连续刚构桥承载能力鉴定中部分关键参数的检测与分析

黄光清

(招商局重庆公路工程检测中心有限公司， 重庆 400067)

连续刚构桥梁由于其跨越能力强、施工便利且有良好的经济性，近几十年来在国内得到了大量建设。由于在早期的设计中认识不足，致使很多运营期的连续刚构桥梁出现了有效预应力不足、箱梁产生横向裂缝和斜向裂缝、结构产生较大的下挠等问题[1-2]。因此，在评估连续刚构桥梁承载能力时，其结构外观及裂缝、混凝土强度、结构的下挠、预应力损失、荷载试验结果等几个参数的检测和评估是分析桥梁承载能力的关键[3-4]。

1 工程背景

K4特大桥为预应力混凝土连续刚构桥，由左右2幅独立桥跨组成，桥跨布置为(98+180+98) m；单幅桥面全宽12 m,行车道11 m。主梁采用直腹板单箱单室、三向预应力混凝土箱型截面。单幅箱梁底板宽6.5 m，顶板宽12.5 m，两侧悬臂长各3.0 m。主梁和薄壁墩身均采用C50混凝土，承台采用C30混凝土。

K5大桥为预应力混凝土连续刚构桥，桥跨布置为(77+140+77) m；桥梁分左右幅,单幅桥面全宽12 m,行车道11 m。主梁采用直腹板单箱单室、三向预应力混凝土箱型截面。单幅箱梁底板宽6 m，顶板宽12 m，两侧悬臂长各3.0 m。梁和薄壁墩身采用C50混凝土，承台采用C30混凝土。

两桥设计荷载均为公路-Ⅰ级。

2 关键参数检测与分析

2.1 主要外观病害

2.1.1 K4特大桥

该桥左右幅受检区顶板底面、底板底面存在较多纵向裂缝，裂缝总数为87条，总长132.7 m，15%左右的裂缝宽度超限。抽检的4处中跨跨中纵向预应力波纹管均压浆不饱满。混凝土离析、麻面处较多，部分节段混凝土存在空洞，抽检的1处竖向预应力波纹管压浆不饱满。

2.1.2 K5大桥

该桥左右幅桥受检区段顶板、底板均存在纵向裂缝，部分裂缝宽度超限，超限裂缝占总量的5%左右；抽检的2处竖向波纹管未见压浆，抽检时渗水，对应梁段的腹板存在纵、斜向裂缝，最宽处已达到0.6 mm。抽检的2处纵向预应力波纹管管内压浆不饱满，在中跨跨中位置管道空隙量约1 cm～2 cm。新街岸边跨端部箱梁上游腹板外侧混凝土崩裂约0.3 m2，内侧腹板外鼓、开裂。

2.1.3 外观检测结果分析

两桥均存在箱梁开裂(主要为纵向开裂)、波纹管外露、混凝土表观缺陷等病害，K4桥宽度超限裂缝比例较高，其他外观检测结果并无明显差异。

检测时，这2座桥为新建桥梁，尚未通车，承受活载作用较小，且由于建成时间较短(约18个月)，收缩徐变造成的预应力损失尚处于初期，因此仅从外观上看，裂缝等尚未大量开展，特别是箱梁顶、底板横向裂缝和腹板斜向裂缝尚未大量出现，部分评定参与者仅凭外观检测结果和同类运营期桥梁对比，坚持认为2座桥梁技术状况尚可，无需进行限载和加固。

2.2 桥面线形

连续刚构桥梁桥面线形变化反映了主梁的下挠情况，是分析预应力损失状况的重要参数之一，属于承载能力鉴定分析的必测项目。这2座桥桥面铺装后未及时进行桥面线形测量，在本次测量前9个月，某检测单位对桥面线形进行了观测，在此将这2次结果进行对比分析。

