公路橋梁受力性能分析及狀態評估

盧少利

（山東省濱州公路有限公司，山東 濱州 256600）

0 引言

我國早期建成投入使用的公路橋梁中，受建設時期社會經濟水平、技術水平和思想觀念的制約，普遍存在著建設標準和抗災能力偏低、缺陷、病害和運營疲勞損傷等問題，有相當一部分公路橋梁已不能適應當前交通量迅速增長的需求，不能滿足現在和將來社會、經濟的發展要求，如何對這些公路橋梁進行受力性能分析和狀態評估是一項重點工作。本文以一座運營30多年的橋梁為例，對橋梁的受力性能和狀態進行分析與評估。

1 工程概況

某公路大橋建于1987年，1989年建成通車，距今已運營35年。該橋跨徑布置為由南向北為：11×20m+12×50m+11×20m，共23孔。橋面總寬14m。該橋上部結構為裝配式預應力混凝土T梁，橋面簡易連續。每孔橫向有5片T梁組成，20m跨徑T梁高1.45m，50m跨徑T梁高2.6m。下部結構橋墩為單排柱式墩，南側橋臺采用單排式樁式臺，北側橋臺為柱式橋臺，蓋梁采用預應力混凝土T型截面蓋梁。設計荷載為汽—超20級，掛—120級。橋梁正側面照如圖1所示。

圖1 橋梁正側面照

2 主要病害情況

2.1 橋面鋪裝層病害

橋面鋪裝存在的主要病害為：橋面鋪裝出現縱橫向裂縫，以縱向裂縫為主（見圖2）?？v向裂縫集中于T梁連接處，而且多出現在由北向南的第2、第3片梁和第3、第4片梁間，橫向裂縫主要集中在橋面連續處。另外，橋面存在局部龜裂和坑槽（見圖3），伸縮縫局部缺損，止水帶損壞嚴重。

圖2 橋面鋪裝縱向裂縫

圖3 橋面鋪裝坑槽

2.2 上部結構病害

上部結構存在的主要病害為：梁底和端部存在混凝土剝落破損，頂板存在滲水，腹板支點附近存在斜向裂縫（見圖4），橫隔板接縫處混凝土保護層剝落、鋼板銹蝕、連接鋼板脫落（見圖5）。

圖4 腹板斜向裂縫

圖5 梁體破損露筋

2.3 下部結構病害

下部結構的立柱外觀較好，個別立柱底部存在麻面、坑蝕，需要進行修補。蓋梁主要存在混凝土剝落、鋼筋外露銹蝕（見圖6）。

圖6 蓋梁鋼筋銹蝕

支座主要病害是水浸、老化、防塵罩破損，滑板支座的鋼板銹蝕嚴重，失去滑動能力，部分擋塊損壞嚴重，部分橡膠支座剪切變形明顯（見圖7）。

圖7 支座老化開裂

該橋最初橋面鋪裝設計采用防水混凝土，邊梁處僅有6cm，于2007年重做瀝青面層。但是隨著超載車輛的增多，2017年該橋橋面鋪裝又出現大量縱向裂縫，其中2處T梁接縫處破壞，做了局部的粘鋼加固處理[1]。2018年，在橋面第6孔和第15孔出現2處較大的空洞，上下通透，并且橋面上有多處縱向裂縫，部分橫隔板混凝土脫落、聯接鋼板破壞嚴重，部分跨已形成單梁受力的情況。加上伸縮縫止水帶破壞，橋下漏水嚴重，造成滑板支座的鋼板銹蝕非常嚴重，加上所有的支座為第一代橡膠支座，已達到使用壽命。如果不及時采取措施進行維修加固處理，由于該橋是部分預應力混凝土結構，可能會出現裂縫和撓度加大，病害將會迅速發展，嚴重影響正常運營，特別是超載車輛的通行，存在發生安全事故的風險。對該橋進行技術狀況評定，結果將其定為4類橋。

3 病害成因分析

3.1 上部結構病害的成因

從設計層次分析，該橋上部結構的T梁按部分預應力混凝土A類構件設計，預應力度在0.84~0.86之間。通過與同年代同類型的橋梁相比，該橋預應力鋼筋用量為其他橋梁的73%，但普通鋼筋用量為其他橋梁的109%。從抗裂性和裂縫控制上比較，該橋的承載能力相對偏低一些，但從極限承載能力上比較，基本與同年代同類型的橋梁持平，甚至高一些。但由于當時的設計荷載及技術水平，設計對剛度控制不夠嚴格，依據當時的橋梁設計理念，本著節約材料與資金的原則，橋梁的截面尺寸包括梁高及腹板厚度均較小、支座附近變截面長度不滿足目前規范要求，這些原因都會造成橋梁安全儲備和整體剛度不足，易引起梁體開裂等病害[2]。特別是橋面鋪裝設計過于簡單，加上近年來超載現象嚴重，導致橋面鋪裝破損較快。當然，從養護維修的角度看，部分預應力混凝土結構需要投入更多的維修養護資金，以使橋梁保持良好的工作性能和狀態。

