钢筋混凝土整体式板桥承载力及技术状况评定

2017-05-24张俊玲

湖南交通科技 2017年1期

关键词：检算板条板桥

张俊玲

(湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南长沙 410004)

钢筋混凝土整体式板桥承载力及技术状况评定

张俊玲

(湖南路桥建设集团有限责任公司，湖南长沙 410004)

在早期修筑的钢筋混凝土整体式板桥中，多数存在混凝土开裂、结构老化等问题。所以，对在役钢筋混凝土整体式板桥进行技术状况以及承载力评定显得尤其重要。以某整体式板桥为工程背景，通过采用有限元软件Midas Civil 2012建立该桥上部结构空间有限元模型，结合动静荷载试验数据对该整体式板桥进行了承载力和技术状况的评定。并针对该在役桥梁存在的安全隐患提出了加固措施，为类似钢筋混凝土整体式板桥的检测及评定提供参考依据。

整体式板桥；技术状况；承载力；评定；荷载试验

0 引言

钢筋混凝土整体式板桥是小跨径钢筋混凝土桥梁中使用较为广泛的桥梁形式，由于整体式板桥自身建筑高度小、外形简单、施工方便且极易适应斜、弯、陡坡等特殊地形的优势而在高等级公路和城市立交桥工程中逐渐得到广泛应用[1]。相比较装配式桥梁，整体式板桥具有整体性能好、刚度大及受力明确等优点。

20世纪80年代以来，整体式板桥在公路桥梁中得到了广泛的应用，其在设计、使用中的一些问题也得到了相关学者越来越多的重视[2]。王标才[2]对整体式现浇正交板桥与斜交板桥的受力进行了对比分析；周建庭[3]等对宽跨比较大的整体式简支板桥的计算模式进行了探讨。然而，随着在役整体式板桥的使用，逐渐出现混凝土开裂、结构耐久性老化以及材料的劣化等诸多问题，使得桥梁的结构承载能力降低。针对如何进行在役整体式板桥的承载力评估，进而有效防治及养护在役整体式板桥以便保证桥梁的安全运营是目前亟待研究的一项重要问题。为此，一些专家对此类桥梁老化结构的评估进行了探索。原浩祺[4]针对钢筋混凝土整体式板梁的纵向裂缝进行了分析；邵旭东[5]对整体式空心板桥的裂缝进行了研究；徐建红[6]对钢筋混凝土整体式空心板桥的开裂机理和性能评估方法进行了研究和总结。

本文以某整体式钢筋混凝土简支板桥为研究对象，采用空间有限元软件Midas Civil 2012建立该整体式板桥上部结构的空间有限元模型，结合荷载试验数据对该整体式板桥进行了承载力和技术状况的评定，并针对在役桥梁存在的安全隐患提出了加固措施，为类似钢筋混凝土整体式板桥的养护维修提供参考依据。

1 工程概况

某钢筋混凝土整体式板桥分为车行桥与人行桥，两者分离布置。桥面全宽为净20.14 m+2×2.5 m人行道，人行道护栏为钢护栏，桥面为沥青混凝土铺装，采用桥面连续结构。原上部车行桥为3×13 m钢筋混凝土简支整体现浇板桥，板宽20 m，板高0.55 m；后对车行桥进行过改造，主梁加高至63 cm，桥面铺装层为8 cm防水混凝土+8 cm沥青混凝土；人行桥为3×13 m现浇钢筋混凝土连续板桥。车行桥桥墩基础为钻孔桩基础，桥墩采用单排五柱式直径1.0 m的圆形墩柱，墩盖梁为钢筋混凝土双悬臂盖梁。桥台采用单排五柱式钢筋混凝土桥台，桥墩采用桩柱式桥墩及钢筋混凝土双悬臂盖梁；人行道桥墩采用直径0.9 m的独柱钢墩、双悬臂钢盖梁。该桥在两侧桥台处设有简易伸缩缝，各墩、台顶设置了圆形板式橡胶支座。荷载等级：汽-20，挂-100。现场桥面整体见图1。

图1 桥梁侧立面图

2 承载力验算

2.1 计算模型

该桥上部为钢筋混凝土简支现浇整体式板梁，将上部整体式板梁分割为20个1 m宽的板条后，先按刚接板梁法计算板的跨中荷载横向分布系数，支点按杠杆法计算，1/4跨径至支点间按线性过渡，求出活载作用下不利主梁的荷载横向分布系数。然后采用Midas Civil 2012有限元软件建立单梁模型进行计算，经计算边板条受力最不利，故建立边板条的有限元模型进行检算。边板条共划分为26个单元27个节点，计算模型见图2。

