鋼筋混凝土橋梁承載能力評定的應用與淺析

周曉杰

（遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽110166）

近年來我國交通事業逐步由建設期轉變為養護期，現階段很多公路在役橋梁修建年代久遠、設計荷載等級較低，并且隨著服役時間的推移，橋梁結構病害逐漸增加。為保證在役橋梁結構的安全性，除對橋梁進行外觀病害進行調查外，還應對橋梁材質狀況與狀態參數檢測評定，并最終對橋梁結構進行承載能力評定，給出橋梁維修、加固還是改建的合理性建議，為養護單位“對癥下藥”提供重要依據。

我國在2011 年11 月1 日施行《公路橋梁承載能力檢測評定規程》(JTG/T J21-2011)，原有《公路舊橋承載能力鑒定方法（試行）》[（88）公路技字11 號]同時廢止。該規程對88 年試行的方法進行全面修訂，結合橋梁結構缺損狀況、材質強度、鋼筋銹蝕、截面損傷等引入分項檢算系數對結構極限狀態計算進行修正，能夠客觀評定橋梁結構承載能力。目前，地方公路涉及諸多橋梁結構需要提質升級，在役橋梁結構是否滿足現行規范標準，需對其進行承載能力評定。為此，本文以在役橋梁為依托工程，采用該工程實測和理論材質參數，對其在不同荷載等級、不同材質狀態條件下進行承載能力評定，對比分析差異。

1 工程概況

依托工程為某省道中一座中橋，建成于1990 年，跨徑組合為6×13m，跨徑總長為78m，橋梁全長為82.2m，交角為90°。上部結構為鋼筋混凝土無翼緣簡支空心板，每孔8 片板。板式橡膠支座。下部結構為鋼筋混凝土雙柱式橋墩，埋置式橋臺，基礎采用擴大基礎。橋面凈寬為7.5m，左、右側各設置0.5m 寬的防撞墻，路橋同寬。橋面鋪裝為瀝青混凝土，2、4 號墩頂各設置1道型鋼伸縮縫。設計荷載等級：汽車-20 級、掛車-100。

圖1 橫向布置圖（單位：cm）

2 目的和意義

圖2 中板尺寸及主筋橫斷面圖（單位：mm）

通過對在役橋梁外觀病害調查，可以了解和掌握橋梁的總體技術狀況以及現有的病害狀態，并且能夠從表觀上簡單分析病害的產生機理和發展趨勢；橋梁技術狀況評定，可以直觀的表明橋梁總體以及各部件損傷程度；橋梁材質狀況和狀態參數的檢測評定，通過無損檢測，可以得知組成橋梁的材質（混凝土、鋼筋等）在物理、化學方面的損傷；但歸根結底，以上檢測評定只能從單方面的去反映橋梁的損傷程度，并不能全面的直觀的從數據化方面給出橋梁承載能力是如何的，是否能夠承受現有的荷載等級，而不是原有的設計要求，結合以上各方面評定結果引入多項參數，對橋梁結構承載能力進行評定，該項結果會從橋梁承載能力極限狀態和正常使用極限狀態兩類極限狀態反映橋梁的安全性，也為養護部門提供準確可靠的理論依據。

3 主要內容

3.1 技術指標

依托工程中采用13m 鋼筋混凝土簡支無翼緣空心板，以橋梁中板為例，設計荷載等級為汽車-20 級、掛車-100，中板配筋以及截面尺寸如圖2、3 所示，具體各項材質計算指標見表1。

3.2 檢算系數的確定

3.2.1 承載能力檢算系數Z1：結合該橋表觀缺損狀況、材質強度以及橋梁結構自振頻率等的檢測評定結果確定。按《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）中7.7.1 條進行計算，該橋上部結構評定為4，混凝土強度測試評定為5，自振頻率評定為1，故承載能力檢算系數評定標度D=3.4，查規范得出承載能力計算系數Z1=0.96。

3.2.2 承載能力惡化系數ξe：考慮了構件缺損狀況、鋼筋保護層厚度以及混凝土強度和碳化狀況等影響因素，并綜合環境條件（本橋取干、濕交替，凍，無侵蝕性介質）加以確定，該橋承載能力惡化系數ξe=0.089。

圖3 中板主筋、箍筋鋼筋構造圖（單位：mm）

3.2.3 混凝土截面折減系數ξc：綜合考慮材料風化、碳化、物理與化學損傷三項檢測指標的評定標度，得出截面損傷的綜合評定標度R，最終確定該橋混凝土截面折減系數ξc=0.987。