依据工程测量规范[5]对桥面线形进行了观测，测点布置在上、下游侧车道边沿处及桥面中心处，测点水平间距5.0 m，与前次测量一致。但由于前次测量未设置永久观测点且测点标识被毁损，致使具体测点位置存在一定偏差。

2次测量的高程差值即桥面线形变化，反映了测量期间主梁的下挠情况，其典型监测曲线见图1、图2。

图1 K4特大桥右幅桥面高程与前次测量差值

图2 K5大桥左幅桥面高程与前次测量差值

从图1可知，由于2次检测的测点位置存在偏差，因此所测得的箱梁下挠线形不够平滑，但总体趋势非常明显：两边跨未见明显下挠，中跨普遍下挠，中跨跨中最大下挠约90 mm。两桥墩(距伸缩缝98 m、278 m处)墩顶高程变化值分别为-0.2 mm、-3.7 mm。

从图2可知，由于2次测量的测点位置存在偏差，结果显示左幅桥的1号墩墩顶(距伸缩缝77 m处)下沉8.5 mm，2号墩墩顶(距伸缩缝217 m处)下沉19.5 mm，且大桩号侧伸缩缝的高程亦存在最大-20 mm差值，不能对中跨的下挠有一个准确的判断。

为解决这个问题，对测量结果及测点位置偏差的影响进行分析和处理。

由于连续刚构桥下挠主要体现在中跨，因此作如下处理：1) 扣除桥面纵坡影响；2) 扣除主墩沉降影响。仅考虑中跨线形，处理结果见图3、图4。

图3 处理后K4特大桥右幅中跨桥面曲线比较

图4 处理后K5大桥左幅中跨桥面曲线比较

从图3、图4可以看出，扣除纵坡后的2次实测中跨桥面曲线几乎一致，可用来准确分析桥面下挠趋势和量值。

从图3、图4还可知，2次检测期间，K4特大桥右幅和K5大桥左幅中跨桥面线形总体趋势为中跨普遍下挠，跨中最大，分别为87.8 mm、12.9 mm。

由于上述下挠值还包含了2次测试时的温差影响、混凝土收缩徐变影响[6-7]以及可能的恒载变化影响，需通过计算将其扣除。

K4特大桥右幅异常挠度值：f=87.8-45.7(温差、混凝土收缩徐变影响规范计算值)=42.1 mm。

K5大桥左幅异常挠度值：f=12.9-9.5(温差、混凝土收缩徐变影响规范计算值)=3.4 mm。

从线形监测结果看，K4特大桥9个月期间产生的下挠值明显异常，K5大桥基本正常。

2.3 混凝土强度

混凝土强度是连续刚构承载能力检测的基本参数，采用超声回弹法、钻芯法对2座桥进行了检测，依据《超声回弹综合法检测混凝土强度技术规程》[8]第5.1.3条，将每梁段作为单个构件来检测和评价。每个梁段测区数量取10个，测区尺寸为400 mm×400 mm，结果如下。

2.3.1 K4特大桥

根据箱梁混凝土超声回弹测试结果，结合相应梁段和测区的钻芯强度结果来进行修正，得出左幅桥测试的25个梁段中，最高强度为57.4 MPa，最低强度为41.0 MPa，9个梁段的强度在设计值50.0 MPa以下。

右幅桥箱梁所测试的12个梁段中，混凝土最高强度为62.9 MPa，最低强度为45.0 MPa，1个梁段的强度在设计值50.0 MPa以下。

2.3.2 K5大桥

左幅桥测试的22个梁段中，最高强度为67.4 MPa，最低强度为50.6 MPa。右幅桥箱梁所测试的14个梁段中，混凝土最高强度为73.4 MPa，最低强度为47.7 MPa，2个梁段的强度在50.0 MPa以下。

2.3.3 混凝土强度测试结果分析

1) K4特大桥的主梁混凝土平均强度较K5大桥低，其最低值较设计强度50 MPa相差较多，离散性也较K5大桥大，说明K4特大桥的混凝土强度存在较为严重的缺陷，而K5大桥混凝土强度则相较设计值略有欠缺。

