现役提载预应力混凝土系杆拱桥承载能力的检测与评估

冯莹，韩振国，孙舒

（泰州职业技术学院，江苏 泰州 225300）

0 引言

近些年，在桥梁服役过程中，由于交通量的急剧增加和大量新型车辆的出现，部分道路的通行能力已无法满足实际需求，需要进行升级改造，以提高荷载等级和通行能力。因此，采用合理且经济的承载能力评定方法对现役桥梁的承载能力进行评估，是确保桥梁安全运营的重要保障[1-2]。

以某沿海原二级公路改造升级为背景，评估其沿线上某座预应力系杆拱桥现有承载能力是否满足公路Ⅰ级新标准要求，并提出合理化建议。

1 桥梁概况

某桥位于江苏省连云港市灌南县境内，2005年建成通车，全长256 m。主桥为一跨56 m预应力混凝土下承式系杆拱桥，拱肋轴线为二次抛物线，矢跨比为1/5。钢筋混凝土拱肋采用B×H=1.1 m×1.2 m的工字型断面，在拱脚处变为矩形截面，预应力混凝土系杆采用B×H=1.1 m×1.6 m的工字型断面，在拱脚处变为矩形截面。全桥共设11对吊杆，吊杆钢套管为热轧45号无缝钢管，间距4.6 m。桥面总宽为13 m。该桥原设计荷载等级为汽车20级，挂车100级，现运行道路荷载等级为公路Ⅰ级。主桥立面及横断面如图1所示。

图1 主桥立面、横断面（单位：cm）

2 桥梁检查结果

2.1 主桥缺损状况检查结果

在对桥梁进行常规检测中，发现主桥吊杆钢套筒表面防锈涂层脱落，锈蚀较严重；横撑局部露筋锈蚀；行车道板有1处破损露筋；板式橡胶支座存在脱空、开裂等病害，其中主桥支座脱空共3个，支座严重开裂共7个，支座剪切变形共4个；主桥一侧桥墩伸缩缝闭合，另一侧伸缩缝破损严重、型钢缺失，主桥桥面有2条横向裂缝，跨中有1处破损。

2.2 无损检测结果

在主桥无损检测中对系梁、横梁及拱肋进行混凝土强度检测和钢筋保护层厚度抽检，对照《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）[3]得到以下结果：

（1）混凝土实测强度、碳化深度评定标度为1。

（2）钢筋保护层厚度检测评定标度为1。

2.3 主桥线形测量结果

采用水准仪对桥面线进行测量，从图2可以看出，主桥整体平顺，未见明显下挠或突变，桥梁使用状况尚好。

图2 桥面实测线形图谱

根据桥梁现场检查结果，对照《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21—2011）[4]相关规定，主桥上部结构评分为82.7，技术状况评定等级为2类；下部结构评分为87.7，技术状况评定等级为2类；桥面评分为70.8，技术状况评定等级为3类；得出主桥总体评分为82.3，总体技术状况评定等级为2类。

3 桥梁荷载试验

3.1 静载试验结果

根据桥梁现场调查及施工图纸，利用有限元分析软件Midas/Civil 2019建立主桥的计算模型，如图3所示，并对其原设计荷载（汽车20级，挂车100级）作用下的受力进行分析。根据主桥受力特点，选取拱肋L/2附近截面、拱肋L/4附近截面、拱脚附近截面、系杆L/4附近截面作为主要测试截面，主桥系杆拱桥静载试验测试截面布置如图4所示。

图3 主桥计算模型

图4 测试截面布置（单位：cm）

根据《公路桥梁荷载试验规程》（JTGT J21—01－2015）[5]的要求，主桥静载试验工况和对应测试内容见表1，各截面的加载控制值满足规范要求，静载试验荷载效率ηq在0.95～1.03范围内。试验过程中，加载车辆按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）[6]要求布置。所得静载试验结果如下：

表1 静载试验工况及测试内容

（1）主桥控制断面主要挠度测点挠度校验系数范围为0.83～0.95，均小于1.0，满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21—01—2015）[7]的要求。

（2）主桥控制断面主要应力测点系杆应力校验系数范围为0.55～0.8，拱肋应力校验系数范围为0.62～0.92，均小于1.0，满足《公路桥梁荷载试验规程》（JTG/T J21—01—2015）[7]的要求。

（3）卸载后，主桥控制断面主要测试点的相对残余挠度和应变＜20%，说明主桥上部结构处于弹性工作状态。

3.2 动载试验结果

对主桥进行的动载试验包括脉动试验与跑车试验。脉动试验过程中，测试了主桥结构的自振频率、振型和阻尼比等动力特性。采用有限元计算软件Midas/Civil 2019对主桥进行动力特性分析，理论计算频率与实测频率比较见表2。跑车试验是在主桥跨中截面位置布设竖向拾振器，测试主桥在一辆重约320 kN的标准车下以车速为10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h作用下的动态振动响应，根据测试结果计算得到的实测冲击系数见表3。

