空心板梁橋快速評(píng)估承載能力方法

摘要 現(xiàn)有的空心板梁橋承載能力評(píng)估方法過(guò)程煩瑣且效率不高，文章針對(duì)當(dāng)前通用的幾種標(biāo)準(zhǔn)跨徑的空心板梁橋，在不同橋面寬度的組合下，計(jì)算其單板最大承載力、最不利荷載作用下的最大橫向分布系數(shù)及組合效應(yīng)值，分析了不同跨徑和不同橋面寬度情況下的最大組合效應(yīng)值與抗力之間的比例關(guān)系，結(jié)合橋梁外觀缺損狀況及材質(zhì)參數(shù)等檢測(cè)結(jié)果，綜合考慮橋梁承載能力折減系數(shù)，提出了通過(guò)查表對(duì)比方式評(píng)估橋梁承載能力的方法。

關(guān)鍵詞 空心板；橋梁；快速評(píng)估；承載能力

中圖分類號(hào) U448.21；U445.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）20-0073-04

0 引言

我國(guó)的橋梁總數(shù)已成為世界第一，在這些橋梁中空心板梁橋因施工簡(jiǎn)便、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)受到橋梁建設(shè)的青睞。在中小型橋梁中，空心板梁橋占有絕大部分[1]?？招陌辶簶虻脑O(shè)計(jì)也因交通運(yùn)輸部頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)圖集變得容易、可靠，幾乎所有空心板梁橋設(shè)計(jì)都依據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)圖集進(jìn)行設(shè)計(jì)，但在進(jìn)行空心板梁橋的檢測(cè)評(píng)定過(guò)程中[2-5]，依然根據(jù)現(xiàn)行的《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》進(jìn)行橋梁的外觀缺損狀況檢查，材質(zhì)狀況與狀態(tài)參數(shù)、橋梁自振頻率測(cè)定等檢測(cè)結(jié)果，引入檢算系數(shù)Z1或Z2，以及承載能力惡化系數(shù)、截面折減系數(shù)的方法進(jìn)行修正計(jì)算，很多檢算工作都是重復(fù)性的，大大浪費(fèi)了人力資源，甚至一些檢測(cè)單位因業(yè)主提供不了設(shè)計(jì)圖紙而拒絕承載能力的檢算工作，給業(yè)主對(duì)橋梁使用承載能力的準(zhǔn)確判斷造成一定影響。該文的研究方法是基于空心板梁橋統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)圖集，首先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化分析，計(jì)算當(dāng)前通用的幾種標(biāo)準(zhǔn)跨徑的空心板梁橋單板最大承載力，以及最不利荷載下的最大橫向分布系數(shù)，然后結(jié)合橋梁外觀缺損狀況及材質(zhì)參數(shù)等檢測(cè)結(jié)果，綜合考慮橋梁承載能力折減系數(shù)，通過(guò)查表方式快速評(píng)估橋梁的承載能力，為橋梁的安全運(yùn)營(yíng)評(píng)估提供更為可靠的參考。

1 理論設(shè)計(jì)

目前，交通運(yùn)輸部頒發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)圖集的計(jì)算跨徑為10 m、13 m、16 m、20 m，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)圖集中各種跨徑梁截面尺寸及配筋，采用Midas Civil軟件對(duì)上述跨徑的簡(jiǎn)支空心板單梁抗力值進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1所示：

對(duì)于空心板梁，一般采取的施工方法為板梁預(yù)制吊裝就位，板與板之間通過(guò)濕接縫進(jìn)行連接，濕接縫的作用即保障橋的整體性，即受力時(shí)將剪力傳遞到相鄰梁體，故在進(jìn)行跨中截面橫向分布的計(jì)算時(shí)可采用鉸接板（梁）法[6]。根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》（JTG D60—2015）規(guī)定的車道數(shù)與橋面凈寬之間的關(guān)系，擬定車道數(shù)對(duì)應(yīng)的空心板梁數(shù)見(jiàn)表2所示：

計(jì)算不同跨徑2車道至7車道所對(duì)應(yīng)的每塊板上的橫向分布系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖1所示：

a） 2車道對(duì)應(yīng)梁板的橫向分布系數(shù)

b） 3車道對(duì)應(yīng)梁板的橫向分布系數(shù)

c） 4車道對(duì)應(yīng)梁板的橫向分布系數(shù)

d） 5車道對(duì)應(yīng)梁板的橫向分布系數(shù)

e） 6車道對(duì)應(yīng)梁板的橫向分布系數(shù)

f） 7車道對(duì)應(yīng)梁板的橫向分布系數(shù)

