基于特殊檢測與荷載試驗的橋梁承載能力綜合評定

王子強 （遼寧省交通規劃設計院有限責任公司，遼寧 沈陽 110000）

1 引言

1.1 工程概況

本文以某座市政先張法預應力混凝土簡支空心板梁橋為工程實例，介紹基于特殊檢測與荷載試驗的橋梁承載能力綜合評定過程[1]，以此達到更直接更準確評價橋梁承載能力的目的。該橋于2016 年通車，跨徑布置為17×20m，跨徑總長為340.0m，橋梁全長為344.8m，交角為90°。該橋橋面全寬30.0m，橋面布置形式為3.5m（人行道）+23.0m（機動車道）+3.5m（人行道）。上部結構為預應力混凝土簡支無翼緣空心板，每孔20片板。下部結構為鋼筋混凝土6柱式橋墩、肋板臺，基礎均為鉆孔灌注樁基礎。設計荷載等級為城市-A 級（CJJ 11-2011）。

1.2 橋梁承載能力檢測評定理論依據

依據規范可按式（1）對配筋混凝土橋梁進行承載能力極限狀態驗算。

式中：γ0-結構重要性系數，該橋屬于城市主干路，γ0取1.1；S-荷載效應函數；R(·)-抗力效應函數；fd-材料強度設計值，該橋空心板混凝土強度設計值為C40，通過檢測結果與設計值比較，若兩者接近就取設計值，若偏差較大則取實測值；adc-構件混凝土幾何參數值，現場測量驗證設計值；ads-構件鋼筋幾何參數值，現場檢測驗證設計值；Z2-承載能力檢算系數，通過荷載試驗結果確定取值；ξe-承載能力惡化系數，現場檢測確定取值；ξc-配筋混凝土結構的截面折減系數，現場檢測確定取值；ξs-鋼筋的截面折減系數，現場檢測確定取值[2]。

2 橋梁特殊檢測

2.1 橋梁基本信息調查

通過查閱圖紙資料、交通量信息等，明確橋梁設計荷載等級、空心板混凝土強度設計值、幾何尺寸、配筋、活載修正系數等，為橋梁承載能力評定提供依據。

2.2 橋梁缺損狀況檢測

上部結構：共有25 塊空心板混凝土破損剝落、掉角；2 塊空心板板底混凝土麻面；1 塊板底保護層薄，面積為15m2；2 塊板左腹板及板底對應泄水孔處受水侵蝕；2道鉸縫滲水泛堿。

圖1 空心板底混凝土剝落掉角

通過對該橋的外觀檢查，依據《城市橋梁養護技術標準》（CJJ 99-2017）對該橋上部結構空心板進行完好狀態、結構狀況評估，該橋完好狀態評估等級為B級、上部結構狀況評估等級為B級。

2.3 橋梁材質狀況、狀態參數檢測

依據《城市橋梁檢測與評定技術規范》（CJJ/T 233-2015）對該橋上部結構空心板混凝土強度、混凝土碳化深度、混凝土電阻率、混凝土氯離子含量、鋼筋保護層厚度、鋼筋銹蝕電位等材質狀況、狀態參數進行檢測。通過檢測的結果計算出承載能力惡化系數ξe、配筋混凝土結構的截面折減系數ξc、鋼筋的截面折減系數ξs[3-4]。

該橋空心板混凝土強度、混凝土碳化狀況、混凝土電阻率、氯離子含量、鋼筋銹蝕電位評定標度均為1，鋼筋保護層厚度評定標度為3，承載能力惡化系數ξe為0.0612。

該橋空心板混凝土物理與化學損傷、碳化、風化評定標度均為1，得出截面折減系數ξc為1.0。

由于該橋空心板未出現沿鋼筋裂縫，確定鋼筋截面折減系數ξs為1.0。

3 橋梁荷載試驗

3.1 橋梁靜載試驗

靜載試驗的基本原則是內力等效，通過在橋梁上施加車輛荷載或堆載等方式使控制截面荷載與設計值的比值滿足加載效率，測試控制截面加載過程中的效應值撓度、應變等，與理論計算值的比值得到校驗系數。本次靜載試驗選取第2 孔進行左側偏載加載，主要測試內容有撓度、應變等參數。

