超龄服役桥梁实际承载能力评定方法探讨

(湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南， 长沙 410015)

1 概述

针对不同时期修建的桥梁，特别是缺乏设计资料、竣工资料、检测资料等基础数据的情况下，评定桥梁的承载能力有基于检测结果的基本组合检算法和基于检算的静载试验核定法。

a.依据JTG D60-2015第4.1.5条规定，桥梁承载能力极限状态对持久设计状况和短暂设计状况采用基本组合，即分项系数1.2倍自恒载、1.4倍车道荷载或1.8倍车辆荷载的组合下作用效应值小于结构抗力值；所以采用基本组合检算法评定桥梁承载能力时确定的目标荷载有足够的安全储备。

b.依据JTG/T J21-2011第3.2.4作用效应与抗力效应之比在1.0～1.2之间时，应通过荷载试验评定承载能力。即作用效应与抗力效应之比小于1时，桥梁承载能力满足现行荷载要求；作用效应与抗力效应的比值在1.0～1.2之间时，应通过荷载试验评定承载能力；作用效应与抗力效应的比值大于1.2时，不满足现行荷载要求，应通过荷载试验核定其实际承载能力和确定其目标荷载；所以，基于检算结果的荷载试验法评定桥梁承载能力主要是确定目标荷载。

深圳市大鹏新区鹏城路登云桥建于本世纪六十年代，为两跨简支梁桥，桥梁长11.13 m，桥面宽3.0 m；主梁用粗麻石铺设而成(数量不详)；0#、2#桥台为浆砌片石，1#桥墩采用块石镶面。现在的桥梁是保留原下部结构，上部结构将两侧麻石更换为钢砼主梁，主梁宽0.85 m，保留了中间4片石梁，并在其上覆盖0.2 m厚桥面砼铺装层，上游侧拓宽0.7 m行车道板，下游侧拓宽0.3 m行车道板，桥面全宽4.0 m；桥梁全长11.13 m。由于其缺乏竣工图纸、设计文件、检测资料，管养部门发现主梁出现明显裂缝、跨中下挠后，因未能核实其真实承载能力，其通行能力一直困扰着管理部门。

本文通过基于检测结果的基本组合检算法对该桥梁进行承载力评定，然后通过静载试验核定法对其进行验证，阐明对于确定桥梁目标荷载(限载)，采用验算法即能评定桥梁的实际承载力的评定方法。

2 桥梁检测及评定

2.1 桥梁缺损状况检测评定

2.1.1典型病害

现场对登云桥缺损状况进行了全面检查，登云桥无支座，下部结构良好，无冲刷，上部结构和桥面系有明显的病害：

a.道板主要病害为底部钢筋锈断、砼大面积剥落。

b.主梁梁底有8条横向裂缝，其中5条贯通裂缝：1-1#主梁：2条横向裂缝，1条贯通，最大宽度0.21 mm，裂缝间距115、62、183 cm；1-2#主梁：1条横向贯通裂缝，最大宽度0.36 mm，裂缝间距183、177 cm；2-1#主梁：2条横向裂缝，1条贯通，最大宽度0.52 mm，裂缝间距88、257、35 cm；2-2#主梁：3条横向裂缝，2条贯通，最大宽度0.54 mm，裂缝间距137、63、121、59 cm。

c.铺装层破损、块裂，跨中下挠、桥面积水。

d.护栏基座破损严重，栏杆与立柱节点处松开。

2.1.2技术状态评定

依据JTG/T H21-2011第4.1.8款“全桥技术状态等级评定时，当主要部件评分达到4类或5类且影响桥梁结构安全时，可按桥梁主要部件最差的缺损状态评定。”进行评定，该桥主要部件1-2#、2-1#、2-2#主梁的裂缝宽度均超过JTG/T J21-2011表 7.3.4限值0.25 mm的要求；1-1#、1-2#、2-1#、2-2#道板的砼损伤剥落及钢筋锈蚀严重；因此，本桥技术状态根据主要部件缺损状况评定为四类。

2.2 桥梁材质状况与状态参数检测评定

2.2.1总体尺寸

桥梁护栏累计长度1 113 cm；1#跨净跨径360 cm；2#跨净跨径380 cm；1#墩墩身顺桥宽260 cm、横桥宽550 cm，墩身高200 cm；1#墩基础宽300 cm，基础长590 cm；每跨2片主梁，每片主梁宽85 cm、高30 cm；桥面道板厚度(桥面铺装层)20 cm；护栏基座高20 cm，砼护栏高度68 cm，上面钢护栏高30 cm。

