某预应力混凝土多T梁的安全性评估研究*

汪　锋，梁清宇，张　剑，朱金华，周储伟，4

(1.江苏扬子大桥股份有限公司，江苏 南京 214521；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；3.南京航空航天大学，江苏 南京 210016；4.机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏 南京 210016)

某预应力混凝土多T梁的安全性评估研究*

汪锋1，梁清宇2，张剑3，朱金华3，周储伟3，4

(1.江苏扬子大桥股份有限公司，江苏 南京 214521；2.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；3.南京航空航天大学，江苏 南京 210016；4.机械结构力学及控制国家重点实验室，江苏 南京 210016)

摘要：对现役桥梁结构的安全性评估问题日益受到研究者的关注，如何在经济和技术条件允许的情况下，合理评估桥梁结构的安全性，避免灾害事故的发生，这是当前研究的热点问题之一。结合桥梁结构现场检测数据，利用修正系数法，即混凝土强度时变修正系数、钢筋强度修正系数、截面几何尺寸修正系数和结构刚度修正系数，来反映桥梁结构的现有实际状态，对某预应力混凝土多T梁桥进行安全性评估研究。结果表明，该梁桥的抗弯承载力评估系数和抗剪承载力评估系数均>1，且其抗弯承载力折减系数、抗剪承载力折减系数和刚度折减系数均>0.9，该桥使用功能良好且满足安全性要求。提出的方法可供其余类型的板梁结构受力分析和安全性评估作为参考。

关键词：安全性；预应力；修正系数；多T梁

自20世纪80年代以来，欧洲、美国和日本等发达国家专家学者对桥梁结构的安全性评估日益重视[1]。美国和英国桥梁结构研究的重点逐步转向养护维修、鉴定与加固改造方面，并取得了长足发展。美国、英国和加拿大先后颁布了基于极限状态原理和设计规范的桥梁评估标准或文件[2]。目前，在世界范围内对现役桥梁结构的安全性评估问题已日益突出，如何在经济和技术条件允许的情况下，合理评估桥梁结构的安全性并预测桥梁结构的行为，避免灾害事故的发生，是当前工程界关注的热点问题。服役期的桥梁具体养护和维修策略，通常需要通过桥梁结构检测和安全性评估来确定[3]。正确评估桥梁结构的承载状态和安全性并预测桥梁结构行为，鉴定和发现桥梁存在的危险隐患，这些对采取恰当的维修和加固技术措施，避免发生灾难性安全事故及生命财产的损失，延长桥梁结构的使用寿命是非常必要的[4]。通过对现役桥梁的检测和评估，确认桥梁的实际状态和现有极限承载力，及时为桥梁管理和维修加固提供科学依据。

本文结合桥梁结构现场检测数据，利用修正系数法反映桥梁结构的现有实际状态，对某预应力混凝土多T梁进行安全性评估研究。

1材料修正系数

1.1混凝土强度时变修正系数

使用多年后的混凝土结构其强度仍然服从正态分布，只是强度的平均值和标准差是服役时间的函数。通过线性回归方法可以推导得到现时混凝土强度与混凝土设计值的关系式：

fcd,t(t)=ζcfcd

(1)

(2)

式中，fcd,t(t)和fcd分别是现时混凝土强度和混凝土强度设计值；ζc是混凝土强度时变修正系数；η(t)和ξ(t)分别是混凝土强度平均值随时间变化的系数和混凝土标准差随时间变化的系数，它们均为服役时间的函数；δf0是混凝土强度变异系数。

在桥梁安全性综合评估方法中，为获得更加精确的现时混凝土强度，直接采用回弹法检测得到的混凝土强度推算值。

1.2钢筋强度修正系数

对于钢筋材料来说，在使用过程中的最大影响因素为锈蚀。钢筋锈蚀会引起钢筋截面尺寸的减小，从而降低钢筋所能承受的拉力。如果锈蚀是均匀的，钢筋的实际屈服强度不会降低；但实际上钢筋的锈蚀一般是不均匀的，在钢筋锈蚀处易形成应力集中，使钢筋锈蚀处的应力提前达到钢材的屈服应力，从而降低了钢筋的实际屈服强度。抗弯纵筋和抗剪箍筋的计算公式如下：

(3)

fsvd,t=(1-1.085δsv)fsvd=ζsvfsvd

(4)

2截面几何尺寸修正系数

2.1混凝土截面几何尺寸修正系数

混凝土结构截面几何尺寸修正系数是对混凝土使用多年后结构局部截面尺寸由于各种因素影响导致减小或破损的修正。主要考虑受压区混凝土由于碳化、钢筋锈蚀导致截面开裂等对几何尺寸损伤的影响。可采用如下公式：

ht=h-αc1

bt=b-αc2-αc3

(5)

式中，ht和bt分别是截面损伤后的高度和宽度；h和b分别是原截面的高度和宽度；c1、c2和c3分别是截面高度和2个宽度方向的保护层厚度；α是保护层几何损伤系数，其值和纵向裂缝宽度有关。

2.2钢筋截面面积修正系数

钢筋锈蚀导致钢筋截面面积减小，锈蚀后的抗弯纵筋、抗剪箍筋面积可以分别表示为：

As,t=(1-δs)As=ζsaAs

(6)

Asv,t=(1-δsv)Asv=ζsvaAsv

(7)