2) 由于这2座连续刚构桥各梁段实测强度值变化较大，在承载能力检算时的取值可采用3种方式：

(1) 每个梁段都采用实测强度值；(2) 采用所有梁段实测强度值的平均值；(3) 采用所有梁段实测值的最小值。

根据规范对强度测区的表观要求及现场工作时的实际情况，采用方式(3)较适宜，主要基于以下2点认识：

① 由于这2座桥箱梁混凝土强度很不均匀，而桥梁的破坏则是从最薄弱的部分开始的，因此，可将超声回弹综合法测得的各梁段强度中的最小值作为代表值对结构进行检算。

② 在强度检测时，选择的是梁段混凝土表观质量相对较好的区域划分测区的，测出的最低强度并不是结构实际的最低强度。因此，取超声回弹综合法测得的各梁段强度中的最小值作为代表值来对结构进行检算是较为适宜的。

2.4 预应力损失

对于大跨径梁桥的有效预应力检测，一般有应力释放法，包括混凝土盲孔法、普通钢筋应力释放法及直接对预应力钢束进行反拉等方法[9]，而在连续刚构桥梁中，这些方法可靠性和准确性均有待进一步提高。

2.4.1 估算方法

依据规范及相关文献[10-13]，按照如下方法对结构有效预应力进行估算：

2.4.2 估算结果分析

1) K4特大桥右幅

若仅根据2次测得的主梁下挠量进行反推分析，则K4右幅预应力损失约为8.3%。如果再考虑从桥梁建成到第1次线形观测这段时间箱梁的下挠，则预应力损失会更大。

假定异常下挠为线性发展，则由271 d异常下挠推算成桥后至第2次线形测试时总的异常下挠值为85.722 mm，事实上，连续刚构桥梁的下挠规律为前期发展快，后期发展速度越来越慢，因此实际的异常下挠值应大于这个计算值。

由于异常下挠值85.722 mm已扣除桥梁建成至第2次测量桥面线形期间的温差变化、混凝土收缩徐变规范计算值，因此该异常下挠值全部由预应力损失引起，据此推算得预应力损失为17.3%。这是一个不可接受的值，说明K4特大桥的预应力损失非常严重。

2) K5大桥左幅

按271 d异常下挠2.7 mm全部由预应力损失引起计算，推算得预应力损失为2.8%，如将时间推算至桥梁建成时，则推算得预应力损失为5.5%。

2.5 荷载试验

当通过检算分析尚无法明确评定桥梁承载能力时，可通过对桥梁施加静力荷载作用，即静载试验，测定桥梁结构在试验荷载作用下的结构响应，并据此修订承载能力检算结果或直接判定承载能力是否满足要求。

桥梁自振频率是桥梁整体刚度的体现，通过实测自振频率与理论计算频率之比可确定自振频率评定标度，分析桥梁结构性能。

2.5.1 静载试验截面

依据 JTG/T J21-01—2015《公路桥梁荷载试验规程》[14]，结合两桥结构特点，选取的静载试验截面为：1) 边跨最大正弯截面A；2) 墩顶附近最大负弯截面B；3) 中跨L/4负弯截面C；4) 中跨3L/8正弯截面D；5) 中跨跨中截面E。两桥截面位置见图5、图6。

单位：mm

2.5.2 应变测试

静载试验中，校验系数是指各测点应变实测值、各截面实测挠度值与理论计算值之比，是判断结构整体强度和刚度的重要参数，这里的理论计算值依据实测参数计算所得。各工况下两桥实测应变校验系数对比见表1。

