基于靜載試驗的既有板橋承載能力評定

杜 婷，劉莉萍，楊 陽

（1.隴東學院土木工程學院，甘肅 慶陽 745000；2.甘肅省高校黃土工程性質及工程應用省級重點實驗室，甘肅 慶陽 745000）

部分早期建造的中小橋梁隨著使用年限不斷增加，出現了不同程度的病害，已不能滿足當前重載交通的要求[1-5]。這類橋梁繼續運營會存在比較大的安全隱患，因此對既有橋梁的承載能力進行檢測評估[6-9]，是使橋梁安全運營、使用壽命延長的有效方法。目前主要通過研究板橋的開裂機理及影響[10-14]、運用健康監測系統評判橋梁安全性[15]和有限元分析[16-17]等方法對空心板橋的承載力進行檢測評價。

本文檢測對象為我國G309 國道K1264+300 處的混凝土板橋馬蓮河橋，于1975 年10 月建成。通過觀察發現目前該板橋的橋墩和梁體均出現不同程度的開裂，部分支座處有銹蝕和傾斜現象，為了驗證該橋梁是否影響車輛的正常運行，通過對其采用現場外觀質量調查、混凝土表面抗壓強度測試、梁體混凝土碳化深度測試以及現場靜載試驗的方法，并經過理論計算、數據分析和整理，參照該橋竣工文件，提出檢定意見。

1 板橋簡介

馬蓮河板橋橋跨結構采用7 跨的鋼筋混凝土T 型簡支梁，跨徑為22.2 m。T 梁采用C25 混凝土，凈高和腹板寬度分別為135 cm 和160 cm，翼板高8~14 cm。該橋為兩車道雙向行車，全長170.5 m，橋面凈寬7.0 m，兩側設有寬度為0.75 m 的人行道，橋上凈高4.5 m，橋下凈高22.7 m。橋梁的重力式橋墩、U 型橋臺、球形支座和擴大基礎均采用C20 混凝土，設計荷載為汽-13 級，拖-60 級。進行檢測時，為了能夠記錄清楚橋梁主要承重構件的變化情況，對其進行編號，見表1。

表1 橋梁構件編號表

2 檢測方法

2.1 橋梁外觀質量檢查

通過目測檢查橋面鋪裝層有無裂縫、剝落、坑槽，護欄和泄水孔是否完好，結構鋼筋是否外露等，同時輔以數碼相機、高倍望遠鏡等工具進行配合，檢測結果如圖1 所示。

圖1 橋梁外觀檢查結果

通過觀測發現混凝土梁體外觀質量良好，但由于雨水和污水的侵蝕，出現腐蝕現象，并有部分混凝土剝落、鋼筋外露、銹蝕等現象。1#墩和2#墩墩身均出現大量裂縫，其中1#墩裂縫較多，裂縫寬度均在0.4~0.8 mm 之間，墩身兩側圓弧端裂縫為環向裂縫與豎向裂縫交錯延伸，豎向裂縫最長達1 m，最寬達0.5 mm，如圖1（a）和（b）所示。0#橋臺有斜向裂縫兩道約60°方向，縫寬0.5~1 mm，延伸1 m 左右，如圖1（c）所示。

該橋橋面鋪裝混凝土磨損嚴重，砂石外露，路緣石和人行道裂損嚴重，欄桿和扶手外觀質量良好，球形支座銹蝕嚴重，個別支座發生偏移。全橋泄水孔完好，未堵塞。

2.2 構件混凝土強度檢測

2.2.1 檢測原理

采用HT225A 型回彈儀檢測橋梁構件的混凝土強度。回彈儀通過彈簧驅動重錘彈擊混凝土表面，通過測量反彈回來的重錘距離來推算混凝土強度。

2.2.2 檢測步驟

1）測區和回彈測點布置。試驗時選取清潔、干燥和平整的區域（無蜂窩、麻面、浮漿、油垢和殘渣等）均勻布置測區，并在每個測區均勻布置16 個測點進行回彈測試。

2）測區平均回彈值計算。首先將測得的16 個數值按其大小進行排序，然后找出其中3 個最大值和3 個最小值，將其剔除，最后把剩余的10 個回彈值取其平均值作為測區回彈平均值。

3）梁體混凝土碳化深度檢測。在不影響結構承載能力和運行的情況下，在有代表性的混凝土梁上鉆孔（避開鋼筋），使用1%濃度的酚酞酒精溶液和深度測量工具進行檢測，通過混凝土的顏色變化來區分出混凝土碳化和未碳化的交界面，交界面到混凝土表面的垂直距離即為混凝土梁的碳化深度。檢查完畢后用同等級或高一等級的水泥砂漿將鉆孔封閉。

4）混凝土強度的推定。由于板橋梁體和橋墩測區數均少于10，根據JGJ/T 23—2011《回彈法檢測混凝土抗壓強度技術規程》[18]，利用測試出的回彈值和混凝土碳化深度，計算其混凝土強度推定值（f(cu，e)）如公式（1）所示

