基于檢測(cè)評(píng)估法的混凝土梁橋承載能力分析

曾漢輝

(廣東華路交通科技有限公司，廣東廣州 510420)

0 引言

隨著交通量急速增長(zhǎng)，超限車輛的荷載效應(yīng)超過公路橋梁的設(shè)計(jì)等級(jí);另一方面，原有橋梁的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，因老化、破損難以適應(yīng)公路運(yùn)輸需要。如何評(píng)價(jià)在役橋梁的承載能力，準(zhǔn)確的評(píng)估構(gòu)造物的損傷程度，具有重要意義。

1 工程背景

石碣大橋新橋位于東莞石碣鎮(zhèn)，全橋總長(zhǎng)658.8 m，跨徑組合為:3×20 m+2×9.7 m(南引橋)+6×72.4 m+45 m(主橋)+4×25 m(北引橋)，其中主橋?yàn)?×72.4 m+45 m為單箱單室預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)箱梁。主橋立面圖見圖1。

圖1 石碣大橋主橋立面圖

2 承載能力分析思路

本次進(jìn)行石碣大橋的承載能力工作的思路如圖2所示，主要從以下幾方面進(jìn)行:

1)檢測(cè)評(píng)估:采用無損檢測(cè)方法，對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土進(jìn)行全面測(cè)試，為橋梁結(jié)構(gòu)承載能力檢算模型的參數(shù)修正提供參考;2)應(yīng)用橋梁計(jì)算分析專用軟件，對(duì)橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，根據(jù)實(shí)際的荷載情況和結(jié)構(gòu)性能，分析橋梁的受力狀態(tài);3)應(yīng)用橋梁計(jì)算分析專用軟件，對(duì)橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，根據(jù)實(shí)際的荷載情況和結(jié)構(gòu)性能，分析橋梁的受力狀態(tài)。

圖2 承載能力流程圖

3 混凝土連續(xù)箱梁檢測(cè)評(píng)估工作

3.1 混凝土強(qiáng)度檢測(cè)

本次檢測(cè)采用超聲—回彈綜合法，隨機(jī)對(duì)3號(hào)跨箱梁、9號(hào)跨箱梁部位選取30個(gè)測(cè)區(qū)，其檢測(cè)結(jié)果見表1。根據(jù)JTG/T J21-2011公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程(以下簡(jiǎn)稱《評(píng)定規(guī)程》)的評(píng)定規(guī)定，箱梁與橋墩的混凝土強(qiáng)度的狀態(tài)均為較好，其評(píng)定標(biāo)度為2(見表1)。

表1 混凝土強(qiáng)度數(shù)據(jù)匯總表

3.2 混凝土碳化深度檢測(cè)

本次預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的碳化深度基本上在0 mm～1.0 mm之間，均小于其凈保護(hù)層厚最小值，這說明構(gòu)件中的混凝土碳化對(duì)堿性混凝土環(huán)境破壞不大，該橋的混凝土狀態(tài)為良好，其評(píng)定標(biāo)度為1。

3.3 鋼筋銹蝕電位檢測(cè)

本次采用半電池電位法對(duì)混凝土連續(xù)箱梁檢測(cè)，結(jié)果表明:連續(xù)箱梁的鋼筋銹蝕電位平均值介于-50 mV～-100 mV之間，各測(cè)區(qū)的鋼筋銹蝕狀態(tài)基本上為無銹蝕活動(dòng)性或銹蝕活動(dòng)性不確定，評(píng)定標(biāo)度為1。

3.4 混凝土氯離子含量檢測(cè)

對(duì)混凝土連續(xù)箱梁的取樣的混凝土粉末中氯離子含量的測(cè)試結(jié)果，該橋的混凝土中氯離子含量均小于0.15%。表明氯離子誘發(fā)鋼筋銹蝕的可能性很小，該項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)定標(biāo)度為1。

3.5 混凝土電阻率檢測(cè)

對(duì)混凝土連續(xù)箱梁測(cè)試結(jié)果表明，各測(cè)區(qū)的混凝土電阻率均大于20 kΩ·cm，表明混凝土電阻率對(duì)鋼筋銹蝕影響很慢，測(cè)區(qū)評(píng)定標(biāo)度為1。

3.6 混凝土鋼筋保護(hù)層厚度

對(duì)混凝土連續(xù)箱梁測(cè)試結(jié)果表明，腹板鋼筋保護(hù)層厚度基本滿足要求，但底板保護(hù)層偏薄，且均勻性較差。各構(gòu)件檢測(cè)結(jié)果主要為有影響不顯著和鋼筋易失去堿性保護(hù)，發(fā)生銹蝕兩類。根據(jù)《評(píng)定規(guī)程》的評(píng)定規(guī)定，按最不利原則考慮，其評(píng)定標(biāo)度取為5。

