某預應力混凝土多T梁的安全性評估研究*

汪　鋒，梁清宇，張　劍，朱金華，周儲偉，4

(1.江蘇揚子大橋股份有限公司，江蘇 南京 214521；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；3.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016；4.機械結構力學及控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210016)

某預應力混凝土多T梁的安全性評估研究*

汪鋒1，梁清宇2，張劍3，朱金華3，周儲偉3，4

(1.江蘇揚子大橋股份有限公司，江蘇 南京 214521；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；3.南京航空航天大學，江蘇 南京 210016；4.機械結構力學及控制國家重點實驗室，江蘇 南京 210016)

摘要：對現役橋梁結構的安全性評估問題日益受到研究者的關注，如何在經濟和技術條件允許的情況下，合理評估橋梁結構的安全性，避免災害事故的發生，這是當前研究的熱點問題之一。結合橋梁結構現場檢測數據，利用修正系數法，即混凝土強度時變修正系數、鋼筋強度修正系數、截面幾何尺寸修正系數和結構剛度修正系數，來反映橋梁結構的現有實際狀態，對某預應力混凝土多T梁橋進行安全性評估研究。結果表明，該梁橋的抗彎承載力評估系數和抗剪承載力評估系數均>1，且其抗彎承載力折減系數、抗剪承載力折減系數和剛度折減系數均>0.9，該橋使用功能良好且滿足安全性要求。提出的方法可供其余類型的板梁結構受力分析和安全性評估作為參考。

關鍵詞：安全性；預應力；修正系數；多T梁

自20世紀80年代以來，歐洲、美國和日本等發達國家專家學者對橋梁結構的安全性評估日益重視[1]。美國和英國橋梁結構研究的重點逐步轉向養護維修、鑒定與加固改造方面，并取得了長足發展。美國、英國和加拿大先后頒布了基于極限狀態原理和設計規范的橋梁評估標準或文件[2]。目前，在世界范圍內對現役橋梁結構的安全性評估問題已日益突出，如何在經濟和技術條件允許的情況下，合理評估橋梁結構的安全性并預測橋梁結構的行為，避免災害事故的發生，是當前工程界關注的熱點問題。服役期的橋梁具體養護和維修策略，通常需要通過橋梁結構檢測和安全性評估來確定[3]。正確評估橋梁結構的承載狀態和安全性并預測橋梁結構行為，鑒定和發現橋梁存在的危險隱患，這些對采取恰當的維修和加固技術措施，避免發生災難性安全事故及生命財產的損失，延長橋梁結構的使用壽命是非常必要的[4]。通過對現役橋梁的檢測和評估，確認橋梁的實際狀態和現有極限承載力，及時為橋梁管理和維修加固提供科學依據。

本文結合橋梁結構現場檢測數據，利用修正系數法反映橋梁結構的現有實際狀態，對某預應力混凝土多T梁進行安全性評估研究。

1材料修正系數

1.1混凝土強度時變修正系數

使用多年后的混凝土結構其強度仍然服從正態分布，只是強度的平均值和標準差是服役時間的函數。通過線性回歸方法可以推導得到現時混凝土強度與混凝土設計值的關系式：

fcd,t(t)=ζcfcd

(1)

(2)

式中，fcd,t(t)和fcd分別是現時混凝土強度和混凝土強度設計值；ζc是混凝土強度時變修正系數；η(t)和ξ(t)分別是混凝土強度平均值隨時間變化的系數和混凝土標準差隨時間變化的系數，它們均為服役時間的函數；δf0是混凝土強度變異系數。

在橋梁安全性綜合評估方法中，為獲得更加精確的現時混凝土強度，直接采用回彈法檢測得到的混凝土強度推算值。

1.2鋼筋強度修正系數

對于鋼筋材料來說，在使用過程中的最大影響因素為銹蝕。鋼筋銹蝕會引起鋼筋截面尺寸的減小，從而降低鋼筋所能承受的拉力。如果銹蝕是均勻的，鋼筋的實際屈服強度不會降低；但實際上鋼筋的銹蝕一般是不均勻的，在鋼筋銹蝕處易形成應力集中，使鋼筋銹蝕處的應力提前達到鋼材的屈服應力，從而降低了鋼筋的實際屈服強度。抗彎縱筋和抗剪箍筋的計算公式如下：

(3)

fsvd,t=(1-1.085δsv)fsvd=ζsvfsvd

(4)

2截面幾何尺寸修正系數

2.1混凝土截面幾何尺寸修正系數

混凝土結構截面幾何尺寸修正系數是對混凝土使用多年后結構局部截面尺寸由于各種因素影響導致減小或破損的修正。主要考慮受壓區混凝土由于碳化、鋼筋銹蝕導致截面開裂等對幾何尺寸損傷的影響。可采用如下公式：

ht=h-αc1

bt=b-αc2-αc3

(5)

式中，ht和bt分別是截面損傷后的高度和寬度；h和b分別是原截面的高度和寬度；c1、c2和c3分別是截面高度和2個寬度方向的保護層厚度；α是保護層幾何損傷系數，其值和縱向裂縫寬度有關。

2.2鋼筋截面面積修正系數

鋼筋銹蝕導致鋼筋截面面積減小，銹蝕后的抗彎縱筋、抗剪箍筋面積可以分別表示為：

As,t=(1-δs)As=ζsaAs

(6)

Asv,t=(1-δsv)Asv=ζsvaAsv

(7)