由圖1可知，在不考慮人行道的情況下，邊梁的橫向分布系數(shù)最大，且隨著車道數(shù)的增加，邊梁橫向分布系數(shù)值逐漸減小，但當(dāng)車道數(shù)大于5時(shí)，邊梁的橫向分布系數(shù)不再有明顯的降低，故當(dāng)車道數(shù)大于7時(shí)，可按7車道的最大橫向分布系數(shù)值計(jì)算。

通過(guò)計(jì)算比較不同跨徑下2～8車道的橫向分布系數(shù)，并計(jì)算出同跨徑下2車道至8車道的最不利梁上橫向分布系數(shù)，其統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表3所示：

由圖2可以得出，橋梁跨徑在10 m、13 m、16 m、20 m時(shí)，對(duì)應(yīng)2車道的橫向分布系數(shù)最大，且隨著橋梁跨徑越大，其對(duì)應(yīng)的橫向分布系數(shù)有變小趨勢(shì)。

根據(jù)上述已計(jì)算的最不利梁的橫向分布系數(shù)，計(jì)算不同跨徑、車道的整橋上最不利梁的荷載值?？招陌辶旱膬?nèi)力值包含結(jié)構(gòu)自重和車道荷載兩部分，根據(jù)作用基本組合，通過(guò)式（1）計(jì)算空心板梁的內(nèi)力效應(yīng)組合，其中車道荷載按公路-Ⅰ取值，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為一級(jí)，橫向分布系數(shù)取表3中的數(shù)值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4所示。

γS=（1.4×車道荷載×橫向分布系數(shù)×折減系數(shù)+1.2×

永久作用）×1.1 （1）

根據(jù)表4計(jì)算的最不利梁荷載作用下的彎矩效應(yīng)值，進(jìn)一步計(jì)算效應(yīng)值與抗力值的比值，即S R，使用K進(jìn)行表示，結(jié)果見(jiàn)表5所示，并將其作為下文快速評(píng)估的重要內(nèi)容。

2 承載能力評(píng)估方法

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》中配筋混凝土橋梁承載能力的極限狀態(tài)[5]，根據(jù)橋梁檢測(cè)結(jié)果按式（2）進(jìn)行計(jì)算評(píng)定。

γ0S≤R（fd，ξcαdc，ξsαds）Z1（1?ξe） （2）

式中，γ0——結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)；S——荷載效應(yīng)函數(shù)；R（·）——抗力效應(yīng)函數(shù)；fd——材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；αdc——構(gòu)件混凝土幾何參數(shù)值；αds——構(gòu)件鋼筋幾何參數(shù)值；Z1——承載能力檢算系數(shù)；ξe——承載能力惡化系數(shù)；ξc——配筋混凝土結(jié)構(gòu)的截面折減系數(shù)；ξs——鋼筋的截面折減系數(shù)。

由式（2）可知，計(jì)算抗力值需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正，抗力值修正系數(shù)需確定截面折減系數(shù)ξc和ξs、惡化系數(shù)ξe、檢算系數(shù)Z1，以及活荷載影響系數(shù)ξq，是上述系數(shù)共同修正下的一個(gè)綜合折減系數(shù)。該文的綜合折減系數(shù)用符號(hào)ρ表示，其計(jì)算公式如式（3）：

ρ= ξc·ξs·Z1·（1?ξe）·ξq （3）

根據(jù)綜合折減系數(shù)的計(jì)算分析，可將式（2）可轉(zhuǎn)化為式（4）、式（5），由式（5）制定空心板梁橋的快速評(píng)估方法，即只要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)橋檢測(cè)，確定ρ值，然后結(jié)合表5，選取合適的K值。當(dāng)滿足K≤ρ時(shí)，則滿足承載能力要求，即可快速評(píng)估橋梁的承載能力。

S≤Rρ （4）

S R≤ρ 即 K≤ρ （5）

3 應(yīng)用實(shí)例

某橋單跨簡(jiǎn)支梁橋，跨徑16 m，設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為公路-Ⅰ級(jí)。上部結(jié)構(gòu)采用L=15.96 m預(yù)應(yīng)力空心板梁，梁高0.8 m，共40塊，在橋臺(tái)處設(shè)置型鋼伸縮縫，橋臺(tái)板梁下采用圓板式橡膠支座。下部結(jié)構(gòu)橋臺(tái)采用埋置式橋臺(tái)。為確定該橋的使用現(xiàn)狀，對(duì)該橋進(jìn)行相應(yīng)的外觀檢查、無(wú)損檢測(cè)及承載能力驗(yàn)算。

