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(guī)劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽110166）

近年來我國交通事業(yè)逐步由建設期轉變?yōu)轲B(yǎng)護期，現(xiàn)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(diào)查外，還應對橋梁材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)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(yǎng)護單位“對癥下藥”提供重要依據(jù)。

我國在2011 年11 月1 日施行《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)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(guī)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(zhì)強度、鋼筋銹蝕、截面損傷等引入分項檢算系數(shù)對結構極限狀態(tài)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(zhì)升級，在役橋梁結構是否滿足現(xiàn)行規(guī)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(zhì)參數(shù)，對其在不同荷載等級、不同材質(zhì)狀態(tài)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(diào)查，可以了解和掌握橋梁的總體技術狀況以及現(xiàn)有的病害狀態(tài)，并且能夠從表觀上簡單分析病害的產(chǎn)生機理和發(fā)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(zhì)狀況和狀態(tài)參數(shù)的檢測評定，通過無損檢測，可以得知組成橋梁的材質(zhì)（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(shù)據(jù)化方面給出橋梁承載能力是如何的，是否能夠承受現(xiàn)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(shù)，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(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩類極限狀態(tài)反映橋梁的安全性，也為養(yǎng)護部門提供準確可靠的理論依據(jù)。

3 主要內(nèi)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(zhì)計算指標見表1。

3.2 檢算系數(shù)的確定

3.2.1 承載能力檢算系數(shù)Z1：結合該橋表觀缺損狀況、材質(zhì)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(guī)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(shù)評定標度D=3.4，查規(guī)范得出承載能力計算系數(shù)Z1=0.96。

3.2.2 承載能力惡化系數(shù)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(huán)境條件（本橋取干、濕交替，凍，無侵蝕性介質(zhì)）加以確定，該橋承載能力惡化系數(shù)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(shù)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(shù)ξc=0.987。

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

3.2.5 活載影響修正系數(shù)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(shù)、大噸位車輛混入影響修正系數(shù)以及軸荷分布影響修正系數(shù)，最終得出活載影響修正系數(shù)取1.00。具體交通量各項參數(shù)見表2。

3.3 工況劃分

從設計荷載等級、材質(zhì)狀況以及檢算系數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)采用鉸接板梁法計算，支點附近采用杠桿法計算，沖擊系數(shù)按實測自振頻率計算取0.334，混凝土截面折減系數(shù)、活載影響修正系數(shù)均按實際計算值考慮，其余參數(shù)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(tài)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(zhì)技術指標

表2 交通量統(tǒng)計表

表3 計算工況一覽表

4 數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)、惡化系數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)、

惡化系數(shù)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(shù)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(shù)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(guī)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(xiàn)荷載等級下效應值相差較大，現(xiàn)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