永泰嵩口大橋狀態檢測評估

吳福坦

(福州市公路局，福建福州 350002)

永泰嵩口大橋位于福建省永泰縣嵩口鎮郊區，縣道125線K51+836處，全長182.45 m。該橋加固之前的上部結構采用8×22.16 m鋼筋混凝土T梁結構，下部墩臺采用實心重力式漿砌料石墩，漿砌塊石橋臺。第一次加固是采用在原有5片T梁之間增設4片新T梁的加固方法，加固之后公路等級為Ⅳ級，橋梁設計荷載為公路—Ⅱ級。橋梁病害主要是新梁裂縫比較多，而老梁裂縫表面基本未發現新裂縫，因此，需對其開展相應的驗證分析。根據橋梁靜動載荷載試驗、裂縫觀測及承載能力檢算分析，并結合相關文獻資料及經驗，對T梁承載能力及病害成因進行分析。嵩口大橋第一次加固后橫斷面圖見圖1。

圖1 嵩口大橋第一次加固后橫斷面圖（單位：cm）

1 檢測內容

本文主要檢測內容包括:靜動載荷載試驗、裂縫發展狀況檢測評估、承載能力檢算。

1.1 靜載試驗

根據橋型特點及試驗目的，按照規范規定及計算模型分析，設計采用對稱加載(工況1)和偏心加載(工況2)兩種工況對該橋第三跨跨中截面最大正彎矩和最大豎向撓度效應進行測試。其中應變傳感器和撓度測點布置分別如圖2，圖3所示。

圖2 跨中截面應變計測點布置圖（單位：cm）

1.2 動載試驗

動載試驗包括脈動試驗和車輛激勵試驗。選取第一、二及三跨進行脈動試驗，測試結構的自振頻率、振型和阻尼比等動力學特征，傳感器布置如圖4所示;選取第三跨進行車輛激勵試驗，測試結構在不同車速情況下的動力響應，動應變測試傳感器布置如圖5所示。

圖3 跨中截面上撓度測點示意圖（單位：cm）

圖4 脈動試驗傳感器布置示意圖（單位：cm）

1.3 裂縫發展狀況評估檢測

在荷載作用下，對典型的且滿足檢測條件的現場裂縫的長度及走向、寬度、深度等進行測試，采集現場裂縫的變形狀況和開裂數據，以此評估裂縫在荷載作用下的發展狀況。

1.4 承載能力檢算

根據實際橋梁結構進行建模，其計算荷載及相關參數按設計圖紙進行取值;當參數未明確時，參考相關規范予以考慮。通過對其承載能力進行檢算，評估橋梁現有承載能力能否滿足設計荷載要求。橋梁結構計算采用橋梁博士3.2有限元軟件，將結構離散為30個單元，31個節點。

圖5 動應變測試傳感器布置圖

2 試驗結果分析

2.1 靜載試驗

2.1.1 應變數據分析

第三跨跨中截面在對稱加載(工況1)和偏心加載(工況2)兩種工況下的應變數據如表1所示。根據表1中數據可知，各測點的實測應變值基本小于理論值，應變校驗系數均小于1.0，結構強度滿足設計要求。另外，計算應變基本符合平截面假定，中性軸基本位于頂板的下方，即頂板基本都處于受壓狀態。在試驗荷載作用下，各T梁測試截面腹板測點應變分布趨勢和理論一致。因裂縫的存在，應變分布沿截面高度方向上局部有突變。

表1 第三跨跨中截面混凝土應變值 με

2.1.2 位移數據分析

位移數據如表2所示，主梁的撓度向下為負值。由表2中數據可知，最大實測撓度是在偏心加載時，其值為7.5 mm，即撓跨比為1/2 949，滿足規范(JTG D60-2004)規定的1/600的要求;在各工況荷載作用下，各測點撓度的實測值與計算值較為接近，變化規律基本相同，撓度校驗系數在0.85～1.01之間，說明橋梁該跨的整體剛度滿足要求。

2.1.3 殘余變形分析

通過計算所得的相對殘余變形數據如表3所示。從表3中可知，測試斷面卸載后其相對殘余變形均在《公路橋梁承載能力檢測評定規程》規定的20%范圍以內，說明結構產生的變形基本能夠得以恢復，表明結構基本處于線彈性狀態。

2.2 動載試驗

2.2.1 脈動試驗

表2 第三跨各控制截面撓度值 mm

表3 第三跨跨中截面各測點相對殘余變形表

典型測點測試所得的脈動時程曲線，如圖6所示。對脈動時程曲線進行傅立葉變換，得到加速度頻譜圖(如圖7所示)，從而得出結構的豎向頻率。通過環境振動試驗和試驗模態分析，共得到每一跨的豎向3階的頻率和振型，如表4所示?？梢钥闯?，實測頻率和計算頻率吻合較好，實測和計算的振型吻合較好;各跨頻率相差較小，說明各跨的剛度相近。