2.2.2断面尺寸

登云桥断面尺寸见图1。主梁宽度85 cm，厚度30 cm；4片石梁单片宽度30 cm，累计宽130 cm；上游侧道度宽70 cm，厚度20 cm；下游侧道板宽度30 cm，厚度20 cm；桥面全宽400 cm。

图1 登云桥断面尺寸图(单位： cm)Figure 1 Size chart of deng yun bridge section(Unit: cm)

2.2.3砼强度测试

采用回弹法检测1-1#、1-2#、2-1#、2-2#主梁的砼强度，其推定强度值介于48.5～54.5 MPa之间，换算强度值介于36.1～48.4 MPa之间, 查GB/T 50476-2008表4.3.1取C40，查JTG/T J21-2011表 5.3.5的评定标准，4根主梁的评定标度均为1。

2.2.4砼钢筋锈蚀检测

a.道板钢筋锈蚀断，砼剥落掉块，钢筋有效截面完全失效。

b.采用半电池电位法检测1-1#、1-2#、2-1#、2-2#主梁钢筋锈蚀电位，主梁电位值介于-289～-128，呈正态分布。

查JTG/T J21-2011表5.4.3的评定标准，道板钢筋锈蚀评定标度为5；主梁的钢筋锈蚀评定标度为2。

2.2.5砼碳化深度测试

主梁砼碳化深度平均值为3.0 mm，保护层平均值为80.5 mm，查JTG/T J21-2011表5.7.3砼碳化深度评定标度值为1。

2.2.6砼钢筋保护层厚度测试

采用一体式钢筋扫描仪检测1-1#、1-2#、2-1#、2-2#主梁钢筋数量、钢筋直径和保护层厚度，每片梁均扫描出3根钢筋，钢筋直径均为25 mm，间距平均值为20 cm，保护层厚度平均值为80.5 mm，取JTG D62-2004表9.1.1最小保护层厚度40 mm，查JTG/T J21-2011表5.8.6的评定标准，其评定标度值为1。

2.2.7自振频率

上部结构实测f=44.59 Hz，计算f=56.22 Hz，实测频率与计算频率之比介于(0.75，0.90)，查JTG/T J21-2011表5.9.2的评定标准，其评定标度值为4。

3 结构检算

3.1 检算内容

本桥按照简支梁计算，主要检算病害严重的第二跨跨中正截面抗弯能力和支点附近截面抗剪能力。

3.2 检算系数

基于缺损状况、材质状况与状态参数和自振频率的检测结果，参照JTG/T J21-2011用于结构承载能力检算的相关系数取值见表1。

表1 检算系数取值表Table 1 Check coefficient table参数检测指标权重标度系数值缺损状况0.404Z1材质强度0.3010.99自振频率0.304缺损状况0.404钢筋锈蚀电位0.142ξ.砼碳化状况0.2510.03钢筋保护层厚度0.151砼强度0.061材料风化0.101ξ.砼碳化0.3510.96物理与化学损伤0.554ξ.钢筋截面折减/20.99

3.3 检算模型

计算程序选用桥梁专用软件桥梁博士。

本桥桥面铺装层与道板为一整体，实测厚度为20 cm，且与梁体结合较好，扣除2 cm铺装层参与结构受力；道板部位不考虑钢筋，减2 cm桥面铺装后再减去6 cm底部砼剥落处厚度后参与结构受力；主梁梁底裂缝超限，扣除8 cm保护层后只考虑22 cm进行检算；麻石按实际截面计算；计算跨径4.20 m。验算图式见图2。

图2 登云桥检算图式(单位： cm)Figure 2 Check pattern of deng yun bridge(Unit: cm)

3.4 检算结果

a.荷载效应。

根据JTG D60-2015的第4.3.1条规定，荷载等级取公路-Ⅱ级。按承载能力极限状态设计时，当结构重力产生的效应与汽车荷载产生的效应同号时，荷载效应及承载能力极限状态系数列表2。

表2 荷载效应值及分项系数Table 2 load effect value and partial coefficient荷载名称弯矩/(kN·m)剪力/kN分项系数结构重力50.247.81.2公路-Ⅱ级230.0219.01.4

① 荷载效应最大弯矩γ0S=382.2 kN·m；

② 荷载效应最大剪力γ0S=364.0 kN。

b.结构抗力。

通过桥梁博士计算出的跨中正截面抗弯能力和支点附近截面抗剪能力见表3。

表3 结构抗力计算表Table 3 Structural resistance calculation table属性R(fd,ξcαdc,ξsαds)主梁麻石合计弯矩/(kN·m)173.019.0192.0 剪力/kN145.075.6220.6

