多跨梁板組合體系橋梁損傷檢測及性能評定

周栓科 劉少乾

1. 四川高速公路建設開發(fā)集團公司 四川 成都 610072

2. 四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司 四川 成都 610041

1 引言

橋梁運營一段時間后，受荷載作用、環(huán)境腐蝕[1]、材料老化等因素影響，逐漸產(chǎn)生裂縫等病害，結(jié)構(gòu)性能逐步退化，橋梁養(yǎng)護工作就顯得尤為重要。因此依托橋梁損傷檢測[2,3]，查明病害現(xiàn)狀及發(fā)生原因[4]，掌握結(jié)構(gòu)病害嚴重程度及發(fā)展趨勢，為橋梁養(yǎng)護管理提供對策制定依據(jù)，對保障橋梁結(jié)構(gòu)安全及路網(wǎng)暢通，科學高效合理利用養(yǎng)護資金以實現(xiàn)橋梁養(yǎng)護綠色低碳化具有極為重要的現(xiàn)實意義[5]。

本文依托京昆高速某多跨梁板組合體系橋梁，以損傷檢算為基礎，對橋梁各構(gòu)件、各部件及上部結(jié)構(gòu)、下部結(jié)構(gòu)、橋面系進行技術(shù)狀況評定、采用引入分項檢算系數(shù)進行橋梁承載能力評估及損傷原因分析、擬定養(yǎng)護策略建議。本文研究成果可為同類型養(yǎng)護工程提供參考。

2 橋梁概況

某多跨梁板組合體系橋梁位于京昆高速公路上，結(jié)構(gòu)類型及孔跨布置為4×30m簡支空心板+（30+55+30）m現(xiàn)澆連續(xù)梁+18×30m簡支空心板。橋梁總長782m，橋面總寬26.5m，單幅橋面凈寬12.25m，行車道寬2×3.75m，中央分隔帶設寬2.0m人行通道，橋面縱坡為0.16%。大橋設計荷載為汽車-超20級，掛車-120，地震烈度為VI度。

3 損傷檢測結(jié)果

3.1 橋面鋪裝

全橋合計32處橋面連續(xù)，其中橫向開裂共計22處，占比為68.8%；橋跨存在縱向開裂現(xiàn)象橋跨共計6跨（6條縱向裂縫），占全橋總跨數(shù)12%。橫向裂縫方向由客貨車道向兩側(cè)車道發(fā)展，長度范圍集中在客貨車道和超車道，橫向裂縫基本未貫通；縱向裂縫方向主要由跨內(nèi)向兩側(cè)發(fā)展，長度多大于1/2跨，部分縱向裂縫貫通。

3.2 上部結(jié)構(gòu)

上部結(jié)構(gòu)病害主要為簡支空心板底板縱向裂縫，支座附近截面豎向及斜向裂縫，病害特征信息統(tǒng)計如表1所示。

表1 引橋上部結(jié)構(gòu)空心板裂縫特征統(tǒng)計表

3.3 下部結(jié)構(gòu)

下部結(jié)構(gòu)典型病害主要表現(xiàn)為：主橋主墩蓋梁變截面處環(huán)向貫通裂縫，裂縫長度L=210.0cm，裂縫寬度bmax=1.16mm；引橋橋墩蓋梁擋塊與主梁擠壓造成的擋塊破損。

3.4 其他檢測結(jié)果

（1）自振特性

采用動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀和941B型拾振器對引橋第16跨和第19跨簡支空心板梁橋進行自振特性測試，測試結(jié)果顯示豎向基頻均為3.81Hz，與同跨徑其他類型簡支梁橋相比豎向剛度明顯偏低。

（2）支座

引橋合計1408個橡膠支座，其中存在支座脫空現(xiàn)象支座僅為9個，占比僅為0.6%，不具有普遍性。

4 技術(shù)狀況評定

采用分層綜合評定與5類橋梁單項控制指標相結(jié)合的方法，依據(jù)《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》（JTG /T H21-2011）[3]，對主橋和引橋進行技術(shù)狀況評定，評定結(jié)果如表2和表3所示。主引橋整體技術(shù)狀況評定均為2類（有輕微缺損，對橋梁使用功能無影響）。考慮到部分構(gòu)件技術(shù)狀況等級為3類，仍需對構(gòu)件病害成因進行分析，以制定針對性養(yǎng)護措施。

表2 主橋技術(shù)狀況評定結(jié)果

表3 引橋技術(shù)狀況評定結(jié)果

5 構(gòu)件病害成因分析

5.1 橋面鋪裝橫向開裂

（1）橋面連續(xù)處鋪裝橫向開裂

導致橋面連續(xù)處鋪裝橫向開裂直接原因在于混凝土鋪裝層產(chǎn)生橫向裂縫后向上映射到瀝青鋪裝層并發(fā)展而出現(xiàn)。

綜合分析判定造成橋面連續(xù)處鋪裝層開裂的主要原因在于30m簡支空心板整體剛度偏弱，梁端轉(zhuǎn)動引起的橋面連續(xù)處混凝土鋪裝層承受過大負彎矩作用，進而引起混凝土鋪裝層橫向開裂并映射至瀝青鋪裝層。