表2 理论计算频率与实测频率比较

表3 不同车速激振下冲击效应分析

动载试验结果如下：

（1）自振频率实测值大于理论计算值，实测前两阶振型与理论振型相一致，表明上部结构整体刚度大于理论刚度。

（2）实测冲击系数小于规范计算值，表明上部结构的动力性能较好，车辆正常行驶对桥梁的冲击效应满足设计要求。

通过主桥静动载试验可知：在原设计荷载（汽车20级，挂车100级）作用下，主桥上部结构的整体刚度满足要求，并且处于弹性工作状态，在原设计荷载的作用下，主桥可以正常运营。

4 桥梁承载力能力检算

对主桥进行承载能力检算是按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）中现荷载标准（公路I级，二车道计）进行，计算过程中计入承载能力检算系数Z1、Z2、承载能力恶化系数系数ξe、构件截面折减系数系数ξc和钢筋截面折减系数ξs，以评定主桥在现荷载等级为公路I级情况下，能否正常工作。

4.1 检算方法

依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/TJ21—2011）配筋混凝土桥梁承载能力评定有：

（1）承载能力极限状态，应根据检测结果按照式（1）进行计算评定：

（2）正常使用极限状态

正常使用极限状态宜按现行公路桥涵设计和养护规范及检测结果分以下三方面进行计算评定：

①限制应力：

②荷载作用下的变形：

③各类荷载组合作用下裂缝宽度满足：

以上具体参数定义可参考《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）第7.3节。

4.2 检算系数

根据桥梁检测和荷载试验结果，按照《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）确定，主桥承载力检算判式中的各系数取值汇总见表4。

表4 承载能力检算判式中的各系数取值汇总表

4.3 承载能力检算结果

采用有限元计算软件Midas/Civil 2019进行计算，考虑自重、二期恒载、汽车荷载、人群荷载、温度荷载等作用，并按照实际检测成果（结构尺寸、材料强度）对桥梁进行建模计算。

4.3.1 承载能力极限状态计算结果

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG3362—2018）要求，对主桥的系杆、拱肋、中横梁、端横梁和吊杆进行承载能力极限状态下的抗力验算，采用有限元计算软件Midas/Civil 2019计算，结果如图5所示，主桥构件在承载能力极限状态下的计算结果见表5。

图5 承载能力极限状态计算图谱

表5 承载能力极限状态检算结果

4.3.2 正常使用极限状态计算结果

按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）要求，采用有限元计算软件Midas/Civil 2019计算了在正常使用极限状态下，主桥的系杆、中横梁抗裂验算和挠度验算，计算结果如图6所示。结合承载能力极限状态检算判式，主桥构件在正常使用极限状态下的计算结果见表6。

图6 正常使用极限状态计算图谱

表6 正常使用极限状态检算结果

4.3.3 构件的应力计算结果

按照规范要求，采用有限元计算软件Midas/Civil 2019对系杆、中横梁进行应力验算，按全预应力混凝土构件，计算使用阶段正截面法向压应力与斜截面主压应力，计算结果如图7所示。结合根据承载能力极限状态检算判式，系杆、中横梁的应力计算结果见表7。

表7 构件的应力计算结果汇总

图7 构件应力计算

通过对该主桥上部结构进行承载能力检算评定，在考虑检算系数的影响下，得到结论有：

（1）主桥拱肋和系杆承载能力均满足公路I级荷载要求；中横梁、端横梁及吊杆承载能力均不满足公路I级荷载要求。

（2）系杆和横梁的正截面抗裂均满足公路I级荷载要求，但斜截面抗裂不满足公路I级荷载要求。

（3）主桥变形满足规范要求。

（4）系杆和横梁压应力均满足公路I级荷载要求。

5 结论

（1）该桥运营了约15 y，桥梁整体状况尚好，对于检测中发现的主桥吊杆钢护筒锈蚀部位应进行除锈防锈处理；对拱肋应重新涂刷涂层；破损严重的伸缩缝和开裂严重的支座应全部更换；混凝土破损露筋及存在裂缝的部位应进行修补和封闭处理。

（2）基于荷载试验对该桥承载能力进行评估，该桥满足原设计荷载（汽车20级，挂车100级）使用要求。

（3）该桥在现运行道路荷载等级（公路Ⅰ级）下，承载能力极限状态检算结果不能满足要求。

（4）受限于建造时期经济水平及交通量增长预期，该桥原设计富余量在不采取任何措施的情况下无法提高荷载等级。但考虑拆除重建桥梁需要花费大量人力、物力和财力，建议对该桥进行维修加固后再利用。

（5）预应力混凝土系杆拱桥承载能力的检测与评估是一项复杂且综合性的项目，需综合考虑其工程背景、区域规划、理论模型和实际工作状态，才能对其作出科学客观的评价与建议，在节约资源的情况下，保证桥梁的安全运营。