3.2 支座病害的成因

雖然2008年起支座被分批分步驟予以更換，但本次檢查中發現，除一些滑動支座上下鋼板有銹蝕現象之外，部分支座存在局部脫空，老化開裂現象。支座局部脫空主要是支座墊石標高控制不當，支座在橋梁振動作用下位置串動造成；支座老化開裂主要原因是支座質量較差，橡膠在高溫、雨水、荷載疲勞等影響下出現老化、變質、開裂；另外承壓不均，局部受力過大，也會造成膠體開裂。連續梁支座設置的傳統方法是在一聯的中部墩上設置普通板式橡膠支座，視為固定支座，在遠離中墩的橋墩上設置滑動支座，視為活動支座。通常假定，一聯梁跨的正中間不受溫度影響，此處即為所謂的溫度零點。距離溫度零點較近的幾個墩，即使有溫度變化也影響較小，梁體伸縮導致墩頂的位移完全可以由普通橡膠支座的剪切變形來適應。遠離溫度零點的橋墩，梁體的溫度變形量大，只有滑板支座才能勝任，故均設置四氟滑板支座。在該橋橋墩和支座的設計與選擇上，采用了“彈性結構”法。將一聯橋作為一個整體超靜定結構進行分析，計算時采用集成剛度法。視橋墩和支座為串聯、各墩之間為并聯，用串聯和并聯的彈簧結構來模擬柔性墩及其支座，逐孔將整聯橋的總抗推剛度推算出來，形成集成剛度，之后再計算一聯橋各墩的位移和受力。另外對于溫度和混凝土收縮引起的墩頂水平力，取決于各墩的剛度和位移量。欲使各墩水平力相等或接近，應該使它們的剛度和位移最接近。在溫度作用下，邊墩的位移最大，其思路是設法使墩和支座的聯合剛度變小，中間墩的位移最小，可設法使它的聯合剛度變大。這樣，聯內的水平力就可以在各墩上近似均勻地分配。而橋墩本身的剛度是由其幾何尺寸和材料特性確定的，一般不易改動。那么要改變總體剛度只能改變支座的剛度。因此，通過在各墩上設置不同厚度的支座可以隨意調整各墩的剛度，從而可以人為地調整各墩臺受力。中墩的支座高度應盡量小一些，其剛度就大，邊墩的支座高度大一些，其剛度就小一些。但是彈性結構成立的前提條件是各個支座必須受力可靠，一旦有個別支座損壞，水平力就不能在各墩頂均勻分配，溫度作用、混凝土收縮和制動等引起的水平力就會在支座出現破壞的橋跨處集中，從而加重下部結構的負擔，引起下部結構的病害和損壞。

3.3 橋面鋪裝層病害的成因

橋面路面坑槽產生的原因很多，一是施工時壓實不足，一種情況是施工時混合料溫度太高，瀝青老化，粘結力降低，脆性增加，導致壓實不夠，粘結不牢，在行車荷載作用下形成坑槽；另一種是混合料溫度太低，攤鋪不均勻，壓實不充分，導致壓實度不夠形成坑槽。

通過本次檢查發現，該橋伸縮縫普遍存在泥土雜物填塞擠死現象，部分伸縮縫存在錨固區混凝土開裂，橡膠止水帶破損現象，個別伸縮縫異型鋼條變形斷裂現象。由于本橋是連接黃河兩岸的重要橋梁，運輸建筑原材料的車輛較多，橋面上易撒落砂石等雜物。同時由于伸縮縫在更換施工過程中標高控制不好，伸縮縫位置與兩側瀝青路面連接不平順，車輛在此位置會產生跳車現象，對伸縮縫錨固區混凝土及伸縮縫本身產生較大沖擊力導致破壞。

3.4 蓋梁病害的成因

通過對全橋現狀進行調查，首先，全橋共有20m跨徑T梁22孔，北岸11孔，南岸11孔，但是北岸的11孔T型梁結構狀況普遍差于南岸，主要表現在橋面的縱向裂縫嚴重，橫隔板連接破損較多，可以推斷其施工質量存在一定的差別。這與大橋建設歷史相符合，當時大橋的建設指揮部設在南岸，南岸的工程質量控制比較嚴格，質量較好。其次，橋面縱向裂縫多集中在由北向南的第2、第3和第3、第4片梁間的接縫處，說明重車多是由北向南通過大橋，且靠中線行駛，這與山東省公路路面損壞的普遍規律相符。對于按部分預應力A類構件設計的橋梁，在重車作用下允許出現拉應力，在超重車輛通過時甚至會出現裂縫，荷載卸去后裂縫可以自動閉合，但是在超重車輛的反復碾壓之下，橫隔板連接處的焊接鋼板可能出現疲勞破壞，從而導致鋼板拉開，混凝土剝落。

根據相關統計，目前重車的載重量普遍在80~100t左右，最重車輛曾經達到230t之多，多數重車的載重量超過規范規定的55t重車標準。因此，超重車輛泛濫是造成該橋病害的主要原因之一。

