某連續箱梁橋改造提級前承載能力檢測評估

吳育後，吳維彬，黃莉茜，黃榮幸

(1.南寧市交通運輸綜合行政執法支隊，廣西 南寧 530011；2.廣西交通工程檢測有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

隨著城市的快速發展，某些原城市周邊的高速公路、一級路、二級路等被納入城市版圖。為滿足城市發展需求，原有不滿足需求的基礎設施將面臨改造的問題，如拆除重建、部分利用改造、全面利用改造提級、直接維修利用等。根據可持續發展的原則，在制定改造方案之前應有足夠的數據支撐。

本文以某城市連續箱梁橋因發展需要擬進行改造提級為背景，根據工程實際需求評估橋梁既有承載能力是否滿足改造后的使用目標，進而為改造提級設計提供數據支撐。

1 工程概況

該橋為3跨1聯的預應力混凝土等截面連續箱梁橋，單箱雙室，跨徑組合為(25.0+30.0+25.0)m。橋梁共四幅，中間2幅為主車道，旁邊2幅為輔道，橋面布置為2×[0.45 m(欄桿)+2.20 m(人行道)+9.50 m(輔道)+0.60 m(欄桿)+1.50 m(側分隔帶)+0.60 m(欄桿)+12.25 m(主道)+1.50 m(中央分隔帶)]。下部結構為輕型橋臺、樁柱式橋墩，鉆孔灌注樁基礎。原設計荷載：汽車-超20級，掛車-120級。箱梁混凝土為45號混凝土。

橋梁立面圖和斷面圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 橋梁立面圖(cm)

圖2 橋梁斷面圖(cm)

根據工程需要，計劃在原橋外側增加一幅預應力混凝土小箱梁橋，將原橋外側輔道橋原有橋面(2個機動車道+人行道)變更為3個機動車道，設計荷載等級提至城-A級(2019年版)。改造后的橋梁斷面如圖3所示。

圖3 改造后橋面布置示意圖(cm)

2 橋梁現狀

輔道橋上部結構外觀狀況、技術狀況及材質狀況如下：

(1)外觀主要病害為：滲水污染、橫向裂縫、腹板豎向裂縫和蜂窩麻面。

(2)技術狀況等級BCIs為C級。

(3)混凝土強度、碳化深度、鋼筋銹蝕電位評定標度均為1。

(4)鋼筋保護層厚度最大評定標度為4。

(5)環境類別為Ⅱ類。

(6)自振頻率實測值/理論值范圍為1.48～1.79，如表1所示。

表1 自振頻率測試結果表

根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21-2011)[1]計算Z1和ξe，分別為Z1=1.11，ξe=0.04。

3 荷載試驗

3.1 有限元分析

采用Midas Civil 2021軟件對結構進行計算分析，其結構離散模型如圖4所示。

圖4 橋梁結構離散模型圖

3.2 控制斷面、測點布置及測試內容

控制斷面分別為跨邊最大正彎矩截面A-A、墩頂截面B-B和中跨跨中截面C-C。控制斷面布置示意圖如圖5所示。

圖5 控制斷面布置示意圖(cm)

(1)撓度測點布置于控制斷面主梁底，每個斷面布置3個測點，分別為邊、中、邊。

(2)應變測點布置于控制斷面主梁底，每個斷面5個測點，按橫向均勻分布。

(3)模態測點布置于橋面距人行道路緣石20 cm，每跨1/4 L、2/4 L和3/4 L處。

(4)主要測試內容為：撓度、應變、自振頻率、阻尼比和沖擊系數。

3.3 加載效率

本次荷載試驗分兩組進行：(1)第一組：以原設計荷載及橋面布置狀況為依據進行控制加載；(2)第2組：以改造后的橋面布置狀況和設計標準城-A級進行控制加載(加載前應通過初步驗收評估)。加載效率如表2所示。

表2 荷載試驗各工況加載效率匯總表

3.4 試驗結果

荷載試驗結果匯總如表3所示。試驗結果表明：

(1)在原設計狀況下，控制斷面主要撓度測點校驗系數為0.39～0.87，主要應變測點校驗系數為0.37～0.80，相對殘余撓度和應變均<20%。

(2)在改造后設計狀況下，控制斷面主要撓度測點校驗系數為0.39～0.64，主要應變測點校驗系數為0.39～0.77，相對殘余撓度和應變均<20%。

(3)在改造后設計狀況下，控制斷面主要撓度測點彈性撓度/原設計值為0.60～0.85，主要應變測點彈性應變/原設計值為0.54～1.00。

4 承載能力檢算評估

該橋上部結構既有承載能力檢算評估采用檢算系數、惡化系數等，并分為正截面抗彎承載能力檢算評估和斜截面抗剪承載能力檢算評估。

4.1 檢算荷載

該橋上部結構承載能力檢算評估的荷載取值如表4所示。

4.2 承載能力檢算結果

根據荷載試驗結果及《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21-2011)，確定檢算系數Z2，原設計標準下Z2=1.015，改造后設計標準下Z2=0.95。

4.2.1 承載能力極限狀態檢算結果

改造前后正截面抗彎承載能力極限狀態組合檢算結果對比如表5所示，改造前后斜截面抗剪承載能力極限狀態組合檢算結果對比如后頁表6所示。

表3 荷載試驗結果匯總分析表

表4 荷載取值參數表

表5 正截面抗彎承載能力極限狀態組合檢算結果表

由表5、表6可知：

(1)上部結構主梁在承載能力極限狀態下，正截面抗彎承載能力和斜截面抗剪承載能力同時滿足原設計標準的要求和改造后設計標準的要求。

(2)在原結構不作加固的情況下提高荷載等級使用，橋梁仍可以滿足現行標準在改造后狀況下的使用要求。

(3)在原結構不作加固的情況下提高荷載等級使用，橋梁原有承載能力富余顯著降低，對橋梁整體長期使用不利。

表6 斜截面抗剪承載能力極限狀態組合檢算結果表

(4)根據分析數據可知，通過橋梁荷載試驗獲取結構響應數據評估承載能力比僅通過外觀檢測結果評估更安全，能更準確地評估橋梁結構的實際承載能力。

(5)對需要提高荷載等級使用的橋梁采用荷載試驗及檢算的方法評估承載能力時，應充分考慮試驗效應與原設計效應之間的比例關系(特別是在不進行原設計狀況荷載試驗的情況時)，避免參數取值不合理而導致結論失真甚至錯誤。

4.2.2 正常使用極限狀態檢算

在正常使用極限狀態下，上部結構主梁撓度驗算結果同時滿足原設計標準和改造后設計標準的要求。

5 結語

(1)該橋整體技術狀況較好，既有承載能力檢算結果滿足原設計標準。

(2)該橋在改造后設計荷載狀況下(城-A級)，既有承載能力檢算結果仍滿足要求，但原結構富余度顯著降低。

(3)該橋在不加固的情況下進行改造仍可滿足目前的設計使用狀況，但需對橋梁耐久性病害等進行維修處理，以保障結構的耐久性。

(4)若考慮遠景發展趨勢變化對橋梁運營使用的影響和橋梁現有承載能力富余度狀況，可結合其他有關指數評估后決定是否對結構進行補強，以保證橋梁的安全可持續使用，同時減輕后期運營維護的壓力。