不暢，易發生剪切，對于剪切比較嚴重的支座，及時進行更換，同時對墩頂遺留的垃圾進行清除，避免對支座受力以及變形產生影響。

4 結論

綜上所述，隨著使用時間的延長，預應力混凝土橋梁發生病害的概率也會增加，這對于橋梁的技術狀況等級以及使用安全都會造成極大的影響，因此對橋梁承載能力進行評估有著重要的意義，驗算結果表明：橋梁在各類荷載組合作用下正截面、斜截面的承載能力、應力以及變形符合規范，滿足正常使用要求。同時為了確保橋梁的安全使用，要定期對橋梁上部、下部結構進行檢修，對常見病害及時進行處理。