預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋地震后結(jié)構(gòu)能力評估

曾定紅

(1.長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院;2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)公路基本建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站)

南疆線K1291+666.5處伽師總場公鐵立交跨線簡支梁預(yù)應(yīng)力混凝土空心板橋，橋位跟兵團(tuán)第三師伽師總場約17 km，該橋上跨南疆鐵路庫爾勒-喀什段K1291+666.5處，橋梁全長54.64 m，橋?qū)捊M合為凈11 m(行車道)+2×0.5 m(防撞護(hù)欄)。每孔橫向布置9塊板，全橋共27塊板，橋面鋪裝為8 cm瀝青混凝土+10 cm C40鋼筋混凝土，橋面設(shè)雙向2.0%的橫坡。在兩橋臺處各設(shè)置了一道GQF-C60型伸縮縫。下部結(jié)構(gòu)為三柱式橋梁、肋板式橋臺，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，板下設(shè)置四氟滑板支座36個(gè)，普通橡膠支座72個(gè)。橋下凈高7.5 m，橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路II級，抗震設(shè)防為VII度。該橋于2010年9月建成通車，2011年8月11日18點(diǎn)06分，喀什地區(qū)伽師縣發(fā)生里氏5.8級地震，震中跟本橋距僅13 km，震后該橋出現(xiàn)橋梁墩臺抗震擋塊破碎、橋梁整體以跨中為中心發(fā)生逆時(shí)針方向水平轉(zhuǎn)動(dòng)致使伸縮縫處錯(cuò)位約5 cm等病害。為明確掌握此橋可能存在的安全隱患以及當(dāng)前的實(shí)際技術(shù)狀況，確保公路、鐵路交通運(yùn)輸安全，因此，必須對此橋結(jié)構(gòu)能力進(jìn)行評估。

1 橋梁技術(shù)狀況檢測

1.1 橋梁一般檢查、分析

全橋技術(shù)狀況等級評定，采用考慮各部件權(quán)重的綜合評定方法，具體評定方法參見《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》，本橋各部件權(quán)重及其相應(yīng)得分和總體質(zhì)量狀況評定見表1。綜合評定采用下列算式:

Dr=1-RiWi/5

式中:Ri為表中的最終評定標(biāo)度，Wi為各部件權(quán)重，Dr為全橋結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評分。

經(jīng)計(jì)算該橋結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況評分Dr=51.8，根據(jù)《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11-2004)第3.5.2條，本橋綜合評定為三類橋，處于較差狀態(tài)。

表1 各部件權(quán)重及其相應(yīng)得分和總體質(zhì)量狀況評分Dr

續(xù)表1

1.2 橋梁詳細(xì)、特殊檢查、分析

(1)橋梁整體平面轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)施工圖設(shè)計(jì)資料，并實(shí)測橋面幾何尺寸進(jìn)行對比分析，以掌握在地震災(zāi)害作用下橋梁外部整體的變化，為后期病害分析和評定提供依據(jù)。經(jīng)實(shí)測，橋梁整體以跨中為中心發(fā)生逆時(shí)針方向水平轉(zhuǎn)動(dòng)致使伸縮縫處錯(cuò)位約5 cm，計(jì)算實(shí)際轉(zhuǎn)角約為0°7'34″。據(jù)測算，若實(shí)際轉(zhuǎn)角超過3°19'07″，則可能直接導(dǎo)致落梁的重大事故。橋梁起始落梁、實(shí)測狀態(tài)平面圖如圖1。