图2 边板条计算模型

2.2 材料参数

2.2.1 混凝土

主梁及盖梁结合以往设计经验及实测结果，主梁及盖梁均采用30号混凝土，其主要力学性能见表1。

表1 混凝土力学性能表混凝土标号弹性模量/MPa容重/(kN·m-3)热膨胀系数/℃-1标准值/MPa设计值/MPaRbaRb1RaR13030000251.00E-05212.117.51.75 注:Rba为混凝土轴心抗压强度标准值;Rb1为混凝土轴心抗拉强度标准值;Ra为混凝土轴心抗压强度设计值;R1为混凝土轴心抗拉强度设计值。

2.2.2 普通钢筋

普通钢筋采用II级钢筋和I级钢筋，钢筋机械性能应符合(YB171-69)的要求。普通钢筋力学性能见表2。

表2 普通钢筋力学性能表普通钢筋弹性模量/MPa容重/(kN·m-3)Ry/MPaRy'/MPaII级钢筋21000078340340I级钢筋20000078240240 注:Ry为普通钢筋抗拉强度设计值;Ry'为普通钢筋抗压强度设计值。

2.3 检算系数及承载能力恶化系数

2.3.1 承载能力恶化系数

根据耐久性恶化各项检测指标的检测结果，按《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)计算构件恶化状况评定值E，计算结果见表3。根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)，在干湿交替、冻、无侵蚀介质条件下，当构件恶化状况评定值E=1.24时，线性内插得承载能力恶化系数ξe=0.054 8。

表3 承载能力恶化状况评定值E计算结果评定内容权重评定标准值评定得分混凝土碳化状况0.2010.20混凝土强度0.0510.05钢筋保护层厚度0.1230.36钢筋锈蚀电位0.1110.11氯离子含量0.1510.15混凝土电阻率0.0510.05缺损状况0.3210.32构件恶化状况评定值E1.24

2.3.2 检算系数Z1

根据《公路工程承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)，承载能力检算系数评定值D计算结果见表4。

表4 承载能力检算系数评定值D计算结果评定内容权重评定标准值评定得分缺损状况0.410.4材质强度0.310.3自振频率0.320.6承载能力检算系数Z1评定值D1.3

根据《公路工程承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)，由承载能力检算系数评定值D线性内插得Z1=1.135，偏安全考虑，Z1取1.0。

2.3.3 检算系数Z2

根据《公路工程承载能力检测评定规程》和荷载试验结果知，该桥上部结构主要测点最大校验系数为0.80，线性内插得Z2= 1.05，偏安全考虑，检算系数取Z2=1.0 。

2.4 荷载效应值计算

汽车荷载：按汽-20考虑，冲击系数为0.246。汽车荷载作用下，3车道偏载最不利，最不利板条为1#边板条，跨中横向分布系数为0.251，支点为0.535。

挂车：按挂-100考虑。挂车作用下，偏载最不利，最不利板条为1#边板条，跨中横向分布系数为0.129，支点为0.235。

主梁重量：一块边板条重170.1 kN，一块中板条重165.5 kN。

二期铺装：沥青混凝土铺装，全桥每延米重75.33 kN。按《公路桥涵设计通用规范》(JTG 021-89)进行荷载组合，本次检算只涉及恒载、汽车荷载和挂车荷载，故只考虑组合I和组合III。

2.5 承载力评定

2.5.1 主梁抗弯承载力验算

按《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023-85)进行抗弯承载能力的验算。经过计算，最不利边板条跨中断面最大弯矩组合值为730.5 kN·m。考虑到检算系数为Z2=1.0，承载能力恶化系数为0.054 8，计入修正后弯矩抗力值为1 266.6 kN·m，可知上部现浇整体式板梁跨中抗弯极限承载能力满足汽车-20、挂-100级荷载的检算要求。

2.5.2 主梁挠度验算

钢筋混凝土受弯构件，在正常使用极限状态下的挠度，可根据给定的构件刚度，用结构力学的方法计算[7，8]。

经过计算，构件在活载作用下，边板条跨中断面在汽车荷载作用下产生的挠度值为9.72 mm，小于限值21.0 mm;在挂车荷载作用下产生的挠度值为13.02 mm,小于限值25.2 mm。上部现浇整体式板梁的竖向刚度满足规范要求。

2.5.3 主梁裂缝宽度验算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023-85)规定，在荷载组合I作用下，裂缝宽度不应超过0.2 mm，在荷载组合II或组合III作用下，不应超过0.25 mm。

根据规范，运用T形截面钢筋混凝土受弯构件其最大裂缝宽度计算公式，得出荷载组合I作用下，边板条跨中断面的最大裂缝宽度为0.09 mm，小于限值0.2 mm；组合III作用下，边板条跨中断面的最大裂缝宽度为0.11 mm，小于限值0.25 mm，表明该桥上部现浇整体板跨中断面裂缝宽度均满足汽车-20级、挂车-100级荷载的检算要求。