表3 2#墩混凝土抗壓強度結果MPa

表4 混凝土T 梁抗壓強度結果MPa

根據表2—表4 可知：

1）①1#墩、2#墩、混凝土T 梁測試狀態均為側面、光潔、風干，測試角度均為水平；②平均碳化深度均為3.5 mm。

2）①根據各測區回彈值和碳化深度得出1#墩1—8測區的強度換算值分別為23.9、25.5、27.1、31.3、29.2、31.0、24.2 和34.2 MPa；②計算1#墩測區的抗壓強度平均值為28.3 MPa，強度推定值為23.9 MPa；③實測強度值23.9 MPa 大于設計強度值20 MPa，滿足要求。

3）①根據各測區回彈值和碳化深度得出2#墩1—3測區的強度換算值分別為39.9、30.1、39.6 MPa；②計算2#墩測區的抗壓強度平均值為36.5 MPa，強度推定值為30.1 MPa；③實測強度值30.1 MPa 大于設計強度值20 MPa，滿足要求。

4）①混凝土T 梁只有1 測區得到強度換算值為58.8 MPa，其他測區無混凝土強度換算值；②計算混凝土T 梁的強度推定值為58.8 MPa；③實測強度值58.8 MPa 大于設計強度值25 MPa，滿足要求。

2.3 靜載試驗

2.3.1 試驗荷載確定

由于該橋擬提高荷載等級為公路II 級，根據JTG B 01—2014《公路工程技術標準》[19]規定，公路II 級標準車輛荷載為2 輛重量為550 kN 的汽車荷載，考慮到該橋建成于1975 年，使用年代久遠，且橋梁結構存在明顯損壞，加之該橋的原設計荷載等級為汽-13 級，拖-60 級，荷載等級較低，為防止荷載試驗過程中對橋梁造成不可恢復性破壞，甚至導致結構失效，因此試驗荷載未敢貿然采用公路II 級標準車輛荷載進行加載，而是采用《公路橋梁荷載試驗與結構評定》中的汽-20 級進行試驗，加載工具采用載重車輛。根據大跨徑混凝土橋梁的試驗方法中的規定，對該橋采用輕荷載試驗，靜載荷載的效率η 取0.5~0.8。根據該橋控制截面的設計荷載內力（位移）進行等效加載，加載時采用1 輛重量為297 kN 的北方奔馳載重汽車，車前軸重為57 kN，后軸重為2×120 kN，車型為3 軸，前軸間距4.45 m，后軸間距1.45 m，前輪輪距1.995 m，后輪輪距1.800 m，車長9.365 m，寬2.495 m。

2.3.2 靜載試驗荷載加載方式

試驗荷載的加載方式依據G309 線K1264+300 板橋馬蓮河橋的撓度影響線來確定。根據測試內容，靜載試驗采取3 種工況，縱橋向都按跨中截面撓度最不利位置進行布載，而橫橋向的布載情況如下。

工況1：橫橋向為偏載（車輛荷載作用于上游側）；

工況2：橫橋向為偏載（車輛荷載作用于下游側）；

工況3：橫橋向為中載。

G309 線K264+30 板橋馬蓮河橋縱向加載車輛布置如圖2 所示，橫橋向加載方式如圖3 所示。

圖2 實驗荷載縱向布置圖

圖3 試驗荷載橫向布置圖

2.3.3 靜載試驗結果

通過實測位移校驗用系數ηω來評價結構強度和承載力，計算如公式（2）所示

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在各種工況作用下，第二跨跨中截面處豎向撓度的實測值與理論計算值及校驗系數見表5。

表5 第二跨跨中截面處各測點撓度 mm

表5 說明混凝土梁體在3 種工況下，各測點撓度實測值最大為4.72 mm，最小為2.0 mm，撓度校驗系數平均值分別為1.30、1.44、1.74，最大值為3.24，最小值為0.88，大于正常范圍0.5~0.9 的上限，說明該橋各部分連結性較差，剛度低，橋梁結構的工作性能較差。

3 結論

通過實驗研究得到該混凝土板橋的性能如下：

1）橋面混凝土磨損嚴重，砂石外露，人行道破損嚴重，應進行修補。欄桿扶手外觀質量良好。

2）T 梁、橋墩混凝土強度均符合竣工文件的要求。

3）1#墩裂縫較多，裂縫寬度均在0.4~0.8 mm 之間，縫寬最大達到0.8 mm，遠大于規范規定的裂縫寬度限制0.2 mm。

4）混凝土梁體在各工況荷載作用下，該橋撓度校驗系數均值大于0.90，說明該橋的剛度不滿足要求。

通過檢測發現該橋在長期反復荷載作用下已產生結構損傷和材料老化；另外由于地震影響，梁體發生移位，墩身出現環形裂縫，這些均對橋梁產生了不利影響。因此，要提高荷載等級，必須對該橋進行加固處理，調整偏移支座歸位，更換維修銹蝕支座，同時對橋面和人行道進行修補加固，對梁體和墩身的裂縫進行修補，并對1#、2#橋墩進行加固，以滿足交通通行要求。