既有空心板橋承載能力評估探究

吳宇晟 楊斌 朱沈陽

（1.江蘇省交通工程建設局，江蘇 南京 210000；2.江蘇華通工程檢測有限公司，江蘇 南京 210000）

一、引言

空心板橋具有橋型簡單、施工方便等優點，在公路中小型橋梁中應用廣泛。但在運營過程中，橋梁結構容易出現不同程度的病害，危及板梁的承載能力。因此正確評估舊橋實際承載能力，可以提高既有橋梁維修加固的科學合理性[1]。基于現場實測數據修正模型，將進一步提高模型的準確性，提升計算結果的精準度。

二、橋梁概況

京滬高速公路某中橋上部結構為3×16m預應力混凝土空心板梁，下部結構為柱式墩，鉆孔灌注樁基礎，橋梁2#孔跨河。橋面鋪裝為10cm厚現澆混凝土調平層+9cm厚瀝青混凝土組成。橋面縱坡i1=0.457%，i2=-0.556%，斜交角度θ=45°。橋梁1#、2#墩為TCYB型冠狀圓板式橡膠支座D×H=200mm×48mm；0#、3#臺帽頂支座采用TCYBF4圓板式滑板支座D×H=200mm×48mm。

進行環境振動試驗之前，對該橋進行外觀檢查。該橋分左右兩幅，左幅上部結構整體情況良好，技術狀況評定為1類；下部結構整體情況良好，技術狀況評定為1類；橋面系有1處伸縮縫裝置混凝土破損，面積約為0.02m2，技術狀況評定為2類。右幅上部結構板梁存在斜向裂縫共1條，總長約為0.5m，縫寬為0.1mm，板梁鋼筋銹脹共1處，長約0.1m，技術狀況評定為2類；下部結構蓋梁鋼筋銹脹共2處，總長約0.6m，技術狀況評定為1類；橋面系整體情況良好，未見明顯病害，技術狀況評定為1類。

根據現場檢查結果，本橋技術狀況較為良好，全橋技術狀況等級評定為1類。本橋已采用了碳纖維修補、砂漿涂抹的修補加固方式，外觀質量良好，加固效果良好，總體維修加固質量評價為良好。

三、模型建立及修正

環境振動試驗選擇該中橋左幅（3×16m）作為測試跨，各跨測點布置按照八等分布置，試驗按照測站組號依次進行，分別測量主梁豎向、橫向、縱向的加速度時程，測量完畢后將設備移至下一測站，重復上述步驟，直至測量工作結束。

通過MACEC結構模態分析軟件對獲得的橋跨結構基本動力參數，如自振頻率、阻尼比及固有振型進行譜分析，根據自相關譜、互相關譜、各點相位及相干系數確定各階頻率，根據模態分析法識別阻尼比參數，計算各階模態阻尼，通過對測試數據的傳遞函數分析來確定各測點的相對幅值大小和相位，從而得出橋梁結構的各階振型。

采用有限元結構分析通用軟件ANSYS建立有限元模型，建立實體模型。模型采用笛卡爾三軸坐標。空心板、混凝土現澆層等采用solid45單元模擬，瀝青鋪裝層及護欄采用mass21質量單元模擬，實橋兩側豎向、橫向和縱向約束狀況采用combin14模擬，預應力鋼筋采用link8單元模擬，共有節點13816個、單元11900個。

利用三階響應面模型對初始有限元模型進行參數修正，得到反映當前工作狀態相對準確的模型。通過環境振動試驗和實驗模態分析，得到中橋豎向3階、橫向2階、縱向1階及扭轉4階的頻率和振型。實測和計算頻率吻合較好，除高階扭轉外，誤差均在5%以內，且實測和計算的振型吻合良好，MAC值都在85%以上。

四、承載能力驗算

（一）承載能力極限狀態

把通過動力修正后的實體模型效應與采用橫向分布系數法的傳統桿系模型效應值進行比對，并對各結構抗力進行驗算[2]。驗算時采用《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）規定的公路-I級荷載等級，根據現行設計規范、承載能力檢測評定規程進行既有橋梁的承載能力評估驗算。

計算分析時考慮既有橋梁健康狀況及新拓寬結構對既有橋梁承載能力的影響。折減系數計算各項參數取值如下：結構缺損取2，混凝土強度取1，鋼筋銹蝕電位取1，氯離子含量取1，電阻率取1，保護層厚度取2，碳化深度取1，材料風化取1，物理化學損傷自振頻率取1，簡算系數評定標度D取1.4，考慮到梁體維修情況，Z1取1.03，惡化狀況定標度E取1.44，惡化系數取0.029，Z1×(1-ξe)取1。分別使用基于動力修正的實體模型和桿系模型計算分析橋梁作用效應與結構抗力，結果如表1、表2所示。

表1 現行公路-I級荷載組合作用下16m空心板梁抗彎承載能力驗算

表2 現行公路-I級荷載組合作用下16m空心板梁抗剪承載能力驗算

由表1、表2可知，基于動力修正的實體模型16m空心板梁驗算截面的抗彎承載能力、抗剪承載能力均滿足新規范要求。基于動力修正的實體模型效應值較采用橫向分布系數進行驗算的桿系模型效應值小約6%～9.5%左右，這是由于其更精確地模擬了邊界約束條件，而橫向分布系數法則偏于安全的近似解。

（二）正常使用極限狀態

針對空心板橋在正常使用極限狀態下的變形進行驗算。由于該橋的橫向連接不確定，故采用修正后的ANSYS模型計算出撓度影響面，根據影響面加載，對跨中撓度進行驗算。

驗算采用《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60-2015）的公路-I級車道荷載。在橋面各節點依次分別施加集中荷載，按順序逐次提取關注位置的撓度值，并根據計算結果做出各關注位置撓度影響面圖，參照撓度影響面圖的正負分布情況，為活載布載提供參考，如圖1、圖2所示。

圖1 中梁跨中撓度影響

圖2 邊梁跨中撓度影響面

根據《鋼筋混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010）和《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362-2018），計算預應力混凝土受彎構件最大撓度應采用標準組合，撓度值扣除自重及預應力影響，且汽車荷載不計入沖擊系數，即采用1.0倍汽車荷載加載。在ANSYS中按影響面加載完成后，得出中梁跨中最大撓度為3.51mm，邊梁跨中最大撓度為4.79mm，最大撓度驗算均小于新規范允許值26.6mm，滿足規范要求。

五、結語

利用環境振動試驗結果修正橋梁實體模型，進行橋梁承載能力檢算，并與桿系模型計算結果做對比，驗證了方法的可靠性；基于動力修正的實體模型效應值相較于采用橫向分布系數進行驗算的桿系模型效應值小約6%～9.5%左右，這是由于其更精確地模擬了邊界約束條件，而橫向分布系數法則偏于安全的近似解。