（1）檢算系數(shù)Z1

參照《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》7.7.1條規(guī)定，橋梁承載能力檢算系數(shù)（Z1）主要綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的表觀缺損狀況、材質(zhì)強(qiáng)度和橋梁結(jié)構(gòu)固有模態(tài)等的檢測(cè)評(píng)定結(jié)果加以確定。該橋承載能力檢算系數(shù)Z1計(jì)算表見(jiàn)表6所示：

（2）承載能力惡化系數(shù)

參照《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》7.7.4條規(guī)定，橋梁承載能力惡化系數(shù)（ξe）主要綜合考慮橋梁的缺損狀況、鋼筋銹蝕電位、混凝土電阻率、混凝土碳化狀況、鋼筋保護(hù)層厚度、氯離子含量、混凝土強(qiáng)度的檢測(cè)評(píng)定結(jié)果加以確定。承載能力惡化系數(shù)ξe計(jì)算表見(jiàn)表7所示：

（3）截面折減系數(shù)

參照《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》7.7.4條規(guī)定，截面折減系數(shù)主要是考慮結(jié)構(gòu)由于材料風(fēng)化、碳化、物理與化學(xué)損傷，以及鋼筋腐蝕剝落造成的鋼筋有效面積損失對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面抗力效應(yīng)的影響。該橋材料風(fēng)化程度、混凝土碳化深度、物理與化學(xué)損傷評(píng)定標(biāo)度均為1。

根據(jù)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》7.7.5條規(guī)定，該橋截面折減系數(shù)的綜合評(píng)定標(biāo)度R為1，截面折減系數(shù)ξc取1。

（4）活載影響修正系數(shù)

參照《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》7.7.7條規(guī)定，橋梁活載影響修正系數(shù)（ζq）主要綜合考慮典型代表交通量、大噸位車輛混入率、軸荷分布等結(jié)果加以確定。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，活載影響修正系數(shù)ζq取1。

（5）承載能力極限狀態(tài)驗(yàn)算

參照《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》7.3.1條規(guī)

定，配筋混凝土橋梁結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)檢算計(jì)算公式如下：

γ0S≤R（fd，ξcαdc，ξsαds）Z1（1?ξe） （6）

該橋作用效應(yīng)基本組合彎矩值與彎矩抗力值計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8所示haygB/15QCiIS6DcE/3Mig==：

由表8可知，在公路-Ⅰ級(jí)荷載作用下，該橋第1幅至第4幅極限狀態(tài)的承載能力均滿足規(guī)范要求。

（6）快速評(píng)估方法檢測(cè)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，參照《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》7.7.1條規(guī)定，橋梁承載能力檢算系數(shù)（Z1）取1.15；參照《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》7.7.4條規(guī)定，經(jīng)計(jì)算確定橋梁承載能力惡化系數(shù)ζe為0.00，截面折減系數(shù)ζc為1，活載影響修正系數(shù)ζq為1，計(jì)算綜合折減系數(shù)為1.15。

實(shí)橋跨徑為16 m，因?yàn)闄M向40片梁，可按八車道計(jì)算，對(duì)應(yīng)快速評(píng)估章節(jié)中的跨徑16 m，其K值為0.563（見(jiàn)表6）；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果，計(jì)算綜合折減系數(shù)為1.15，0.563<1.15，即滿足承載能力要求。0.563/1.15≈0.49<1，橋梁處于安全狀態(tài)。

4 結(jié)論

該文通過(guò)計(jì)算不同車道數(shù)下的常規(guī)跨徑的預(yù)應(yīng)力混凝土空心板梁橋的橫向分布系數(shù)，以及不同跨徑單梁的承載能力極限值，得到最不利梁效應(yīng)值與抗力值的比值K，以常規(guī)的橋梁檢測(cè)結(jié)論為依據(jù)，對(duì)橋梁承載能力進(jìn)行折減，對(duì)比其折減系數(shù)與K值，從而計(jì)算出該橋承載能力的安全儲(chǔ)備。

該文提出的方法能夠通過(guò)查表方式，簡(jiǎn)單、快速、方便地對(duì)所檢測(cè)的橋梁承載能力的安全儲(chǔ)備作出準(zhǔn)確的判定。

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收稿日期：2024-07-19

作者簡(jiǎn)介：楊丙文（1983—），男，博士研究生，副教授，研究方向：橋梁工程。

基金項(xiàng)目：江蘇省產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目：中小型跨徑橋梁災(zāi)損快速評(píng)估技術(shù)研究（BY2022665）。