基于检测评估法的混凝土梁桥承载能力分析
2013-11-06曾汉辉
曾汉辉
(广东华路交通科技有限公司，广东广州 510420)
0 引言
随着交通量急速增长，超限车辆的荷载效应超过公路桥梁的设计等级;另一方面，原有桥梁的设计标准偏低，因老化、破损难以适应公路运输需要。如何评价在役桥梁的承载能力，准确的评估构造物的损伤程度，具有重要意义。
1 工程背景
石碣大桥新桥位于东莞石碣镇，全桥总长658.8 m，跨径组合为:3×20 m+2×9.7 m(南引桥)+6×72.4 m+45 m(主桥)+4×25 m(北引桥)，其中主桥为6×72.4 m+45 m为单箱单室预应力混凝土变截面连续箱梁。主桥立面图见图1。
图1 石碣大桥主桥立面图
2 承载能力分析思路
本次进行石碣大桥的承载能力工作的思路如图2所示，主要从以下几方面进行:
1)检测评估:采用无损检测方法，对结构混凝土进行全面测试，为桥梁结构承载能力检算模型的参数修正提供参考;2)应用桥梁计算分析专用软件，对桥梁进行结构验算，根据实际的荷载情况和结构性能，分析桥梁的受力状态;3)应用桥梁计算分析专用软件，对桥梁进行结构验算，根据实际的荷载情况和结构性能，分析桥梁的受力状态。
图2 承载能力流程图
3 混凝土连续箱梁检测评估工作
3.1 混凝土强度检测
本次检测采用超声—回弹综合法，随机对3号跨箱梁、9号跨箱梁部位选取30个测区，其检测结果见表1。根据JTG/T J21-2011公路桥梁承载能力检测评定规程(以下简称《评定规程》)的评定规定，箱梁与桥墩的混凝土强度的状态均为较好，其评定标度为2(见表1)。
表1 混凝土强度数据汇总表
3.2 混凝土碳化深度检测
本次预应力混凝土箱梁的碳化深度基本上在0 mm～1.0 mm之间，均小于其净保护层厚最小值，这说明构件中的混凝土碳化对碱性混凝土环境破坏不大，该桥的混凝土状态为良好，其评定标度为1。
3.3 钢筋锈蚀电位检测
本次采用半电池电位法对混凝土连续箱梁检测，结果表明:连续箱梁的钢筋锈蚀电位平均值介于-50 mV～-100 mV之间，各测区的钢筋锈蚀状态基本上为无锈蚀活动性或锈蚀活动性不确定，评定标度为1。
3.4 混凝土氯离子含量检测
对混凝土连续箱梁的取样的混凝土粉末中氯离子含量的测试结果，该桥的混凝土中氯离子含量均小于0.15%。表明氯离子诱发钢筋锈蚀的可能性很小，该项指标的评定标度为1。
3.5 混凝土电阻率检测
对混凝土连续箱梁测试结果表明，各测区的混凝土电阻率均大于20 kΩ·cm，表明混凝土电阻率对钢筋锈蚀影响很慢，测区评定标度为1。
3.6 混凝土钢筋保护层厚度
对混凝土连续箱梁测试结果表明，腹板钢筋保护层厚度基本满足要求，但底板保护层偏薄，且均匀性较差。各构件检测结果主要为有影响不显著和钢筋易失去碱性保护，发生锈蚀两类。根据《评定规程》的评定规定，按最不利原则考虑，其评定标度取为5。
4 承载能力各项系数的确定
4.1 结构承载能力恶化系数
根据上述对石碣大桥新桥各检测评估的测试结果，综合得到结构恶化状况评定值E如表2所示。
表2 承载能力恶化状况评定值E
根据石碣大桥新桥桥址的环境特征，该桥的环境条件为“干、湿交替、冻、有侵蚀性介质”，根据《评定规程》的有关规定，其承载能力恶化系数取0.076。
4.2 结构截面折减系数
根据本次的检测结果，确定石碣大桥新桥的截面损伤评定标度如表3所示。
根据截面损伤评定标度值R确定得ξc取0.99。
4.3 活载影响修正系数
根据石碣大桥新桥实际运营车辆的现场察看，该桥上运营车辆主要以小型客车为主，超载车辆较少，故取活载影响修正系数为 1.0。
表3 混凝土截面损伤评定标度R
4.4 承载能力检算系数
表4 检算系数评定指标
由表4可知，本次检测未进行结构的自振频率检测，根据经验按保守估计，按照该桥的实测自振频率与理论频率相同考虑，按照评定规程的有关规定，取模态参数的评定标度为2。
根据以上的评定结果，按《评定规程》的有关规定，取承载力检算系数为1.10。
5 混凝土连续梁桥承载能力分析
桥梁结构的承载能力分析主要依据竣工图纸，并结合现场检测评估情况，着重对结构主要控制截面、结构薄弱截面进行检算。本桥的承载能力评定按钢筋混凝土结构用承载能力极限状态法计算，首先对桥跨结构进行计算分析，并在检测结果的基础上确定承载能力检算系数、恶化系数、截面折减系数和活载影响修正系数的合理取值，然后对桥梁的承载能力作出评定。