圖1 橋梁起始落梁、實(shí)測狀態(tài)平面圖

(2)表層混凝土強(qiáng)度和碳化檢測。應(yīng)用超聲回彈綜合法分別檢定橋臺蓋梁、空心板、橋墩系梁和橋墩墩身立柱混凝土強(qiáng)度。預(yù)應(yīng)力空心板采用C40混凝土，下部結(jié)構(gòu)采用C35混凝土，利用全國通用測強(qiáng)曲線推求的各測區(qū)混凝土的推定強(qiáng)度如表2。實(shí)測數(shù)據(jù)混凝土強(qiáng)度推定值均大于設(shè)計(jì)值，該橋主要受力構(gòu)件混凝土強(qiáng)度等級能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。經(jīng)檢測，該橋主要構(gòu)件碳化深度標(biāo)度值均為1，對保護(hù)層保護(hù)鋼筋效能無影響或輕微影響。

(3)裂縫測定。采用裂縫測寬儀和測深儀測定裂縫寬度、深度。除橋梁墩臺抗震擋塊已嚴(yán)重開裂、破損失效外，其余各處裂縫寬度基本小于規(guī)范允許值，但裂縫數(shù)量較多，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)耐久性。主要構(gòu)件最大裂縫數(shù)據(jù)見表3。

表2 各測區(qū)混凝土的推定強(qiáng)度

表3 主要構(gòu)件最大裂縫數(shù)據(jù)

(4)混凝土保護(hù)層厚度及鋼筋偏位、鋼筋銹蝕檢測。采用電磁檢測方法對混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋直徑、間距及保護(hù)層狀況進(jìn)行無損檢測，經(jīng)測試，主要承重構(gòu)件鋼筋的混凝土保護(hù)層基本滿足原設(shè)計(jì)的構(gòu)造要求，鋼筋直徑及數(shù)量與設(shè)計(jì)相符，鋼筋偏位較小。采用半電池電位法對鋼筋的可能銹蝕狀況進(jìn)行評定，主要承重混凝土構(gòu)件鋼筋的測試電位差值除1號板端部測區(qū)電位水平均值為-217 mv，發(fā)生銹蝕的概率小于10%，可能有輕微銹蝕外，其余被檢測位置電位水平平均位于-200～0 mv之間，所測構(gòu)件鋼筋無銹蝕。

2 橋梁靜載、動(dòng)載試驗(yàn)

2.1 靜載試驗(yàn)

對橋梁空間計(jì)算模型在不同工況下加載，得出橋梁在等效設(shè)計(jì)荷載下的應(yīng)力分布情況，通過和實(shí)測值進(jìn)行比較分析，判斷橋梁在日常運(yùn)營狀態(tài)下的承載能力是否滿足設(shè)計(jì)要求。

(1)測試內(nèi)容。①跨中截面在可變荷載作用下最不利正彎矩效應(yīng)的偏心加載試驗(yàn);②跨中截面在可變荷載作用下最不利正彎矩效應(yīng)以及最大豎向撓度的對稱加載試驗(yàn)。靜應(yīng)變測試斷面布置如圖2，截面應(yīng)變測點(diǎn)布置如圖3。

圖2 靜應(yīng)變測試斷面布置示意圖

圖3 截面應(yīng)變測點(diǎn)布置

(2)靜載試驗(yàn)主要結(jié)果。測點(diǎn)在兩個(gè)工況下應(yīng)變效驗(yàn)系數(shù)均滿足規(guī)范要求，且應(yīng)變值、撓度明顯小于理論計(jì)算值;在各工況下橋梁殘余變形均滿足相關(guān)規(guī)范要求，由此表明此橋結(jié)構(gòu)總體上彈性性能較好，塑性變形較小。

2.2 動(dòng)載試驗(yàn)

動(dòng)力荷載試驗(yàn)的主要目的是測試橋跨結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性指標(biāo)，以檢驗(yàn)這些指標(biāo)能否滿足設(shè)計(jì)或規(guī)范規(guī)定，并對橋跨結(jié)構(gòu)健康建立初始動(dòng)力特性基準(zhǔn)參數(shù)。

