受超高車輛撞擊的鋼筋混凝土空心板橋抗彎承載力評定*

陳剛，郭學慶，呂松剛，李星

(1.邵陽縣公路建設養護中心，湖南 邵陽 422100；2.長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114)

跨線立交橋是現代交通的重要組成部分。由于駕駛員的違章駕駛、粗心大意或路政管理體系不健全忽略了路段超高限制，車輛在立體交叉處撞擊立交橋上部結構的事故屢有發生。已有學者對橋梁結構受撞現象進行了研究，如何水濤等通過模型試驗和有限元模擬得出鋼筋混凝土T梁橋在超高車輛撞擊下可能產生局部破壞；周杰峰、陸新征等通過車-梁撞擊模型進行非線性有限元分析，得出車-橋碰撞損傷取決于車輛的剛度和撞擊沖量大小，車輛剛度一定的情況下，汽車撞擊沖量越大，對主梁損傷也越大；王向陽等對車-橋墩碰撞進行了有限元模擬分析；段敏等對船舶撞擊橋梁的分析方法進行了歸納總結。上述研究均僅限于理論計算。該文依托一座受超高車輛撞擊的鋼筋混凝土空心板橋，根據實測技術參數，通過MIDAS/Civil模擬，評估其受損后抗彎承載力，為受超高車輛撞擊的橋梁抗彎承載力評定提供借鑒。

1 工程概況

某橋上部結構為13 m+16 m+13 m三跨鋼筋混凝土簡支空心板，全長49.4 m，橋面寬度為0.5 m欄桿+8.0 m行車道+0.5 m欄桿=9.0 m(見圖1)。每跨由9片空心板組成，每片空心板的寬度和高度分別為99.5 cm、70 cm，采用C40混凝土。空心板尺寸見圖2。橋梁下部結構為雙柱式橋墩，漿砌塊石臺身及鋼筋混凝土臺帽重力式橋臺。橋梁荷載等級為公路-Ⅱ級。

圖1 橋型布置

2 橋梁材質狀況和狀態參數檢測

依據JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》、JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》對該橋第2跨鋼筋混凝土空心板的材質狀況和狀態參數進行檢測。

2.1 橋梁受損情況

該橋第2跨受橋下通行超高車輛撞擊，造成2-9#空心板斷裂(見圖2)，縱向距離1#橋墩0.50～15.50 m處、橫向距離2-8#與2-9#空心板之間鉸縫0.0～0.99 m處底板混凝土剝落，最大深度為50 cm，且有8處主筋和62處箍筋外露、銹蝕和斷裂，主筋、箍筋露筋長度分別為1.30～15.00 m、0.08～0.85 m。

圖2 空心板尺寸示意圖(單位：cm)

圖3 受撞后2-9#空心板損傷情況

2.2 混凝土及鋼筋強度

使用回彈儀對第2跨鋼筋混凝土空心板的混凝土強度進行檢測，測試10個測區，第2跨空心板的混凝土強度實測平均值和實測推定值分別為54.0 MPa、51.3 MPa。空心板設計采用C40混凝土，第2跨空心板的混凝土平均強度勻質系數Kbm和推定強度勻質系數Kbt分別為1.35、1.28，混凝土強度狀態為良好，評定標度值為1。

在2-9#空心板被撞破損底面截取2根縱向主鋼筋，量測其直徑，直徑平均值為25.0 mm。對鋼筋進行拉伸試驗，第1根鋼筋的屈服強度、極限強度分別為342.6 MPa、536.0 MPa，第2根鋼筋的屈服強度、極限強度分別為343.2 MPa、538.4 MPa。

2.3 混凝土保護層厚度和碳化深度

采用鋼筋掃描儀對第2跨空心板進行混凝土保護層厚度檢測，每片空心板檢測10個測點；采用酚酞溶劑和游標卡尺對第2跨空心板進行碳化深度檢測，每片空心板檢測1個測點。檢測結果見表1。

表1 混凝土保護層厚度和碳化深度檢測結果

空心板的混凝土保護層厚度設計值為30 mm。由表1可知：該橋第2跨空心板的混凝土保護層厚度特征值Dne/設計值Dnd為0.41～0.62，對結構鋼筋耐久性有較大影響，混凝土保護層厚度評定標度值為5；混凝土碳化深度實測值均遠小于混凝土保護層厚度實測值，評判標度值為1。