5.1 计算模型
本桥采用平面杆系有限元法建立了连续箱梁的二维有限元模型，全桥共有节点173个，单元172个，分析模型见图3。
图3 石碣大桥新桥模型图
5.2 计算荷载与组合
一般质量检查结果表明，预应力混凝土连续箱梁未出现严重影响其承载能力的质量缺陷和病害，这里针对上部主要承重构件的承载能力检算按完好构件进行验算。
按汽车—20级，挂—100，人群3.5 kN/m2，系统升降温20℃，荷载组合根据桥规(JTJ 021-89，JTJ 022-85)的规定，考虑以下三种组合进行截面验算。
荷载组合Ⅰ:恒载+汽—20+人群;
荷载组合Ⅱ:恒载+汽—20+人群+升降温20℃ +温度梯度(规范BS5400模式)。
荷载组合Ⅲ:恒载+挂—100。
在进行荷载组合计算的过程中，同时考虑结构折减系数与检算系数:
1)承载能力恶化系数取0.076;2)截面损伤折减系数取0.99;3)钢筋腐蚀的截面折减系数取1.0;4)活载影响修正系数取1.0;5)承载力检算系数取1.10。
5.3 计算结果
本次验算严格按照竣工图纸所述的桥梁结构施工阶段，准确的模拟桥梁结构的各个施工过程，并综合考虑目前桥梁的实际工作状态，对其进行正常使用状态下应力和承载能力极限状态下强度的验算，验算结果如下。
5.3.1 正常使用状态下应力验算
正常使用状态下预应力混凝土连续箱梁截面的上下缘的最大和最小正应力及其最大主拉应力和主压应力如图4，图5所示。
图4 正常使用状态下不同组合下主梁上下缘最大和最小正应力图
图5 正常使用状态下不同组合下主梁最大主压应力和最大主拉应力图
从图4，图5我们可以得到以下结论:
1)荷载组合Ⅰ下，主梁最大压应力为13.4 MPa，且上下缘未出现拉应力;最大主压应力为14.2 MPa，最大主拉应力较小，不超过-2.4 MPa，满足预应力混凝土A类构件的要求。
2)荷载组合Ⅱ下，主梁最大压应力为16.8 MPa，最大拉应力为-1.66 MPa;最大主压应力为14.10 MPa，最大主拉应力 -1.66 MPa，不超过-2.7 MPa，满足预应力混凝土A类构件的要求。
3)荷载组合Ⅲ下，主梁最大正应力为11.88 MPa，且上下缘未出现拉应力;最大主压应力为12.14 MPa，最大主拉应力较小，不超过-2.7 MPa，满足预应力混凝土A类构件的要求。
5.3.2 承载能力极限状态下截面强度验算
承载能力极限状态下混凝土连续箱梁截面的上下缘的最大和最小正应力及其最大主拉应力和主压应力如图6～图8所示。
如图6～图8中，我们可以得到以下结论:
1)荷载组合Ⅰ下，全梁各截面的强度系数均大于1，截面强度满足要求，各主要验算截面中，最大正弯矩强度系数最小位于3号跨0.4L截面处，其值为1.139，最大负弯矩强度系数最小位于5号墩顶截面处，其值为1.077。表明结构墩顶及部分跨中截面强度富裕量较小。
2)荷载组合Ⅱ下，全梁各截面的强度系数均大于1，截面强度满足要求，各主要验算截面中，最大正弯矩强度系数最小位于33号跨0.4L截面处，其值为1.139，最大负弯矩强度系数最小位于5号墩顶截面处，其值为1.077。表明结构墩顶及部分跨中截面强度富裕量较小。
3)荷载组合Ⅲ下，全梁各截面的强度系数均大于1，截面强度满足要求，各主要验算截面中，最大正弯矩强度系数最小位于3号跨0.4L截面处，其值为1.401，最大负弯矩强度系数最小位于5号墩顶截面处，其值为1.357。
图6 承载能力极限状态下组合 Ⅰ下截面最大内力和最小内力及相应抗力图
图7 承载能力极限状态下组合Ⅱ 下截面最大内力和最小内力及相应抗力图
图8 承载能力极限状态下组合Ⅲ 下截面最大内力和最小内力及相应抗力图
6 结语
本文通过对石碣大桥新桥(预应力混凝土连续箱梁)进行检测评估，进而取得各项系数的取值，对其承载能力的计算与分析，可以得到以下基本结论:
1)对该桥的正常使用极限状态组合应力的验算，结果表明，该桥各截面的应力均满足规范要求。
2)对该桥的承载极限状态下各截面强度的验算，结果表明，该桥各截面的强度均满足规范要求，但墩顶及部分跨中截面强度的富裕量较小。
[1] 李亚东.既有桥梁评估方法研究[J].铁道学报，1997(6):9-11.
[2] 张士铎，张启伟.公路桥梁钢筋混凝土构件正常使用极限状态的可靠度分析[J].中国公路学报，1992(4):26-30.
[3] 沈大元.既有桥梁承载力评定的方法[C].全国桥梁结构学术大会，1992.