3 技术状况评定

3.1 外观检查

混凝土强度的测试应在结构承重构件或主要受力部位布置测区。因此，选取1孔整体板、1个桥台盖梁、1个桥墩盖梁及3个桥墩墩柱作为混凝土强度的测试对象。由规范推定该桥测区混凝土强度均质系数均大于1.00，说明混凝土强度状态良好。

车行桥各孔主梁底板横桥向存在多条纵向裂缝，纵向裂缝宽度在0.18～0.48 mm 。1#、2#墩顶桥面连续处普遍存在沿墩盖梁方向的混凝土通长裂缝，裂缝宽在1.0～3.0 mm。两侧台顶简易缝处沥青混凝土横向通长开裂，缝宽在1～2 mm，桥面两侧栏杆约10%的面积表面防腐涂层起皮、脱落[9]。根据桥梁的检测情况，按照《公路桥梁技术状况评定标准》(JTG/T H21-2011)对该桥进行技术状况等级评定，本桥最终评定为三类。

3.2 静载试验

根据该桥的结构特点及现有技术检查的实际情况，选择3#孔主梁及2#墩盖梁作为试验对象。本次试验3个加载工况，即3#孔主梁跨中控制断面、2#墩盖梁最大正弯矩及最大负弯矩控制断面。各工况的加载效率在0.95～1.05之间，均满足规范的规定范围[10]。

3.2.1 挠度分析

由图3可知，在工况1试验荷载作用下，试验孔受力最不利板条的挠度校验系数为0.80，小于1.0，说明主梁竖向刚度满足设计及使用要求。各控制断面挠度的相对残余变形最大值为5.97%，小于20%，说明结构处于弹性工作状态。

图3 主梁理论与实测主梁挠度对比图

在工况2试验荷载作用下，2#盖梁1#、2#墩柱间跨中断面挠度的试验值为0.41 mm，理论计算的fd=0.478 mm，挠度校验系数η=0.86，小于1.0。盖梁竖向刚度满足正常使用要求。

3.2.2 应力分析

在工况1试验荷载作用下，测量3#孔1#～4#梁跨中断面处，主梁底缘混凝土应变值。将应变乘以混凝土弹性模量，即得相应测点混凝土的实测应力值，控制断面实测应力及应力校验系数见表5。

表5 主梁最大正弯矩控制断面应力校验系数应变测试位置底缘混凝土实测值/MPa计算值/MPa校验系数1#测点3.805.580.682#测点3.735.110.733#测点2.664.800.554#测点3.174.490.71

表5数据表明，在工况1荷载作用下，试验孔主梁1#～4#测点底缘应力最大校验系数为0.73，小于1.0，说明主梁强度满足正常使用及设计要求。

在工况2试验荷载作用下，2#盖梁1#-2#柱间盖梁跨中断面、2#墩顶负弯矩断面的实测混凝土应变沿盖梁高度呈线性分布，满足平面变形假定。根据最佳试验曲线，将应变乘以混凝土弹性模量，即得到相应测点的混凝土应力，控制断面实测应力及应力校验系数见表6。

表6 2#盖梁应力校验系数位置上缘混凝土下缘混凝土实测值计算值校验系数实测值计算值校验系数2#盖梁1#-2#柱顶跨中断面-0.37-0.450.810.430.450.952#盖梁2#柱顶最大负弯矩断面0.420.450.93-0.40-0.450.88

表6数据表明，2#盖梁跨中正弯矩混凝土应力最大校验系数为0.95，2#墩顶负弯矩混凝土应力最大校验系数为0.93，均小于1.0。盖梁跨中及墩顶强度满足正常使用要求。

3.3 动载试验

考虑到桥梁的现场情况及结构的受力方式，本次动载试验主要针对3#孔(3#台-2#墩)主梁跨中断面。在靠近东侧人行道内侧边缘10 cm布置了1个动挠度计；动挠度计外侧10 cm布置1个竖向速度计；在主梁跨中断面处东侧底板边缘布置了1个动应变计测点。

对采集到的时间历程波形进行时域及频域分析，得到3#孔主梁跨中断面的一阶竖向固有频率，实桥振动频率试验值为6.64 Hz，大于理论计算值6.47 Hz。3#孔主梁结构的阻尼比为ξ=0.054，在合理阻尼比范围内，对减少结构振动是有利的；各车速下实测3#孔主梁跨中断面的冲击系数最大值为1.296，小于按《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)使用基频计算冲击系数1+μ=1.314 ，说明桥面平整，行车平顺。

3.4 加固措施

结合桥梁外观检测和荷载试验，针对该桥的技术状况评定结果，对该桥提出加固方案和维修措施。具体的加固措施如下：

1) 对1#、2#墩顶桥面连续处混凝土通长裂缝进行灌缝处理；

2) 桥台处设置正规伸缩缝；

3) 对铁艺栏杆进行防腐处理；

4) 采用粘贴钢板条法对整体板进行横向抗弯加固。