既有空心板桥承载能力评估探究

吴宇晟 杨斌 朱沈阳

（1.江苏省交通工程建设局，江苏 南京 210000；2.江苏华通工程检测有限公司，江苏 南京 210000）

一、引言

空心板桥具有桥型简单、施工方便等优点，在公路中小型桥梁中应用广泛。但在运营过程中，桥梁结构容易出现不同程度的病害，危及板梁的承载能力。因此正确评估旧桥实际承载能力，可以提高既有桥梁维修加固的科学合理性[1]。基于现场实测数据修正模型，将进一步提高模型的准确性，提升计算结果的精准度。

二、桥梁概况

京沪高速公路某中桥上部结构为3×16m预应力混凝土空心板梁，下部结构为柱式墩，钻孔灌注桩基础，桥梁2#孔跨河。桥面铺装为10cm厚现浇混凝土调平层+9cm厚沥青混凝土组成。桥面纵坡i1=0.457%，i2=-0.556%，斜交角度θ=45°。桥梁1#、2#墩为TCYB型冠状圆板式橡胶支座D×H=200mm×48mm；0#、3#台帽顶支座采用TCYBF4圆板式滑板支座D×H=200mm×48mm。

进行环境振动试验之前，对该桥进行外观检查。该桥分左右两幅，左幅上部结构整体情况良好，技术状况评定为1类；下部结构整体情况良好，技术状况评定为1类；桥面系有1处伸缩缝装置混凝土破损，面积约为0.02m2，技术状况评定为2类。右幅上部结构板梁存在斜向裂缝共1条，总长约为0.5m，缝宽为0.1mm，板梁钢筋锈胀共1处，长约0.1m，技术状况评定为2类；下部结构盖梁钢筋锈胀共2处，总长约0.6m，技术状况评定为1类；桥面系整体情况良好，未见明显病害，技术状况评定为1类。

根据现场检查结果，本桥技术状况较为良好，全桥技术状况等级评定为1类。本桥已采用了碳纤维修补、砂浆涂抹的修补加固方式，外观质量良好，加固效果良好，总体维修加固质量评价为良好。

三、模型建立及修正

环境振动试验选择该中桥左幅（3×16m）作为测试跨，各跨测点布置按照八等分布置，试验按照测站组号依次进行，分别测量主梁竖向、横向、纵向的加速度时程，测量完毕后将设备移至下一测站，重复上述步骤，直至测量工作结束。

通过MACEC结构模态分析软件对获得的桥跨结构基本动力参数，如自振频率、阻尼比及固有振型进行谱分析，根据自相关谱、互相关谱、各点相位及相干系数确定各阶频率，根据模态分析法识别阻尼比参数，计算各阶模态阻尼，通过对测试数据的传递函数分析来确定各测点的相对幅值大小和相位，从而得出桥梁结构的各阶振型。

采用有限元结构分析通用软件ANSYS建立有限元模型，建立实体模型。模型采用笛卡尔三轴坐标。空心板、混凝土现浇层等采用solid45单元模拟，沥青铺装层及护栏采用mass21质量单元模拟，实桥两侧竖向、横向和纵向约束状况采用combin14模拟，预应力钢筋采用link8单元模拟，共有节点13816个、单元11900个。

利用三阶响应面模型对初始有限元模型进行参数修正，得到反映当前工作状态相对准确的模型。通过环境振动试验和实验模态分析，得到中桥竖向3阶、横向2阶、纵向1阶及扭转4阶的频率和振型。实测和计算频率吻合较好，除高阶扭转外，误差均在5%以内，且实测和计算的振型吻合良好，MAC值都在85%以上。

四、承载能力验算

（一）承载能力极限状态

把通过动力修正后的实体模型效应与采用横向分布系数法的传统杆系模型效应值进行比对，并对各结构抗力进行验算[2]。验算时采用《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）规定的公路-I级荷载等级，根据现行设计规范、承载能力检测评定规程进行既有桥梁的承载能力评估验算。

计算分析时考虑既有桥梁健康状况及新拓宽结构对既有桥梁承载能力的影响。折减系数计算各项参数取值如下：结构缺损取2，混凝土强度取1，钢筋锈蚀电位取1，氯离子含量取1，电阻率取1，保护层厚度取2，碳化深度取1，材料风化取1，物理化学损伤自振频率取1，简算系数评定标度D取1.4，考虑到梁体维修情况，Z1取1.03，恶化状况定标度E取1.44，恶化系数取0.029，Z1×(1-ξe)取1。分别使用基于动力修正的实体模型和杆系模型计算分析桥梁作用效应与结构抗力，结果如表1、表2所示。

表1 现行公路-I级荷载组合作用下16m空心板梁抗弯承载能力验算

表2 现行公路-I级荷载组合作用下16m空心板梁抗剪承载能力验算

由表1、表2可知，基于动力修正的实体模型16m空心板梁验算截面的抗弯承载能力、抗剪承载能力均满足新规范要求。基于动力修正的实体模型效应值较采用横向分布系数进行验算的杆系模型效应值小约6%～9.5%左右，这是由于其更精确地模拟了边界约束条件，而横向分布系数法则偏于安全的近似解。

（二）正常使用极限状态

针对空心板桥在正常使用极限状态下的变形进行验算。由于该桥的横向连接不确定，故采用修正后的ANSYS模型计算出挠度影响面，根据影响面加载，对跨中挠度进行验算。

验算采用《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015）的公路-I级车道荷载。在桥面各节点依次分别施加集中荷载，按顺序逐次提取关注位置的挠度值，并根据计算结果做出各关注位置挠度影响面图，参照挠度影响面图的正负分布情况，为活载布载提供参考，如图1、图2所示。

图1 中梁跨中挠度影响

图2 边梁跨中挠度影响面

根据《钢筋混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）和《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362-2018），计算预应力混凝土受弯构件最大挠度应采用标准组合，挠度值扣除自重及预应力影响，且汽车荷载不计入冲击系数，即采用1.0倍汽车荷载加载。在ANSYS中按影响面加载完成后，得出中梁跨中最大挠度为3.51mm，边梁跨中最大挠度为4.79mm，最大挠度验算均小于新规范允许值26.6mm，满足规范要求。

五、结语

利用环境振动试验结果修正桥梁实体模型，进行桥梁承载能力检算，并与杆系模型计算结果做对比，验证了方法的可靠性；基于动力修正的实体模型效应值相较于采用横向分布系数进行验算的杆系模型效应值小约6%～9.5%左右，这是由于其更精确地模拟了边界约束条件，而横向分布系数法则偏于安全的近似解。