4 承載能力各項(xiàng)系數(shù)的確定

4.1 結(jié)構(gòu)承載能力惡化系數(shù)

根據(jù)上述對(duì)石碣大橋新橋各檢測(cè)評(píng)估的測(cè)試結(jié)果，綜合得到結(jié)構(gòu)惡化狀況評(píng)定值E如表2所示。

表2 承載能力惡化狀況評(píng)定值E

根據(jù)石碣大橋新橋橋址的環(huán)境特征，該橋的環(huán)境條件為“干、濕交替、凍、有侵蝕性介質(zhì)”，根據(jù)《評(píng)定規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，其承載能力惡化系數(shù)取0.076。

4.2 結(jié)構(gòu)截面折減系數(shù)

根據(jù)本次的檢測(cè)結(jié)果，確定石碣大橋新橋的截面損傷評(píng)定標(biāo)度如表3所示。

根據(jù)截面損傷評(píng)定標(biāo)度值R確定得ξc取0.99。

4.3 活載影響修正系數(shù)

根據(jù)石碣大橋新橋?qū)嶋H運(yùn)營(yíng)車輛的現(xiàn)場(chǎng)察看，該橋上運(yùn)營(yíng)車輛主要以小型客車為主，超載車輛較少，故取活載影響修正系數(shù)為 1.0。

表3 混凝土截面損傷評(píng)定標(biāo)度R

4.4 承載能力檢算系數(shù)

表4 檢算系數(shù)評(píng)定指標(biāo)

由表4可知，本次檢測(cè)未進(jìn)行結(jié)構(gòu)的自振頻率檢測(cè)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按保守估計(jì)，按照該橋的實(shí)測(cè)自振頻率與理論頻率相同考慮，按照評(píng)定規(guī)程的有關(guān)規(guī)定，取模態(tài)參數(shù)的評(píng)定標(biāo)度為2。

根據(jù)以上的評(píng)定結(jié)果，按《評(píng)定規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，取承載力檢算系數(shù)為1.10。

5 混凝土連續(xù)梁橋承載能力分析

橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力分析主要依據(jù)竣工圖紙，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)評(píng)估情況，著重對(duì)結(jié)構(gòu)主要控制截面、結(jié)構(gòu)薄弱截面進(jìn)行檢算。本橋的承載能力評(píng)定按鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用承載能力極限狀態(tài)法計(jì)算，首先對(duì)橋跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析，并在檢測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上確定承載能力檢算系數(shù)、惡化系數(shù)、截面折減系數(shù)和活載影響修正系數(shù)的合理取值，然后對(duì)橋梁的承載能力作出評(píng)定。

5.1 計(jì)算模型

本橋采用平面桿系有限元法建立了連續(xù)箱梁的二維有限元模型，全橋共有節(jié)點(diǎn)173個(gè)，單元172個(gè)，分析模型見圖3。

圖3 石碣大橋新橋模型圖

5.2 計(jì)算荷載與組合

一般質(zhì)量檢查結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁未出現(xiàn)嚴(yán)重影響其承載能力的質(zhì)量缺陷和病害，這里針對(duì)上部主要承重構(gòu)件的承載能力檢算按完好構(gòu)件進(jìn)行驗(yàn)算。

按汽車—20級(jí)，掛—100，人群3.5 kN/m2，系統(tǒng)升降溫20℃，荷載組合根據(jù)橋規(guī)(JTJ 021-89，JTJ 022-85)的規(guī)定，考慮以下三種組合進(jìn)行截面驗(yàn)算。

荷載組合Ⅰ:恒載+汽—20+人群;

荷載組合Ⅱ:恒載+汽—20+人群+升降溫20℃ +溫度梯度(規(guī)范BS5400模式)。

荷載組合Ⅲ:恒載+掛—100。

在進(jìn)行荷載組合計(jì)算的過程中，同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)折減系數(shù)與檢算系數(shù):

1)承載能力惡化系數(shù)取0.076;2)截面損傷折減系數(shù)取0.99;3)鋼筋腐蝕的截面折減系數(shù)取1.0;4)活載影響修正系數(shù)取1.0;5)承載力檢算系數(shù)取1.10。

5.3 計(jì)算結(jié)果

本次驗(yàn)算嚴(yán)格按照竣工圖紙所述的橋梁結(jié)構(gòu)施工階段，準(zhǔn)確的模擬橋梁結(jié)構(gòu)的各個(gè)施工過程，并綜合考慮目前橋梁的實(shí)際工作狀態(tài)，對(duì)其進(jìn)行正常使用狀態(tài)下應(yīng)力和承載能力極限狀態(tài)下強(qiáng)度的驗(yàn)算，驗(yàn)算結(jié)果如下。