3鋼筋與混凝土的協同工作系數

鋼筋銹蝕會引起粘結力下降，從而影響鋼筋與混凝土的協同工作能力。而鋼筋銹蝕對鋼筋和混凝土共同工作的影響機理比較復雜，目前只能通過協同工作系數來反映鋼筋與混凝土的協同工作程度。鋼筋與混凝土協同工作系數可表示為：

(8)

式中，ksci是第i根鋼筋的協同工作系數；w是鋼筋銹蝕裂縫寬度；wa是粘結力開始退化時，鋼筋銹蝕裂縫寬度；wb是粘結力完全喪失時，鋼筋銹蝕裂縫寬；ksci,min是第i根鋼筋的協同工作系數最小值；α是粘結力退化系數。

4結構剛度修正系數

結構剛度修正系數的表達式為：

Bt=ζBBs,t

(9)

(10)

式中，Bt是等效剛度修正系數修正后的計算剛度；ζB是等效剛度修正系數；Bs,t是結構損傷后的現有實際等效截面剛度；δs抗彎鋼筋銹蝕率；Ms是控制截面計算彎矩；Mcr是控制截面開裂彎矩。

5算例分析

圖1　預應力混凝土多T梁橋斷面圖

某預應力混凝土多T梁橋的全長為416.44 m。本文針對20 m預應力混凝土T梁跨進行安全性評估分析。橋寬(單幅)13 m，行車道寬(單幅)10.75 m，由6片T梁組成。單片T梁長20 m，翼板寬1.6 m，梁高1.4 m，腹板寬0.18 m，馬蹄寬0.40 m。橋梁橫斷面如圖1所示。對該橋的主梁進行外觀檢查，測定其現有混凝土強度、碳化深度以及鋼筋銹蝕率，結果見表1。由于該預應力混凝土多T梁橋為簡支梁橋，分別對邊梁的跨中截面進行驗算。根據該橋設計信息輸入設計信息和車道荷載選項卡；根據現場檢測結果輸入技術狀況選項卡；根據控制截面配筋情況輸入驗算截面選項卡并模擬靜載試驗。計算結果見表2和表3。

表1　預應力混凝土多T梁橋現場檢測結果

表2　控制截面計算結果

表3　控制截面評估系數

由表2和表3的結果可知，該梁橋的抗彎、抗剪承載力評估系數均>1，且其抗彎承載力折減系數、抗剪承載力折減系數以及剛度折減系數均>0.9且接近于1，因此該橋滿足安全性要求。

6結語

橋梁結構為保證其正常安全的運營，應滿足規范中承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的要求，因此，橋梁安全性綜合評估至關重要。本文結合橋梁結構現場檢測數據，利用修正系數法(混凝土強度時變修正系數、鋼筋強度修正系數、截面幾何尺寸修正系數和結構剛度修正系數)來確定橋梁結構的現有實際狀態，對結構進行了安全性評估研究，結果表明該橋滿足安全性要求。本文提出的方法可供其余類型的板梁結構安全性評估參考。

參考文獻

[1] 盛興旺, 曾慶元. 斜交箱梁的板梁段有限元法[J]. 中國鐵道科學, 2004, 125(3): 64-68.

[2] 鐘新谷, 馬平, 曾慶元. 多室箱形梁非線性有限元分析[J]. 土木工程學報, 1999, 32(6): 32-39.

[3] 段海娟, 張其林. 鋼筋混凝土曲線箱梁非線性分析的有限段元法[J]. 同濟大學學報, 2003, 31(3): 282-286.

[4] 張宇峰. 滬寧高速公路擴建工程橋梁極限狀態實橋試驗研究試驗工作總結會匯報材料[R]. 南京: 江蘇省交通科學研究院, 2006.

* 江蘇省自然科學基金資助項目(BK20130787)

南航青年科技創新基金資助項目(NS2014003)

機械結構力學及控制國家重點實驗室開放課題(MCMS-0213G01)

江蘇揚子大橋股份有限公司資助項目(GCJS2014-37)

浙江省水利廳科技項目(RC1445)

責任編輯鄭練

Research on Safety Evaluation of a Prestressed Concrete Multi-T Girder Bridge

WANG Feng1, LIANG Qingyu2, ZHANG Jian3, ZHU Jinhua3, ZHOU Chuwei3,4

(1.Jiangsu Yangtze River Bridge Co., Ltd., Nanjing 214521, China; 2.Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary,

Hangzhou 310020, China; 3.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China;

4.SKL of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing 210016, China)

Abstract：The safety evaluation problem of the existed bridge structure absorbs more attention from many researchers. If the economic and technology conditions are admitted, how to evaluate the bridge structure correctly and avoid the engineering accident is one of the worth researching problems. Combined with the measured data of the practical bridge structure and using the correctional coefficient method, including the correctional coefficients of concrete strength, reinforced steel strength, sectional dimensions and structural stiffness, study the practical working status of the structure, and the safety evaluation of the prestressed concrete multi-T girder bridge is completed. The results show that the evaluating coefficient of bending ultimate load and that of shearing ultimate load are both more than 1. The reducing coefficient of bending ultimate load and that of shearing ultimate load are both more than 0.9. The structure satisfies the use safety requirements. The research method can be used as reference for the mechanical analysis and the safety evaluation of other kinds of beam structures.

Key words:safety, prestress, correctional coefficient, multi-T girder

收稿日期：2015-02-02

作者簡介：汪鋒(1976-)，男，高級工程師，主要從事結構工程等方面的研究。

中圖分類號：U 441

文獻標志碼:A