从表1可知，虽然这2座桥的混凝土强度和预应力损失有明显差异，但这2座桥梁4幅桥的应变测试结果显示，其平均校验系数并未出现较大差异，最大、最小校验系数也都较为离散，并不能从应变测试结果中发现明显的规律性。K4特大桥除个别测点受测试因素和混凝土离散性影响使得校验系数超出1.0外，整体上仍满足JTG/T J21-01—2015《公路桥梁荷载试验规程》[14]的要求，即使是将计算采用的主梁弹模换成设计混凝土强度等级时的弹模，其校验系数整体也处于正常范围内，并不能据此得出主梁强度不满足设计要求的结论。

单位：mm

表1 各工况下2桥实测应变校验系数对比

2.5.3 挠度测试

在各测试截面分别布置2个挠度测点，采用精密水准仪从未加载1幅桥面进行观测读数。各工况下两桥实测挠度平均校验系数对比见表2。

从表2可知，这两桥实测挠度校验系数略有差异，约为5%。由于混凝土弹性模量的离散性、测试时的环境差异等多种因素的影响，结构刚度表现略有差异属于正常现象，其数值均在正常范围内，满足荷载试验规程的要求。因此并不能仅凭挠度实测结果得出K4特大桥整体刚度表现优于K5大桥的结论，也不能判定桥梁整体刚度不满足设计要求。

表2 各工况下两桥实测挠度平均校验系数对比

桥梁荷载试验主要是检验桥梁在使用荷载作用下的工作性能和汽车活载响应，不能直接判定桥梁的极限承载能力。对于连续刚构桥而言，活载作用在整体荷载组合里所占的比例更小，加载时结构整体上仍处于弹性工作阶段，结构损伤以及预应力损失并不能在测试结果中得到直观体现。

2.5.4 竖向基频

竖向基频是反映桥梁结构整体刚度的基本参数，采用891-4型速度传感器、INV-8型抗混滤波放大器、INV306D(F)多通道智能信号采集仪以及DASP分析软件进行动态数据采集及后期处理。两桥竖向基频测试结果见表3。

表3 竖向基频实测结果对比 Hz

从表3可见，两桥的1阶竖向基频实测值均略大于理论计算值，2阶竖向基频则较为接近。同时发现，尽管K4特大桥预应力损失大，混凝土强度更低，但其实测基频与理论基频之比却略大于K5大桥。

2.6 结构检算

结合外观检查、专项检测以及荷载试验结果，依据JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》[15]进行结构检算，得出如下结论：

1) K4特大桥部分梁段的极限承载能力不满足设计要求，部分工况下其正常使用极限状态不满足设计要求。

2) K5大桥极限承载能力和正常使用极限状态能满足设计荷载的正常使用要求。

K4特大桥开通运营后，其主梁持续下挠，出现了大量横向裂缝和斜向裂缝并不断展开，2年后不得不进行加固并设置健康监测系统，事实验证了其承载能力不满足设计要求的结论。K5大桥则在后续运营中处于正常状态。

3 结论

本文通过对某高速上2座连续刚构桥部分关键参数的检测分析，得出以下结论：

1) 对于建成时间较短或尚未投入运营的连续刚构桥梁，收缩徐变造成的预应力损失尚处于初期，裂缝等尚未大量开展，特别是箱梁顶、底板横向裂缝和腹板斜向裂缝尚未大量出现，不能仅凭外观检测结果和同类运营期桥梁比对结果而判断桥梁的技术状况。

2) 可依据连续刚构桥梁主梁下挠值估算其预应力损失并作为承载能力检算的关键参数，一定要在桥梁竣工时埋设桥面线形永久测点并进行首次观测，如测点缺失或变动时，可通过扣除纵坡和主墩影响，比较桥面相对变化得到主梁的下挠值。

3) 对于检算时混凝土强度的取值，需依据桥梁具体技术状况和强度实测结果采取多种方式，找出适宜的取值方法。

4) 连续刚构桥梁的表观和强度缺陷以及预应力损失通常不能在桥梁静、动载试验结果中直接体现，其承载能力需结合外观、强度、主梁下挠值等检测结果以及结构检算结果进行综合判定。