（2）橋面鋪裝縱向開裂

橋跨存在縱向開裂現(xiàn)象橋跨數(shù)共計6跨（其中左幅1跨，右幅5跨），占比為12%，不具有普遍性，主要原因可能在于施工工藝偏差導致同跨內(nèi)梁板間鉸縫剛度不一致，在車輛荷載作用下各梁板間豎向位移不同導致梁間鉸縫承受較大的剪切作用，當剪切效應大于設計剪切強度時導致鉸縫混凝土和混凝土鋪裝層開裂，進而發(fā)展映射至瀝青鋪裝層，出現(xiàn)瀝青鋪裝層的縱向裂縫。

檢測過程中發(fā)現(xiàn)橋面鋪裝縱向開裂位置對應梁底鉸縫處基本都存在滲水痕跡現(xiàn)象，說明該位置鉸縫存在開裂或破損等病害，雨水由鉸縫滲入空心板底板。

5.2 空心板裂縫

1）底板縱向裂縫成因

空心板底板混凝土不密實，保護層厚度偏薄，在混凝土收縮作用及預應力引起的橫向正應力聯(lián)合作用下容易產(chǎn)生底板跨中處沿預應力管道的縱向裂縫。

2）腹板豎向裂縫和斜向裂縫

出現(xiàn)腹板豎向裂縫和斜向裂縫的梁板數(shù)僅占梁板總數(shù)的3.4%，不具有普遍性。該類裂縫主要是由于特定梁板抗彎和抗剪承載能力不足引起的；其中腹板豎向裂縫主要是正彎矩引起的截面縱向正應力，腹板斜向裂縫主要是彎剪組合引起的主拉應力引起的。

5.3 主墩蓋梁環(huán)向裂縫

結(jié)合施工圖設計文件中蓋梁鋼筋及預應力筋構(gòu)造圖，發(fā)現(xiàn)蓋梁倒角截面下緣第二層主拉鋼筋在該截面處中斷，導致錨固長度不足，不滿足《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG3362-2018）9.1.4條規(guī)定“當充分利用鋼筋受拉強度時，直線段受拉鋼筋末端最小錨固長度應大于35倍鋼筋公稱直徑”，未能充分發(fā)揮鋼筋抗拉作用。建立蓋梁有限元模型進行蓋梁局部檢算，檢算結(jié)果發(fā)現(xiàn)在不考慮錨固長度不夠的主拉鋼筋時，倒角截面抗彎承載能力和正常使用最大裂縫寬度均不滿足規(guī)范要求。

故主墩蓋梁環(huán)向裂縫主要原因在于部分主拉鋼筋構(gòu)造措施不當引起的。

6 主橋承載能力檢算

為掌握在現(xiàn)有技術(shù)狀況下橋梁的承載能力狀況，采用引入分項檢算系數(shù)修正極限狀態(tài)設計表達式的方法對現(xiàn)澆連續(xù)箱梁進行承載能力檢算，檢算荷載等級維持原設計荷載等級，檢算項目及依據(jù)分別按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》JTG/T J21—2011和《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》JTG 3362—2018執(zhí)行。

6.1 分項檢算系數(shù)

依據(jù)檢測結(jié)果，分別計算承載能力檢算系數(shù)、承載能力惡化系數(shù)、截面折減系數(shù)、鋼筋截面折減系數(shù)，各分項系數(shù)取值如表4所示。

表4 分項檢算系數(shù)取值

6.2 承載能力檢算結(jié)果

1）承載能力極限狀態(tài)

基本組合作用下，現(xiàn)澆箱梁正截面抗彎和斜截面抗剪均滿足規(guī)范要求，但富余度相對較低，其中中跨跨中正截面抗彎富余度為2.50%，距邊支座中心h/2截面抗剪富余度為17%。

其中富余度含義為：（結(jié)構(gòu)抗力-荷載效應）/結(jié)構(gòu)抗力×100%。

2）正常使用極限狀態(tài)

頻遇組合及準永久組合作用下，主梁邊跨跨中處截面主拉應力超限，其余關(guān)鍵截面均滿足規(guī)范要求；標準組合作用下結(jié)構(gòu)主壓應力及撓度檢算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

7 養(yǎng)護建議

1）該橋總體技術(shù)狀況等級為2類，結(jié)構(gòu)有輕微缺損，對橋梁使用功能無影響，無需進行相應交通管制。

2）部分構(gòu)件技術(shù)狀況等級達到3類，建議在適當養(yǎng)護周期內(nèi)重點針對橋面鋪裝橫向開裂、主墩蓋梁環(huán)向裂縫等重點病害進行處治，依據(jù)病害成因制定針對性合理處治措施。

3）在日常巡查、經(jīng)常檢查及定期檢查中應重點關(guān)注現(xiàn)澆箱梁中跨跨中、邊跨跨中等富余度低或主拉應力超限關(guān)鍵截面裂縫發(fā)生和發(fā)展情況的檢測。

8 結(jié)語

依托某多跨梁板組合體系橋梁，本文主要對橋梁結(jié)構(gòu)損傷檢測、技術(shù)狀況評定、承載能力評估及病害成因分析進行了逐步遞進式闡述，提出了較為合理的養(yǎng)護建議，可為同類型工程的檢測或管養(yǎng)單位橋梁養(yǎng)護提供一定經(jīng)驗。