3.5 承载能力评定

按JTG/T J21-2011中7.3.1对承载能力进行评定。

γ0S≤R(fd,ξcαdc,ξsαds)Z1(1-ξe)

考虑检算系数和承载能力恶化系数后的承载能力评定结果见表4。

表4 承载能力评定表Table 4 Table of carrying capacity属性γ0SR(fd,ξcαdc,ξsαds)Z1(1-ξe)是否满足弯矩(kN·m)382.2184.4否剪力/kN364.0211.8否

由表4得知，承载能力极限状态下，跨中正截面抗弯强度和支点附近截面抗剪能力不满足极限承载能力要求。

4 静载试验

4.1 试验荷载选择

通常采用车辆加载。因本桥跨径小，采用车辆加载不能反映荷载-位移关系；试验跨砼主梁的梁底共有5条横向裂缝，如果采用常规的载重车辆进行试验，该桥在试验过程中结构产生破坏的风险很大，为确保结构和试验过程中作业人员和车辆的安全，本次试验选择水箱法，即通过测试加水时间与加水量的关系进行加载，在场外控制加水、同步实时测量结构的位移，如果发现异常现象可随时停止加载。

4.2 试验方法

a.控制荷载。

① 公路-Ⅱ级荷载：按JTG D60-2015中公路-Ⅱ级荷载进行验算，车道荷载均布荷载取7.87 kN/m，车道荷载集中荷载取202.50 kN，则跨中荷载效应弯矩为230.0 kN·m。

② 结构抗力：承载能力检算抗力为184.4 kN·m，扣除自重后的弯矩为134.2 kN·m。

控制荷载取值：取公路-Ⅱ级荷载与结构抗力的较小值：134.2 kN·m。

b.试验荷载。

第一层横向型钢、第二层纵向钢管，再用钢管、腕扣搭成一个2.7 m宽×3.6 m长×2.4 m深的水箱，箱内撑竹胶模板，将水布紧贴模板并固定，荷载效应分析见图3。

图3 荷载效应计算图式Figure 3 Calculation formula of load effect

1级荷载为支承、水箱的荷载；2级荷载～25级荷载为注水，各级荷载列于表5。

表5 试验荷载统计表Table 5 Test load statistics级数注水深度测量时间水深/m荷载/kN118:350.00 30.0 2～720:350.46 74.98～1321:350.92 119.8 14～1922:351.39164.72022:451.46 172.2 21～2223:051.62 187.2 23～2523:351.85 209.6 注:当第20级时实测曲线与计算曲线交叉。

c.测试方法。

试验前在梁底跨中截面安装电阻式百分表，采用DH3515N采集，设定采集间隔时间为10 min自动采集。

4.3 试验结果

a.位移测试结果。

试验全过程荷载-位移关系曲线图见图4。

图4 荷载-位移关系曲线图Figure 4 Load displacement relation diagram

由图4得知，当荷载大于172.2 kN时实测曲线完全下穿计算曲线，此时的跨中弯矩为141.4 kN·m，考虑车道荷载均布荷载7.87 kN/m，则换算车道荷载集中荷载为118.1 kN，即当轴重小于118.1 kN时，结构处于弹性阶段，结构变形随荷载线性增加；当轴重大于118.1 kN时，主梁的实际变形明显大于理论变形，呈非线性加速增大，结构进入塑性阶段。

b.位移校验系数及残余变形分析。

位移校验系数及残余变形分析结果见表6。

表6 位移校验系数及残余变形综合分析Table 6 Comprehensive analysis of displacement check coeffi-cient and residual deformation测点校验系数总变形/mm残余变形/mm相对残余变形/%2-1#梁1.190.800.1316.252-2#梁1.210.850.2225.88

c.试验过程裂缝测量。

在试验过程中裂缝宽度都有不同程度增宽；卸载后有3条变回初始状态，2条裂缝的宽度未能回位。

4.4 承载能力评定

a.静载试验荷载效率ηq。

JTG/T J21-2011第8.1.2条：“静载试验试验效率宜介于0.95～1.05之间”：

其中，Ss为本次试验最大加载荷载等级209.6 kN，对应跨中弯矩Ss=165.6 kN·m；S′为扣除自重后的检算抗力弯矩S′=134.2 kN·m；μ为按规范取μ=0.45；ηq为静力试验荷载效率。

加载效率见表7。

表7 加载效率表Table 7 Loading efficiency table工况Ss (kN·m)S′/ (kN·m)μηqⅠ165.6134.20.450.85