3.2.4 鋼筋截面折減系數ξs：根據《公路橋梁承載能力檢測評定規程》（JTG/T J21-2011）中7.7.6 條，該橋空心板沿鋼筋出現多條裂縫，且鋼筋銹蝕引起混凝土發生層離，故鋼筋截面折減系數ξs 取0.98。

3.2.5 活載影響修正系數ξq：通過對該橋交通量計算整理，計算得出交通量影響修正系數、大噸位車輛混入影響修正系數以及軸荷分布影響修正系數，最終得出活載影響修正系數取1.00。具體交通量各項參數見表2。

3.3 工況劃分

從設計荷載等級、材質狀況以及檢算系數三方面，對該橋進行不同計算條件的劃分，具體工況見表3。

工況1、3 中系數Z1、ξe 計算時考慮混凝土強度評定標度為4，工況2、4 中混凝土強度按回彈法測試的強度推定值考慮，系數Z1、ξe 計算時考慮混凝土強度評定標度為1。工況2、4 考慮鋼筋截面折減，工況1、3 不予考慮。跨中橫向分布系數采用鉸接板梁法計算，支點附近采用杠桿法計算，沖擊系數按實測自振頻率計算取0.334，混凝土截面折減系數、活載影響修正系數均按實際計算值考慮，其余參數按表3 中考慮。

3.4 檢算結果

計算軟件采用橋梁博士V3.6.0，建立平面桿系有限元模型進行計算。按工況1～4 條件分別計算持久狀況承載能力極限狀態跨中正截面抗彎承載力、距支座中心h/2 處以及箍筋間距變化處斜截面抗剪承載力。具體結果見表4。

表1 空心板各項材質技術指標

表2 交通量統計表

表3 計算工況一覽表

4 數據分析與思考

4.1 抗彎承載能力分析

通過表4 和圖4 可知：在相同荷載等級條件下，采用直接折減混凝土強度、鋼筋截面的參數計算得出的跨中正截面彎矩抗力值遠小于只在承載能力檢算系數、惡化系數中考慮混凝土強度折減的抗力值，折減34.3%；在不同荷載等級條件下，（公路-Ⅰ級）荷載等級下的跨中截面彎矩效應值較（汽車-20 級、掛車-100）荷載等級下的彎矩效應值大18.7%。

表4 中板承載能力檢算表

圖4 中板跨中正截面抗彎承載能力對比圖

圖5 中板支點h/2 處斜截面抗剪承載能力對比圖

因此在空心板跨中正截面抗彎承載能力檢算時，若實際空心板砼強度低于設計值、且鋼筋截面有折減時，應采用實際的混凝土強度和折減后的鋼筋幾何參數進行檢算，此時結構計算最不利。

4.2 抗剪承載能力分析

通過表4 和圖5、6 可知：在相同荷載等級條件下，采用直接折減混凝土強度、鋼筋截面的參數計算得出的支點h/2 處、箍筋間距變化段處斜截面剪力抗力值小于只在承載能力檢算系數、

惡化系數中考慮混凝土強度折減的抗力值，折減5.2%；在不同荷載等級條件下，（公路-Ⅰ級）荷載等級下的支點h/2 處斜截面剪力效應值較（汽車-20 級、掛車-100）荷載等級下剪力效應值大46.7%，（公路-Ⅰ級）荷載等級下的箍筋間距變化段斜截面剪力效應值較（汽車-20 級、掛車-100）荷載等級下剪力效應值大37.1%。

因此在空心板支點h/2 處、箍筋間距變化段處斜截面抗剪承載能力檢算時，若實際空心板砼強度低于設計值、且鋼筋截面有折減時，應采用實際的混凝土強度和折減后的鋼筋幾何參數進行檢算，此時結構計算最不利。

5 結論

5.1 在鋼筋混凝土橋梁上部結構承載能力評定時，若實際板梁砼強度低于設計值、鋼筋截面有折減時，應采用實際混凝土強度和折減后的鋼筋幾何參數進行承載能力評定，此時結構計算最不利。

5.2 對13m 鋼筋混凝土空心板（采用89 通規設計）而言，由汽車-20 級、掛車-100 提升至公路-Ⅰ級，支點附近斜截面剪力效應值增加46.7%，跨中正截面彎矩效應值增大18.7%，原設計抗力值與現荷載等級下效應值相差較大，現役橋梁提載升級時應予以充分考慮。

圖6 中板箍筋間距變化段處斜截面抗剪承載能力對比圖