某连续箱梁桥改造提级前承载能力检测评估

吴育後，吴维彬，黄莉茜，黄荣幸

(1.南宁市交通运输综合行政执法支队，广西 南宁 530011；2.广西交通工程检测有限公司，广西 南宁 530011)

0 引言

随着城市的快速发展，某些原城市周边的高速公路、一级路、二级路等被纳入城市版图。为满足城市发展需求，原有不满足需求的基础设施将面临改造的问题，如拆除重建、部分利用改造、全面利用改造提级、直接维修利用等。根据可持续发展的原则，在制定改造方案之前应有足够的数据支撑。

本文以某城市连续箱梁桥因发展需要拟进行改造提级为背景，根据工程实际需求评估桥梁既有承载能力是否满足改造后的使用目标，进而为改造提级设计提供数据支撑。

1 工程概况

该桥为3跨1联的预应力混凝土等截面连续箱梁桥，单箱双室，跨径组合为(25.0+30.0+25.0)m。桥梁共四幅，中间2幅为主车道，旁边2幅为辅道，桥面布置为2×[0.45 m(栏杆)+2.20 m(人行道)+9.50 m(辅道)+0.60 m(栏杆)+1.50 m(侧分隔带)+0.60 m(栏杆)+12.25 m(主道)+1.50 m(中央分隔带)]。下部结构为轻型桥台、桩柱式桥墩，钻孔灌注桩基础。原设计荷载：汽车-超20级，挂车-120级。箱梁混凝土为45号混凝土。

桥梁立面图和断面图分别如图1、图2所示。

图1 桥梁立面图(cm)

图2 桥梁断面图(cm)

根据工程需要，计划在原桥外侧增加一幅预应力混凝土小箱梁桥，将原桥外侧辅道桥原有桥面(2个机动车道+人行道)变更为3个机动车道，设计荷载等级提至城-A级(2019年版)。改造后的桥梁断面如图3所示。

图3 改造后桥面布置示意图(cm)

2 桥梁现状

辅道桥上部结构外观状况、技术状况及材质状况如下：

(1)外观主要病害为：渗水污染、横向裂缝、腹板竖向裂缝和蜂窝麻面。

(2)技术状况等级BCIs为C级。

(3)混凝土强度、碳化深度、钢筋锈蚀电位评定标度均为1。

(4)钢筋保护层厚度最大评定标度为4。

(5)环境类别为Ⅱ类。

(6)自振频率实测值/理论值范围为1.48～1.79，如表1所示。

表1 自振频率测试结果表

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)[1]计算Z1和ξe，分别为Z1=1.11，ξe=0.04。

3 荷载试验

3.1 有限元分析

采用Midas Civil 2021软件对结构进行计算分析，其结构离散模型如图4所示。

图4 桥梁结构离散模型图

3.2 控制断面、测点布置及测试内容

控制断面分别为跨边最大正弯矩截面A-A、墩顶截面B-B和中跨跨中截面C-C。控制断面布置示意图如图5所示。

图5 控制断面布置示意图(cm)

(1)挠度测点布置于控制断面主梁底，每个断面布置3个测点，分别为边、中、边。

(2)应变测点布置于控制断面主梁底，每个断面5个测点，按横向均匀分布。

(3)模态测点布置于桥面距人行道路缘石20 cm，每跨1/4 L、2/4 L和3/4 L处。

(4)主要测试内容为：挠度、应变、自振频率、阻尼比和冲击系数。

3.3 加载效率

本次荷载试验分两组进行：(1)第一组：以原设计荷载及桥面布置状况为依据进行控制加载；(2)第2组：以改造后的桥面布置状况和设计标准城-A级进行控制加载(加载前应通过初步验收评估)。加载效率如表2所示。

表2 荷载试验各工况加载效率汇总表

3.4 试验结果

荷载试验结果汇总如表3所示。试验结果表明：

(1)在原设计状况下，控制断面主要挠度测点校验系数为0.39～0.87，主要应变测点校验系数为0.37～0.80，相对残余挠度和应变均<20%。

(2)在改造后设计状况下，控制断面主要挠度测点校验系数为0.39～0.64，主要应变测点校验系数为0.39～0.77，相对残余挠度和应变均<20%。

(3)在改造后设计状况下，控制断面主要挠度测点弹性挠度/原设计值为0.60～0.85，主要应变测点弹性应变/原设计值为0.54～1.00。

4 承载能力检算评估

该桥上部结构既有承载能力检算评估采用检算系数、恶化系数等，并分为正截面抗弯承载能力检算评估和斜截面抗剪承载能力检算评估。

4.1 检算荷载

该桥上部结构承载能力检算评估的荷载取值如表4所示。

4.2 承载能力检算结果

根据荷载试验结果及《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21-2011)，确定检算系数Z2，原设计标准下Z2=1.015，改造后设计标准下Z2=0.95。

4.2.1 承载能力极限状态检算结果

改造前后正截面抗弯承载能力极限状态组合检算结果对比如表5所示，改造前后斜截面抗剪承载能力极限状态组合检算结果对比如后页表6所示。

表3 荷载试验结果汇总分析表

表4 荷载取值参数表

表5 正截面抗弯承载能力极限状态组合检算结果表

由表5、表6可知：

(1)上部结构主梁在承载能力极限状态下，正截面抗弯承载能力和斜截面抗剪承载能力同时满足原设计标准的要求和改造后设计标准的要求。

(2)在原结构不作加固的情况下提高荷载等级使用，桥梁仍可以满足现行标准在改造后状况下的使用要求。

(3)在原结构不作加固的情况下提高荷载等级使用，桥梁原有承载能力富余显著降低，对桥梁整体长期使用不利。

表6 斜截面抗剪承载能力极限状态组合检算结果表

(4)根据分析数据可知，通过桥梁荷载试验获取结构响应数据评估承载能力比仅通过外观检测结果评估更安全，能更准确地评估桥梁结构的实际承载能力。

(5)对需要提高荷载等级使用的桥梁采用荷载试验及检算的方法评估承载能力时，应充分考虑试验效应与原设计效应之间的比例关系(特别是在不进行原设计状况荷载试验的情况时)，避免参数取值不合理而导致结论失真甚至错误。

4.2.2 正常使用极限状态检算

在正常使用极限状态下，上部结构主梁挠度验算结果同时满足原设计标准和改造后设计标准的要求。

5 结语

(1)该桥整体技术状况较好，既有承载能力检算结果满足原设计标准。

(2)该桥在改造后设计荷载状况下(城-A级)，既有承载能力检算结果仍满足要求，但原结构富余度显著降低。

(3)该桥在不加固的情况下进行改造仍可满足目前的设计使用状况，但需对桥梁耐久性病害等进行维修处理，以保障结构的耐久性。

(4)若考虑远景发展趋势变化对桥梁运营使用的影响和桥梁现有承载能力富余度状况，可结合其他有关指数评估后决定是否对结构进行补强，以保证桥梁的安全可持续使用，同时减轻后期运营维护的压力。