3钢筋与混凝土的协同工作系数

钢筋锈蚀会引起粘结力下降，从而影响钢筋与混凝土的协同工作能力。而钢筋锈蚀对钢筋和混凝土共同工作的影响机理比较复杂，目前只能通过协同工作系数来反映钢筋与混凝土的协同工作程度。钢筋与混凝土协同工作系数可表示为：

(8)

式中，ksci是第i根钢筋的协同工作系数；w是钢筋锈蚀裂缝宽度；wa是粘结力开始退化时，钢筋锈蚀裂缝宽度；wb是粘结力完全丧失时，钢筋锈蚀裂缝宽；ksci,min是第i根钢筋的协同工作系数最小值；α是粘结力退化系数。

4结构刚度修正系数

结构刚度修正系数的表达式为：

Bt=ζBBs,t

(9)

(10)

式中，Bt是等效刚度修正系数修正后的计算刚度；ζB是等效刚度修正系数；Bs,t是结构损伤后的现有实际等效截面刚度；δs抗弯钢筋锈蚀率；Ms是控制截面计算弯矩；Mcr是控制截面开裂弯矩。

5算例分析

图1　预应力混凝土多T梁桥断面图

某预应力混凝土多T梁桥的全长为416.44 m。本文针对20 m预应力混凝土T梁跨进行安全性评估分析。桥宽(单幅)13 m，行车道宽(单幅)10.75 m，由6片T梁组成。单片T梁长20 m，翼板宽1.6 m，梁高1.4 m，腹板宽0.18 m，马蹄宽0.40 m。桥梁横断面如图1所示。对该桥的主梁进行外观检查，测定其现有混凝土强度、碳化深度以及钢筋锈蚀率，结果见表1。由于该预应力混凝土多T梁桥为简支梁桥，分别对边梁的跨中截面进行验算。根据该桥设计信息输入设计信息和车道荷载选项卡；根据现场检测结果输入技术状况选项卡；根据控制截面配筋情况输入验算截面选项卡并模拟静载试验。计算结果见表2和表3。

表1　预应力混凝土多T梁桥现场检测结果

表2　控制截面计算结果

表3　控制截面评估系数

由表2和表3的结果可知，该梁桥的抗弯、抗剪承载力评估系数均>1，且其抗弯承载力折减系数、抗剪承载力折减系数以及刚度折减系数均>0.9且接近于1，因此该桥满足安全性要求。

6结语

桥梁结构为保证其正常安全的运营，应满足规范中承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求，因此，桥梁安全性综合评估至关重要。本文结合桥梁结构现场检测数据，利用修正系数法(混凝土强度时变修正系数、钢筋强度修正系数、截面几何尺寸修正系数和结构刚度修正系数)来确定桥梁结构的现有实际状态，对结构进行了安全性评估研究，结果表明该桥满足安全性要求。本文提出的方法可供其余类型的板梁结构安全性评估参考。

参考文献

[1] 盛兴旺, 曾庆元. 斜交箱梁的板梁段有限元法[J]. 中国铁道科学, 2004, 125(3): 64-68.

[2] 钟新谷, 马平, 曾庆元. 多室箱形梁非线性有限元分析[J]. 土木工程学报, 1999, 32(6): 32-39.

[3] 段海娟, 张其林. 钢筋混凝土曲线箱梁非线性分析的有限段元法[J]. 同济大学学报, 2003, 31(3): 282-286.

[4] 张宇峰. 沪宁高速公路扩建工程桥梁极限状态实桥试验研究试验工作总结会汇报材料[R]. 南京: 江苏省交通科学研究院, 2006.

* 江苏省自然科学基金资助项目(BK20130787)

南航青年科技创新基金资助项目(NS2014003)

机械结构力学及控制国家重点实验室开放课题(MCMS-0213G01)

江苏扬子大桥股份有限公司资助项目(GCJS2014-37)

浙江省水利厅科技项目(RC1445)

责任编辑郑练

Research on Safety Evaluation of a Prestressed Concrete Multi-T Girder Bridge

WANG Feng1, LIANG Qingyu2, ZHANG Jian3, ZHU Jinhua3, ZHOU Chuwei3,4

(1.Jiangsu Yangtze River Bridge Co., Ltd., Nanjing 214521, China; 2.Zhejiang Institute of Hydraulics and Estuary,

Hangzhou 310020, China; 3.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China;

4.SKL of Mechanics and Control of Mechanical Structures, Nanjing 210016, China)

Abstract：The safety evaluation problem of the existed bridge structure absorbs more attention from many researchers. If the economic and technology conditions are admitted, how to evaluate the bridge structure correctly and avoid the engineering accident is one of the worth researching problems. Combined with the measured data of the practical bridge structure and using the correctional coefficient method, including the correctional coefficients of concrete strength, reinforced steel strength, sectional dimensions and structural stiffness, study the practical working status of the structure, and the safety evaluation of the prestressed concrete multi-T girder bridge is completed. The results show that the evaluating coefficient of bending ultimate load and that of shearing ultimate load are both more than 1. The reducing coefficient of bending ultimate load and that of shearing ultimate load are both more than 0.9. The structure satisfies the use safety requirements. The research method can be used as reference for the mechanical analysis and the safety evaluation of other kinds of beam structures.

Key words:safety, prestress, correctional coefficient, multi-T girder

收稿日期：2015-02-02

作者简介：汪锋(1976-)，男，高级工程师，主要从事结构工程等方面的研究。

中图分类号：U 441

文献标志码:A