(1)測試內(nèi)容。進(jìn)行脈動(dòng)試驗(yàn)、無障礙行車和跳車試驗(yàn)三項(xiàng)內(nèi)容。

(2)動(dòng)載試驗(yàn)主要結(jié)果。①橋梁動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測得該橋一階段頻率為10.70 Hz，大于計(jì)算值5.711 Hz，所以，橋梁的總體剛度較大，如表4;②沖擊系數(shù)的大小主要受車輛荷載、行駛速度及路面狀況的影響，該橋在試驗(yàn)車輛荷載作用下的最大實(shí)測沖擊系數(shù)為1.271 5(發(fā)生在車速50 km/h時(shí))，小于根據(jù)規(guī)范計(jì)算得到的沖擊系數(shù)μ=1+(0.176 7lnf-0.015 7)=1.391 1;③實(shí)測結(jié)構(gòu)阻尼比在1.78% ～8.78%之間(如表5)，在一般橋梁阻尼比1% ～10%的合理范圍;④動(dòng)載試驗(yàn)所測基頻大于理論值，結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度較大。

表4 理論模態(tài)頻率及實(shí)測頻率

表5 跳車時(shí)橋梁振動(dòng)動(dòng)力反應(yīng)

3 橋梁承載能力檢算和抗震能力分析

3.1 承載能力檢算

進(jìn)行橋梁承載能力檢算分析，正確評定橋梁在現(xiàn)行荷載等級公路-II級作用下的承載能力，為確定現(xiàn)有橋梁的使用條件和應(yīng)采用的技術(shù)措施提供可靠根據(jù)。

(1)檢算要點(diǎn)。①根據(jù)橋梁的實(shí)際情況，進(jìn)行結(jié)構(gòu)主要控制截面、結(jié)構(gòu)薄弱部位的檢算;②以實(shí)際調(diào)查的結(jié)構(gòu)各部尺寸及材料強(qiáng)度為依據(jù)，有嚴(yán)重質(zhì)量問題的構(gòu)件，應(yīng)根據(jù)檢查資料進(jìn)行強(qiáng)度折減;橋面鋪裝混凝土不考慮其參與共同受力，同時(shí)整體升溫降溫30℃以及橋面由于日照而產(chǎn)生的溫度梯度升溫及降溫。

(2)計(jì)算模型及橋面布置。

(3)結(jié)構(gòu)檢算結(jié)果。①進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)計(jì)算，該橋上部結(jié)構(gòu)各個(gè)控制截面的正截面抗彎承載能力以及斜截面抗剪承載能力滿足公路-II級荷載的要求;②進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)計(jì)算，該橋上部結(jié)構(gòu)各個(gè)控制截面的正截面抗裂性以及斜截面抗裂性滿足公路-II級荷載的要求;③在使用階段的撓度計(jì)算中，在消除自重產(chǎn)生的長期撓度后主梁的最大撓度不超過計(jì)算跨徑的L/600，滿足規(guī)范要求;④在持久狀態(tài)應(yīng)力驗(yàn)算中，主梁各個(gè)截面的混凝土法向壓應(yīng)力、受拉區(qū)鋼筋的拉應(yīng)力以及斜截面的主壓應(yīng)力均滿足規(guī)范要求。

3.2 抗震能力分析

該橋橋位處地震動(dòng)峰加速度為0.20，地震基本烈度為VIII度。地基土為細(xì)砂，基本承載力標(biāo)準(zhǔn)值170 kPa，故其場地類型為III級。

(1)計(jì)算內(nèi)容。①橋梁動(dòng)力特性:自振頻率和振型;②采用反應(yīng)譜法對該橋在E1地震作用下的反應(yīng)進(jìn)行計(jì)算。