本次荷載試驗以城市-A 級（CJJ 11-2011）為控制荷載效應，以2-17#板跨中最大正彎矩作為控制荷載進行布載。通過試驗荷載所產生的效應與控制荷載效應計算得出本次靜力荷載試驗效率為0.98，滿足規范要求。

圖2 橋梁靜載試驗現場

圖3 撓度、應變測點布置

試驗過程中分三級加載，撓度、應變測試結果如表1、表2 所示（只列出效應值明顯板的撓度、應變測試結果）。

表1 撓度實測值與理論值對比表(單位：mm)

表2 應變實測值與理論值對比表(單位：mm)

表3 空心板承載能力綜合評定結果表

在試驗荷載0.98 倍城市-A 級（CJJ 11-2011）作用下，第2 孔空心板主要控制測點撓度校驗系數為0.49～0.53、應變校驗系數為0.53～0.78，校驗系數小于1.0。

在試驗荷載0.98 倍城市-A 級（CJJ 11-2011）作用下，第2 孔空心板最大正彎矩工況控制截面的撓度和應變與相應荷載基本呈線性關系，且實測相對殘余變形和相對殘余應變＜20%，結構接近彈性工作狀況。

根據靜載試驗得到的校驗系數結果，計算承載能力檢算系數Z2為1.05。

3.2 橋梁動載試驗

橋梁動載試驗需對橋梁動力特性及動力響應兩方面進行測試[5]。

①橋梁動力特性測試：采用環境隨機激振法測試橋梁的固有頻率、振型、阻尼比等橋梁動力參數，從而判定橋梁結構的整體動力剛度和動力性能。

分析計算得出實測頻率值為5.813，大于理論計算值。

圖4 2-17號板實測頻域曲線

圖5 2-17號板動撓度曲線

圖6空心板有限元模型

②橋梁動力響應測試：進行強迫振動試驗，測試橋梁結構在試驗荷載作用下的動力響應，本次橋梁動力響應測試為結構的動撓度和沖擊系數。

動力響應測試選取與靜載試驗相同的控制截面，利用靜載試驗中2-17#板的撓度測點，測試強迫振動過程中撓度變化曲線。通過橋面無障礙和有障礙行車試驗，分別采集了不同車速工況下的動撓度時程曲線，并分析得到每種工況下的實測沖擊系數。

分析計算得出實測沖擊系數為0.212，與理論計算值接近。

4 橋梁承載能力綜合評定

通過有限元軟件建立了該橋空心板有限元模型，計算跨徑19.5m，梁高0.95m，單側腹板15cm，共劃分42 個單元，43 個節點，主梁材料采用C40 混凝土，共16 根φs15.2 的鋼束，張拉控制應力1395MPa，下緣配置9 根直徑16mm主筋，箍筋為4 肢直徑10mm，箍筋加密段長度3.0m，間距10cm，其余部分間距15cm。

分析計算得出空心板承載能力極限狀態，城市-A 級（CJJ 11-2011）荷載作用下，跨中截面彎矩荷載效應值1837 kN·m，截面抗力3116 kN·m。距支點h/2 截面剪力效應值556 kN，截面抗力936 kN·m。箍筋變化截面剪力效應值492 kN，截面抗力936 kN·m。

根據特殊檢測得到的承載能力惡化系數ξe、配筋混凝土結構的截面折減系數ξc、鋼筋的截面折減系數ξs及荷載試驗得到的Z2值，代入式（1）中，分別對空心板承載能力極限狀態跨中截面抗彎承載力及支點附近截面抗剪承載力進行綜合評定。

該橋空心板跨中截面抗彎承載能力和支點附近截面抗剪承載能力均滿足城市-A級（CJJ 11-2011）要求。

5 結論

通過特殊檢測獲取橋梁缺損狀況及對其材質狀況、狀態參數進行檢測可評定橋梁承載能力，但該種方法存在局限性，有時難以直接反映橋梁承載能力。本文以某座市政預應力混凝土簡支空心板梁橋為例，介紹基于特殊檢測與荷載試驗的橋梁承載能力綜合評定過程，以此達到更直接更準確評價橋梁承載能力的目的，以期為同類型橋梁承載能力評定提供參考。