運營期橋梁承載能力評定方法研究

文┃姚方舟（邵陽市交通建設質量安全監督站）

劉國梁（長沙市西工建設有限公司）

龍軍（邵陽市交通建設質量安全監督站）

關鍵字：簡支變連續梁橋；技術狀況檢查；結構檢算；實際承載能力

0 引言

隨著經濟建設發展，公路上的車流量逐漸增多，公路橋梁的荷載也隨之增加，加上橋梁在建造以及成橋運營期間會受到許多不利因素影響，導致橋梁的承受能力與交通需求產生一定的矛盾[1]。對服役橋梁，尤其是運營時間長的橋，結構受力狀態不明，存在安全風險，開展承載能力評定工作就顯得十分必要[4]。通過采用兩種試驗檢測方法評定橋梁結構實際承載能力；一種是以橋梁技術狀況檢查為基礎，配合結構檢算來評定橋梁承載力；另一種是借助荷載試驗得到變形和應力校驗系數，進而評估試驗橋梁的實際承載力[2]。上述方法通過多個指標將橋梁承載能力和其工作狀態聯系到一起，不同狀態選取適宜的值，最終結果也更加客觀[5]。

本文以某座在運營的預應力混凝土簡支變連續梁橋為工程背景，采用橋梁結構技術狀況評定的方法來判斷橋梁承載能力是否滿足要求，以期對橋梁安全控制方法提供參考。

1 工程概況

該橋為跨徑3×30m的先簡支后結構連續的預制裝配式T梁，橋面寬度為12.25m，設計荷載為公路-Ⅰ級，其中跨中腹板厚度為20cm，梁端部厚度為54cm，馬蹄寬度為54cm，梁肋間距2.50m，行車道板主梁預制寬0.70m，橋面橫坡通過調節臺帽蓋梁橫坡及翼緣板橫坡而成，T梁梁底馬蹄水平放置。

2 橋梁技術狀況檢測

該橋建成運營至今有12年，在結構檢算之前對該橋進行技術狀況檢測，主要出現如下病害：

（1）上部結構

部分T梁出現縱向裂縫，主要集中在馬蹄底部及馬蹄和腹板交接部位，此外T梁頂板底面靠近橋墩位置處存在剝落、掉角現象；濕接縫和橫隔板的剝落、掉角現象較為普遍，局部位置出現泛堿現象，此外橫隔板底部多處出現蜂窩麻面現象；另外多個支座出現縱向剪切變形超限，老化變質的現象。

（2）下部結構

蓋梁邊緣出現滲水情況，靠近墩柱位置處出現混凝土破損剝落、鋼筋銹蝕；臺身出現多道豎向裂縫，個別裂縫寬度大于規范限值；另外墩身出現多處鋼筋銹蝕導致混凝土剝落的現象。

（3）橋面系

鋪裝層出現局部坑洼、破損以及變形擁包的現象；伸縮縫錨固區出現混凝土破損以及橡膠帶老化破損現象；另外護欄局部位置出現混凝土破損、露筋現象，并出現多道豎向裂縫。

根據檢測結果按照文獻[3]相關規定計算分項檢算系數，具體如下表：

表1 預應力砼結構連續T梁承載能力檢算系數（Z1）

表2 預應力砼結構連續T梁承載能力惡化系數（ξe）

表3 預應力砼結構連續T梁截面折減系數（ξc）

由上述病害可知，部分T梁在位于馬蹄底部沿鋼筋出現縱向裂縫，并且裂縫寬度超出規范允許值，根據文獻[3]，可以確定鋼筋截面折減系數ξs=0.98。最后通過分析運營期間的車流量、汽車軸重分布等情況，得到活載影響修正系數ξq=1.01。

3 有限元分析

本文借助Midas/civil 2019橋梁結構軟件建立該橋的有限元模型，其中節點436個，單元654個，橋梁鋪裝等二期荷載按照均布荷載施加在主梁單元上，各片主梁之間通過虛擬橫梁進行聯系，虛擬橫梁采用矩形截面，其厚度按照翼緣板厚0.16m進行取值，在保證計算精度的前提下均勻劃分主梁單元，寬度則按2m進行取值，對該橋進行原設計復算，有限元模型見下圖。

圖1 Midas/Civil模型

由表1可知本橋承載能力檢算系數評定標度值D為3.2，由文獻[3]可知，當該橋構件的承載能力檢算系數評定標度值D≥3時，需要對主梁進行承載能力和正常使用極限狀態評定檢算。其中承載能力極限狀態驗算主要包括抗彎能力和抗剪能力驗算，依據文獻[6]進行荷載作用組合，最終效應值與抗力值的包絡見圖2、3，該橋主要控制截面驗算結果見表4：

圖2 正截面彎矩效應與抗力包絡圖

圖3 斜截面剪力效應與抗力包絡圖

表4 控制截面的荷載效應與截面抗力計算表

對于預應力混凝土結構橋梁，正常使用極限狀態驗算主要對混凝土的正截面拉壓應力、斜截面主拉壓應力進行驗算，由于本文篇幅有限，僅列舉混凝土斜截面主拉、壓應力驗算結果，見下表：

表5 最不利荷載效應組合斜截面主拉、壓應力驗算結果表

4 基于檢測結果的承載能力評定

上節通過對原設計復算，不難發現該座預應力混凝土結構連續T梁橋的承載能力和正常使用極限狀態驗算均能通過。本節基于橋梁檢測結果對結構抗力和荷載效應做一定修正，以判斷該T梁橋的實際承載能力能否滿足運營荷載需要，由文獻[3]可知，可以按照下式進行評判：

將第二節確定的分項檢算系數代入上式，對該橋抗彎和抗剪承載能力進行修正，修正后的主要控制截面驗算結果見表6。

表6 控制截面的荷載效應與截面抗力修正計算表

正常使用極限狀態下，最不利荷載效應組合產生的截面應力值和應力限制值應按下式對其進行修正：

最不利荷載效應組合下斜截面主拉、壓應力驗算結果見表7。

表7 最不利荷載效應組合斜截面主拉、壓應力驗算結果修正表

以上計算表格可知，通過檢算邊梁、中梁多個關鍵截面，該T梁橋的荷載效應與截面抗力的比值均小于1.0，表明承載能力極限狀態檢算滿足要求；此外該橋最不利荷載效應組合下，正截面拉壓應力、斜截面主拉壓應力均滿足規范限值，表明正常使用極限狀態檢算滿足要求；因此該橋當前承載能力滿足運營安全要求。

5 結語

（1）根據橋梁技術狀態檢查結果，引入分項檢算系數，對原設計荷載效應和抗力、截面應力與限制應力等參數進行修正，可判別當前結構承載能力能否滿足運營荷載要求。

（2）橋梁材質強度、缺損狀況以及自振頻率的綜合評定標度決定是否需要正常使用極限狀態檢算，當承載能力檢算系數評定標度值D＜3時，僅對主梁進行承載能力極限狀態評定檢算即可。

（3）盡管結果分析表明該橋實際承載能力滿足設計荷載要求，為使該橋長期處于良好的工作狀態，須對當前出現的病害做針對性的處置措施。□