(2)計(jì)算結(jié)果。①該橋梁基頻為2.34Hz，第一階模態(tài)為縱向漂移;②該橋?yàn)樾苯粯颍芰^為復(fù)雜，橋梁在考慮永久荷載和地震荷載作用下的反應(yīng)結(jié)果為:a位移:空心板的最大位移為8 mm，發(fā)生在第二跨跨中處邊板。橋墩最大位移1 mm，發(fā)生在第二跨右端對應(yīng)的中間位置的橋墩頂部。b內(nèi)力:空心板的最大軸力為-810.9 kN，發(fā)生在第一跨邊板處。最大彎矩為408.4 kN·m，發(fā)生在第三跨邊板處。最大剪力為329.4 kN，發(fā)生在第三跨靠近橋臺處的端部。最大扭矩為-117.9 kN·m，發(fā)生在第三跨跨中的中板。橋墩最大軸力為236.5 kN，發(fā)生在第二跨右側(cè)支點(diǎn)對應(yīng)的處于中間位置的橋墩。最大彎矩為-346.2kN·m，發(fā)生在第二跨右側(cè)支點(diǎn)對應(yīng)的中間橋墩頂部。c應(yīng)力:空心板的最大拉應(yīng)力為5.47 MPa，發(fā)生在第二跨右側(cè)靠近空心板銳角端側(cè)的橋墩。由此可見，在地震作用下橋梁的最大應(yīng)力分布超過了混凝土C40(空心板)和C35(橋墩)的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。因此，在地震作用下，在部分應(yīng)力集中區(qū)域(如各跨間的交界處)可能會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)混凝土開裂現(xiàn)象。

4 鑒定結(jié)論和建議

4.1 鑒定結(jié)論

(1)經(jīng)檢查評定，該橋總體技術(shù)狀況得分期分51.8分，為三類橋，處于較差狀態(tài)。存在以下主要問題:橋梁墩臺抗震擋塊混凝土破碎、損壞失效，墩臺蓋梁、橋墩立柱、橋墩系梁存在較多細(xì)微裂縫;多數(shù)抗震錨栓缺失;多數(shù)板式橡膠支座發(fā)生難以恢復(fù)的橫向剪切變形，滑板支座上、下鋼板銹蝕，不銹鋼板偏位;伸縮縫間隙發(fā)生變化，橡膠條受到不均勻拉伸;橋墩蓋梁寬度小于抗震規(guī)范要求;地震動(dòng)峰值加速度及抗震烈度選用標(biāo)準(zhǔn)偏低;三柱式橋墩自重輕，橫向剛度不足，在橫向荷載作用下振幅較大;斜橋縱軸線與橋墩支撐中線不垂直，易形成扭轉(zhuǎn)。

(2)根據(jù)橋梁荷載試驗(yàn)、結(jié)構(gòu)檢算及抗震分析成果，確認(rèn)該橋承載能力基本滿足設(shè)計(jì)要求，但抗震能力不足，在較強(qiáng)地震作用下，存在一定安全隱患，需及時(shí)加強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)。

(3)該橋的通行能力與路線整體基本適應(yīng)。

4.2 有關(guān)建議

(1)增設(shè)橋墩承臺，將原橋三柱式橋墩整體現(xiàn)澆為實(shí)體式橋墩。

(2)按照規(guī)范要求，加寬橋梁蓋梁，并加強(qiáng)重建墩臺抗震擋塊。

(3)采用頂升法更換受損支座(可考慮選用抗震支座)。(4)補(bǔ)充設(shè)置上部結(jié)構(gòu)橫向限位器。

5 結(jié)語

2011年10月，有關(guān)單位完成了外業(yè)試驗(yàn)檢測，2012年，整治方案經(jīng)專家評審后，業(yè)主委托原設(shè)計(jì)單位進(jìn)行下部結(jié)構(gòu)加固方案和蓋梁及橋墩裂縫整治設(shè)計(jì)，并按照蓋梁及橋梁裂縫整治方案，2013年8月完成了加固補(bǔ)強(qiáng)處理，對橋臺、蓋梁、系梁及墩柱均用環(huán)氧樹脂砂漿修補(bǔ)，設(shè)置了橫向限位器等。整治、加固效果較好。

［1］ 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范(JTG D60-2004)［S］.

［2］ 公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)(JTG B01-2000)［S］.

［3］ 公路橋涵涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范(JTG H11-2004)［S］.