總之，從目前調查結果來看，該橋的耐久性已嚴重降低，尤其是水分的侵入可能導致預應力鋼束和普通鋼筋銹蝕，鋼筋銹蝕又會引起混凝土局部破損，更加造成結構承載力的下降，大大縮短橋梁的使用年限，進而嚴重威脅到橋梁整體安全。

4 動力性能測試

動測法采用一套動態數據采集、放大和分析系統，配合拾振器進行。傳感器和放大器采用中國地震局工程力學所研制開發的，其通頻帶為0.5~100Hz，具有高靈敏度和高分辨率的特點?，F場試驗，主要通過在橋面頂面布置894-2型拾振器，主要包括在跨中、1/4跨及3/4跨截面，測出結構振動參數，并繪制主要截面的位移和加速度時程曲線。橋梁結構在動力荷載作用下將產生振動，橋梁振動問題影響因素相當復雜。橋梁的動載試驗是檢測橋梁的動力特性，并據此對橋梁承載力狀況和運營狀況進行判斷的重要手段[3]。橋梁的動態特性是橋梁結構性能的主要指標，該橋的動態特性主要測試其固有頻率，通過測量第一階振型自振頻率fm1，并與新建初期的第一階自振頻率或理論計算頻率fd1相比，從而判斷橋梁所處的技術狀態。日本鐵道技術研究院Nishimura通過實地測量近1000個橋梁的自振頻率，總結得出了根據實測自振頻率評定橋梁結構技術狀態的評定標準，并引入了狀態指標fm1/fd1，根據其范圍，將橋梁的上部和下部結構的技術狀況劃為5個級別，推薦的評定標準如表1所示。

表1 根據實測自振頻率的橋梁技術狀態的評定標準

本次測試主要采集結構加速度信號，測試時每個測點分別采樣，采樣頻率200Hz。每次采集記錄時間不少于30s，拾振器用橡皮泥固定在結構上。20m跨跨中截面豎向傳感器對應通道時域曲線圖如圖8所示，對采集的時域信號進行快速傅立葉分析獲得通道的頻譜圖，如圖9所示。

圖8 20m跨跨中截面豎向傳感器對應通道時域曲線圖

圖9 20m跨跨中截面豎向傳感器對應通道頻譜圖

獲得測點信號的頻譜圖后，用傳遞函數法對選擇的頻率峰值進行參數識別，可以求得第1跨結構的一階固有頻率為6.738Hz。橋梁理論固有頻率值為6.913Hz，實測值比理論計算值小，說明目前該橋梁結構的實際剛度小于理論剛度。fm1/fd1=0.974，介于0.9~1.0之間，處于較差狀態[4]。

5 結束語

經過對該橋上部結構、蓋梁、支座及鋪裝層的現場調查和分析，主要存在如下問題：

（1）橋面瀝青面層龜裂、網裂嚴重，在T梁連接處出現縱向裂縫，出現裂縫的跨數約占總跨數的40%，橋面連續處均出現橫向裂縫，部分跨出現空洞，已影響行車安全。

（2）伸縮縫均需大修，止水帶破損較為嚴重，其中損壞嚴重的有4道，橋面滲水已嚴重降低上部結構和下部結構的耐久性，此外伸縮縫的破損也會加大沖擊系數。

（3）橫隔板企口縫混凝土脫落、鋼板外露較多，約占總量的1/3，部分跨連接鋼板已斷裂、脫落，部分跨已形成單梁受力狀態，對結構非常不利。

（4）由于橫向聯系的破壞，導致T梁懸臂受力，已造成懸臂下部混凝土壓碎，急需進行修補處理。

（5）由于橋面滲水，部分支座老化，連接墩頂的滑板支座壓死，鋼板銹蝕嚴重，失去滑動能力，需要更換，部分支座向跨內的剪切變形明顯，在溫度最高的夏季尚且發生向跨內的剪切變形，冬季由于梁體的收縮，剪切變形肯定更大，需要加強觀測。

（6）動力性能測試結果表明，T型梁的橫向連接破壞后橋面在橫橋向的整體剛度降低，加上橋面連續的損壞，也使得橋梁在順橋向的整體剛度降低，如果橋面橫向裂縫進一步加劇、支座剪切變形加大的話，將會使縱橋向水平力不能整聯內分配，從而改變了“彈模結構”設計狀態，將會導致下部結構的局部破損和破壞。在橫向連接破壞較嚴重的情況下，形成單梁受力狀態，該橋20mT梁的最大重車通行能力是45t，50mT梁最大重車通行能力是48t，為確保大橋的安全、暢通，在沒有實施加固維修前，建議限制重車的噸位在45t。

（7）結合承載能力和變形能力、動態測試結果，根據橋梁技術狀況評定標準，判定該橋設計承載能力的安全度不高，T梁的剛度降低較多（達到10%），已經出現了嚴重的功能性病害，結構的剛度、穩定性和動力響應不能達到平時交通安全通行的要求，特別是行車時局部振動、沖擊過大，車輛和行人有強烈的不安全感，建議對全橋進行維修加固。