圖6 典型測點的脈動時程曲線

圖7 典型測點的頻譜分析

表4 豎向實測頻率

2.2.2 激勵試驗

利用無障礙行車試驗測定橋梁結構在運行車輛的狀態下的動力反應，測量各控制截面在不同車速下的沖擊系數。

從不同車速激振下的動應變時程曲線分析得到實測沖擊系數如表5所示。第三跨跨中T梁的沖擊系數μ在0.07～0.28，均小于JTG D60-2004公路橋涵設計通用規范中規定的設計理論值μc(0.29)，即車速為10 km/h～40 km/h的車輛對第三跨跨中T梁的沖擊基本正常。

表5 不同車速下的沖擊系數

2.3 裂縫發展狀況評估檢測

梁體主要裂縫寬度如表6所示，每個梁體取其中典型裂縫作為代表。試驗前的腹板兩側典型裂縫展開圖如圖8所示。由此可知:

1)在靜載試驗前，新梁已產生大量裂縫且存在超限貫通裂縫，而老梁表面裂縫已修補;施加荷載之后，新梁不僅產生少許新的裂縫而且還有原有裂縫的擴展，老梁基本沒有新裂縫產生;

2)施加荷載之前，新梁有一部分裂縫已超限，最大裂縫寬度為0.50 mm;施加荷載之后，新梁最大裂縫寬度為0.80 mm，且裂縫基本均超過規范允許的0.20 mm，會影響橋梁安全使用和耐久性能。卸載后，新梁大部分裂縫均可恢復到初始狀態，說明橋梁承載力能滿足要求。

表6 梁體主要裂縫寬度記錄表 mm

圖8 第三跨梁腹板兩側裂縫圖

2.4 結構承載能力驗算結果

參考相關規范通過數值模擬驗算T梁承載能力，驗算結果表明橋承載能力能滿足公路—Ⅱ級荷載等級要求。

3 T梁主要病害成因分析

T梁主要存在裂縫病害，通過對其病害成因進行分析討論，可以得出以下結論:1)超設計荷載的重載、超載車輛的作用是T梁裂縫產生的主要原因。根據驗算結果表明:結構承載能力可以滿足公路Ⅱ級荷載要求，但不能滿足公路Ⅰ級荷載要求。在長期超載作用下，裂縫會不斷發展，影響橋梁安全使用和耐久性;2)實測荷載橫向分布系數值比理論計算值略大。荷載橫向分布系數越大，其承受的荷載作用也越大，使用過程中也更容易產生裂縫。而且，該橋長期存在超出設計荷載等級的重型、超載車輛等荷載作用，導致T梁混凝土開裂較為嚴重，尤其以2號和8號T梁裂縫情況最為嚴重;3)局部保護層厚度偏小也是結構產生裂縫的原因之一。由于局部鋼筋過為密集，使保護層混凝土與內部混凝土隔開，使得鋼筋保護層厚度偏小，混凝土層較薄，無法承擔梁體的總體變形，造成混凝土開裂。

另外，新梁裂縫較多而老梁基本未發現新裂縫的情況，通過對其病害成因進行分析討論，可以得出以下結論:1)新、舊T梁之間收縮徐變不一致，在收縮徐變效應作用下，舊T梁受壓，新T梁受拉。新T梁的收縮效應相當于給舊T梁施加了縱向預應力，這樣對舊T梁是有利的，而對新T梁則不利。在荷載作用下，新T梁較舊T梁更易開裂;2)新、舊T梁的施工質量、時間及環境存在一定差異，使得新、舊T梁的結構強度、剛度存在細微差異。根據驗算結果表明:在設計荷載作用下，新梁整體剛度略弱于舊梁，在承受長期荷載作用下，新梁與舊梁相比更易產生裂縫;3)當梁體裂縫達到一定程度后，荷載的增加并不會使新裂縫產生，只會增大裂縫寬度;舊T梁裂縫經過修補，而且膠有一定延性，在荷載作用下基本不產生新裂縫;對于新T梁，在長期超載作用下，裂縫發展比較嚴重。

4 結語

通過荷載試驗和承載能力檢算可知嵩口大橋承載能力滿足公路Ⅱ級設計荷載的要求。裂縫發展狀況檢測結果表明，荷載作用下裂縫會繼續發展，卸載后大部分裂縫均可恢復到初始狀態，橋梁承載力能滿足要求，但T梁大部分裂縫寬度已超出規范限值，會影響橋梁安全使用和耐久性能，建議對T梁進行再次加固維修處理。

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