本桥静载试验效率为0.85，未介于0.95～1.05之间，但继续加载存在极大损伤风险。

b.静载试验承载能力评定。

因静载试验加载效率不满足JTG/T J21-2011第8.1.2条规定，即不能按JTG/T J21-2011第8.3.2条对桥梁承载能力进行评定。

取实测曲线完全下穿计算曲线时的荷载为该桥的极限承载能力，此时荷载对应的跨中弯矩为141.4 kN·m，自重弯矩为50.2 kN·m，则跨中截面正常使用承载能力=141.4+50.2=191.6 kN·m，γ0S=382.2 kN·m≮191.6 kN·m，因此，正常使用状态下，跨中截面抗弯强度不满足承载能力极限状态的要求。

5 验算法和静载法比较

5.1 验算法和静载法的结果比较

因荷载试验的控制荷载取值为结构抗力，所以具有可比性。

本桥基于检测结果的承载能力检算评定跨中正截面抗弯能力为184.4 kN·m；基于检算的静载试验评定跨中截面承载能力为191.6 kN·m，则(191.6-184.4)÷184.4×100%=3.80%<5.00%，通过采取可验证的试验方法、分析静载试验数据与基于检测结果的承载能力检算进行比对，核定了该桥真实的承载能力，同时验证了静载试验核定的承载能力与基于检测结果的检算法相吻合，因此，对于确定目标荷载(限载)来讲，采用验算法即能评定桥梁实际承载力。

5.2 验算法和静载法的方法比较

a.从1988年交通部颁布《公路旧桥承载能力鉴定方法(试行)》至2011年,《公路桥梁承载能力检测评定规程》实施，基于检测结果的承载能力检算法已经相当成熟。检算法重在结构状态参数识别，结构抗力是桥梁本身固有的属性，因此，如何真实地反应桥梁的结构抗力是桥梁承载能力检算的关键工作，必须经过认真慎重的计算和分析。基于检测结果的检算系数、恶化系数、截面折减修正检算模型能准确地检算桥梁结构的内力状态。

b.依据JTG/T J21-01-2015中第3.4.1“交(竣)工验收荷载试验时根据试验对象的设计荷载等级确定试验控制荷载”及第3.4.2条“在用桥梁以目标荷载为控制荷载进行荷载试验”所评定桥梁的承载能力为正常使用状态下的要求，通常静载试验其分项系数取值为1.0倍自重+1.0倍活载(含冲击系数)，因此，不能等同极限承载能力评定。通过本案例得知JTG/T J21-2011第8.3.2条用Z2代替Z1进行承载能力评定可评定正常使用极限状态，不能评定承载能力极限状态；而要评定其极限承载能力，则荷载取值：1.2倍自重+1.4倍车道荷载或1.2倍自重+1.8倍车辆荷载换算到目标荷载，以确保安全使用。

由此可见，承载能力检算法是基于检测结果的承载能力极限状态的评定，而静载试验是基于检算结果的正常使用状态的鉴定。

6 核定桥梁目标荷载

承载能力检算评定的承载能力为184.4 kN·m，静载试验评定的承载能力为191.6 kN·m，均不满足公路-Ⅱ级的荷载要求；该桥承载能力取两者较小值：184.4 kN·m，考虑自重1.2倍安全系数、活载1.4倍安全系数，及车道均布荷载7.87 kN/m，则换算集中荷载为68.0 kN，因梁底裂缝宽度超限、桥梁超龄服役，运营中存在随时破坏的风险，仍然应按限载5 t进行车辆控制。

7 结语

我国大量存在超龄服役的桥梁，其建造时不可能考虑到现行的荷载标准，因此，评定其是否满足现行荷载通行的要求以及核定其真实承载能力非常重要。由于很多桥梁缺乏设计资料、竣工资料、检测资料等基础数据，针对不同时期建造的桥梁的检测评定宜严格按JTG/T H21-2011、JTG/T J21-2011等评定规程开展工作，核实其真实的承载能力，确保结构使用安全；虽然本桥作用效应与抗力效应的比值为2.07，但是通过静载试验验证了基本组合检算法在桥梁承载能力评定工作中可靠性。对于确定目标荷载(限载)来讲，采用验算法即可评定桥梁实际承载力；而采用静载试验检测其承载能力则成本太大，即使通过静载试验表明其满足目标荷载要求，但其龄期已超过设计年限，容易出现脆性破坏，在日后的运营中可能存在随时破坏的风险；因此，在桥梁承载能力评定工作中采用基本组合检算法较之静载试验核定法具有较强的适应性、科学性、经济性和可操作性。