5.3.1 正常使用狀態(tài)下應(yīng)力驗(yàn)算

正常使用狀態(tài)下預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁截面的上下緣的最大和最小正應(yīng)力及其最大主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力如圖4，圖5所示。

圖4 正常使用狀態(tài)下不同組合下主梁上下緣最大和最小正應(yīng)力圖

圖5 正常使用狀態(tài)下不同組合下主梁最大主壓應(yīng)力和最大主拉應(yīng)力圖

從圖4，圖5我們可以得到以下結(jié)論:

1)荷載組合Ⅰ下，主梁最大壓應(yīng)力為13.4 MPa，且上下緣未出現(xiàn)拉應(yīng)力;最大主壓應(yīng)力為14.2 MPa，最大主拉應(yīng)力較小，不超過-2.4 MPa，滿足預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件的要求。

2)荷載組合Ⅱ下，主梁最大壓應(yīng)力為16.8 MPa，最大拉應(yīng)力為-1.66 MPa;最大主壓應(yīng)力為14.10 MPa，最大主拉應(yīng)力 -1.66 MPa，不超過-2.7 MPa，滿足預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件的要求。

3)荷載組合Ⅲ下，主梁最大正應(yīng)力為11.88 MPa，且上下緣未出現(xiàn)拉應(yīng)力;最大主壓應(yīng)力為12.14 MPa，最大主拉應(yīng)力較小，不超過-2.7 MPa，滿足預(yù)應(yīng)力混凝土A類構(gòu)件的要求。

5.3.2 承載能力極限狀態(tài)下截面強(qiáng)度驗(yàn)算

承載能力極限狀態(tài)下混凝土連續(xù)箱梁截面的上下緣的最大和最小正應(yīng)力及其最大主拉應(yīng)力和主壓應(yīng)力如圖6～圖8所示。

如圖6～圖8中，我們可以得到以下結(jié)論:

1)荷載組合Ⅰ下，全梁各截面的強(qiáng)度系數(shù)均大于1，截面強(qiáng)度滿足要求，各主要驗(yàn)算截面中，最大正彎矩強(qiáng)度系數(shù)最小位于3號(hào)跨0.4L截面處，其值為1.139，最大負(fù)彎矩強(qiáng)度系數(shù)最小位于5號(hào)墩頂截面處，其值為1.077。表明結(jié)構(gòu)墩頂及部分跨中截面強(qiáng)度富裕量較小。

2)荷載組合Ⅱ下，全梁各截面的強(qiáng)度系數(shù)均大于1，截面強(qiáng)度滿足要求，各主要驗(yàn)算截面中，最大正彎矩強(qiáng)度系數(shù)最小位于33號(hào)跨0.4L截面處，其值為1.139，最大負(fù)彎矩強(qiáng)度系數(shù)最小位于5號(hào)墩頂截面處，其值為1.077。表明結(jié)構(gòu)墩頂及部分跨中截面強(qiáng)度富裕量較小。

3)荷載組合Ⅲ下，全梁各截面的強(qiáng)度系數(shù)均大于1，截面強(qiáng)度滿足要求，各主要驗(yàn)算截面中，最大正彎矩強(qiáng)度系數(shù)最小位于3號(hào)跨0.4L截面處，其值為1.401，最大負(fù)彎矩強(qiáng)度系數(shù)最小位于5號(hào)墩頂截面處，其值為1.357。

圖6 承載能力極限狀態(tài)下組合 Ⅰ下截面最大內(nèi)力和最小內(nèi)力及相應(yīng)抗力圖

圖7 承載能力極限狀態(tài)下組合Ⅱ 下截面最大內(nèi)力和最小內(nèi)力及相應(yīng)抗力圖

圖8 承載能力極限狀態(tài)下組合Ⅲ 下截面最大內(nèi)力和最小內(nèi)力及相應(yīng)抗力圖

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)石碣大橋新橋(預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁)進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估，進(jìn)而取得各項(xiàng)系數(shù)的取值，對(duì)其承載能力的計(jì)算與分析，可以得到以下基本結(jié)論:

1)對(duì)該橋的正常使用極限狀態(tài)組合應(yīng)力的驗(yàn)算，結(jié)果表明，該橋各截面的應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

2)對(duì)該橋的承載極限狀態(tài)下各截面強(qiáng)度的驗(yàn)算，結(jié)果表明，該橋各截面的強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求，但墩頂及部分跨中截面強(qiáng)度的富裕量較小。

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