此外，采用鋼筋掃描儀對第2跨空心板的縱向主鋼筋數量及間距進行檢測，每片空心板的主鋼筋數量為12根，其中底緣第1層為10根，相鄰鋼筋中心間距為10 cm，兩側主鋼筋上方各疊放1根。

2.4 鋼筋銹蝕電位

采用鋼筋銹蝕檢測儀對第2跨空心板進行鋼筋銹蝕電位檢測，共檢測25個測點，檢測結果見表2。

表2 第2跨空心板鋼筋銹蝕電位檢測結果

由表2可知：第2跨空心板鋼筋銹蝕電位的評定標度值為3，有銹蝕活動性，且發生銹蝕的概率大于90%。

2.5 橋梁結構自振頻率

通過計算，第2跨空心板的理論計算頻率fdi為5.107 0 Hz。在第2跨空心板跨中截面橋面上布置加速度傳感器測試自振頻率，結果見圖4。

圖4 第2跨空心板自振頻率測試結果

由圖4可知：第2跨空心板實測自振頻率fmi為6.660 5 Hz，fmi與fdi的比值為1.30，自振頻率評定標度值為1。

3 橋梁技術狀況評定

根據JTG/T H21—2011《公路橋梁技術狀況評定標準》，當主要部件評分達到4類或5類且影響橋梁安全時，可按照橋梁主要部件最差全損狀況評定。2-9#空心板被車撞擊后發生斷裂，主要部件空心板達到5類且影響結構安全，按照橋梁主要部件最差缺損狀況評定為5類橋。

4 基于檢測結果的抗彎承載力評定

4.1 系數計算

該橋處于干燥、不凍、無侵蝕性介質的環境條件，依據JTG/T J21—2011《公路橋梁承載能力檢測評定規程》，混凝土電阻率和氯離子含量根據實橋情況可不檢測，評定標度值取1。使用線性內插法對第2跨空心板的承載力檢算系數Z1、承載力惡化系數ξe、配筋混凝土結構截面折減系數ξc和鋼筋截面折減系數ξs進行計算或確定，結果見表3～5。

表3 承載力檢算系數Z1計算

表4 承載力惡化系數ξe計算

表5 截面折減系數ξc、ξs計算

4.2 抗彎承載力評定計算公式

配筋混凝土橋梁承載能力極限狀態鑒定方法規定的承載能力計算公式為：

γ0S≤R(fd,ξcadc,ξsads)Z1(1-ξe)

(1)

式中：γ0為結構的重要性系數；S為荷載效應函數；R(·)為抗力效應函數；fd為材料強度設計值；adc為構件混凝土幾何參數值；ads為構件鋼筋幾何參數值。

4.3 有限元模型建立

采用鉸接板法計算汽車荷載的橫向分布系數，得2-1#～2-9#空心板的荷載橫向分布系數分別為0.247、0.247、0.245、0.242、0.236、0.242、0.245、0.247、0.247。選取受力最不利的2-9#空心板進行分析，采用MIDAS/Civil建立有限元計算模型，采用梁單元模擬，劃分為32個單元、35個節點(見圖5)。邊界條件如下：一端為鉸接支座，另一端為活動支座。

圖5 有限元計算模型

4.4 計算結果分析

根據JTG 3362—2018《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》、JTG D60—2015《公路橋涵通用設計規范》對2-9#空心板的承載能力極限狀態進行組合，在公路-Ⅱ級荷載作用下，荷載效應組合彎矩包絡圖見圖6。采用Z1、ξe、ξc、ξs對抗彎承載力進行修正，2-9#空心板跨中截面的抗彎承載力分析結果見表6。

圖6 2-9#空心板承載能力極限狀態下彎矩包絡圖(單位：kN·m)

表6 2-9#空心板跨中截面抗彎承載力分析結果

由表6可知：在最大彎矩組合效應作用下，2-9#空心板的正截面抗彎承載力抗力容許值小于組合效應值，表明該橋第2跨空心板的正截面抗彎承載力不滿足公路-Ⅱ級荷載要求。

5 結論

(1) 對某鋼筋混凝土簡支空心板受超高車輛撞擊后的材質狀況和狀態參數進行檢測，基于檢測結果評定該橋技術狀況等級為5類。

(2) 采用有限元軟件MIDAS/Civil對該橋受超高車輛撞擊后的鋼筋混凝土空心板抗彎承載力進行評定，結果表明該橋空心板的抗彎承載力不滿足公路-Ⅱ級設計荷載要求。