受超高车辆撞击的钢筋混凝土空心板桥抗弯承载力评定*

2022-08-09陈刚郭学庆吕松刚李星

公路与汽运 2022年4期

陈刚，郭学庆，吕松刚，李星

(1.邵阳县公路建设养护中心，湖南邵阳 422100；2.长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙 410114)

跨线立交桥是现代交通的重要组成部分。由于驾驶员的违章驾驶、粗心大意或路政管理体系不健全忽略了路段超高限制，车辆在立体交叉处撞击立交桥上部结构的事故屡有发生。已有学者对桥梁结构受撞现象进行了研究，如何水涛等通过模型试验和有限元模拟得出钢筋混凝土T梁桥在超高车辆撞击下可能产生局部破坏；周杰峰、陆新征等通过车-梁撞击模型进行非线性有限元分析，得出车-桥碰撞损伤取决于车辆的刚度和撞击冲量大小，车辆刚度一定的情况下，汽车撞击冲量越大，对主梁损伤也越大；王向阳等对车-桥墩碰撞进行了有限元模拟分析；段敏等对船舶撞击桥梁的分析方法进行了归纳总结。上述研究均仅限于理论计算。该文依托一座受超高车辆撞击的钢筋混凝土空心板桥，根据实测技术参数，通过MIDAS/Civil模拟，评估其受损后抗弯承载力，为受超高车辆撞击的桥梁抗弯承载力评定提供借鉴。

1 工程概况

某桥上部结构为13 m+16 m+13 m三跨钢筋混凝土简支空心板，全长49.4 m，桥面宽度为0.5 m栏杆+8.0 m行车道+0.5 m栏杆=9.0 m(见图1)。每跨由9片空心板组成，每片空心板的宽度和高度分别为99.5 cm、70 cm，采用C40混凝土。空心板尺寸见图2。桥梁下部结构为双柱式桥墩，浆砌块石台身及钢筋混凝土台帽重力式桥台。桥梁荷载等级为公路-Ⅱ级。

图1 桥型布置

2 桥梁材质状况和状态参数检测

依据JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》、JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》对该桥第2跨钢筋混凝土空心板的材质状况和状态参数进行检测。

2.1 桥梁受损情况

该桥第2跨受桥下通行超高车辆撞击，造成2-9#空心板断裂(见图2)，纵向距离1#桥墩0.50～15.50 m处、横向距离2-8#与2-9#空心板之间铰缝0.0～0.99 m处底板混凝土剥落，最大深度为50 cm，且有8处主筋和62处箍筋外露、锈蚀和断裂，主筋、箍筋露筋长度分别为1.30～15.00 m、0.08～0.85 m。

图2 空心板尺寸示意图(单位：cm)

图3 受撞后2-9#空心板损伤情况

2.2 混凝土及钢筋强度

使用回弹仪对第2跨钢筋混凝土空心板的混凝土强度进行检测，测试10个测区，第2跨空心板的混凝土强度实测平均值和实测推定值分别为54.0 MPa、51.3 MPa。空心板设计采用C40混凝土，第2跨空心板的混凝土平均强度匀质系数Kbm和推定强度匀质系数Kbt分别为1.35、1.28，混凝土强度状态为良好，评定标度值为1。

在2-9#空心板被撞破损底面截取2根纵向主钢筋，量测其直径，直径平均值为25.0 mm。对钢筋进行拉伸试验，第1根钢筋的屈服强度、极限强度分别为342.6 MPa、536.0 MPa，第2根钢筋的屈服强度、极限强度分别为343.2 MPa、538.4 MPa。

2.3 混凝土保护层厚度和碳化深度

采用钢筋扫描仪对第2跨空心板进行混凝土保护层厚度检测，每片空心板检测10个测点；采用酚酞溶剂和游标卡尺对第2跨空心板进行碳化深度检测，每片空心板检测1个测点。检测结果见表1。

表1 混凝土保护层厚度和碳化深度检测结果

空心板的混凝土保护层厚度设计值为30 mm。由表1可知：该桥第2跨空心板的混凝土保护层厚度特征值Dne/设计值Dnd为0.41～0.62，对结构钢筋耐久性有较大影响，混凝土保护层厚度评定标度值为5；混凝土碳化深度实测值均远小于混凝土保护层厚度实测值，评判标度值为1。

此外，采用钢筋扫描仪对第2跨空心板的纵向主钢筋数量及间距进行检测，每片空心板的主钢筋数量为12根，其中底缘第1层为10根，相邻钢筋中心间距为10 cm，两侧主钢筋上方各叠放1根。

2.4 钢筋锈蚀电位

采用钢筋锈蚀检测仪对第2跨空心板进行钢筋锈蚀电位检测，共检测25个测点，检测结果见表2。

表2 第2跨空心板钢筋锈蚀电位检测结果

由表2可知：第2跨空心板钢筋锈蚀电位的评定标度值为3，有锈蚀活动性，且发生锈蚀的概率大于90%。

2.5 桥梁结构自振频率

通过计算，第2跨空心板的理论计算频率fdi为5.107 0 Hz。在第2跨空心板跨中截面桥面上布置加速度传感器测试自振频率，结果见图4。

图4 第2跨空心板自振频率测试结果

由图4可知：第2跨空心板实测自振频率fmi为6.660 5 Hz，fmi与fdi的比值为1.30，自振频率评定标度值为1。

3 桥梁技术状况评定

根据JTG/T H21—2011《公路桥梁技术状况评定标准》，当主要部件评分达到4类或5类且影响桥梁安全时，可按照桥梁主要部件最差全损状况评定。2-9#空心板被车撞击后发生断裂，主要部件空心板达到5类且影响结构安全，按照桥梁主要部件最差缺损状况评定为5类桥。

4 基于检测结果的抗弯承载力评定

4.1 系数计算

该桥处于干燥、不冻、无侵蚀性介质的环境条件，依据JTG/T J21—2011《公路桥梁承载能力检测评定规程》，混凝土电阻率和氯离子含量根据实桥情况可不检测，评定标度值取1。使用线性内插法对第2跨空心板的承载力检算系数Z1、承载力恶化系数ξe、配筋混凝土结构截面折减系数ξc和钢筋截面折减系数ξs进行计算或确定，结果见表3～5。

表3 承载力检算系数Z1计算

表4 承载力恶化系数ξe计算

表5 截面折减系数ξc、ξs计算

4.2 抗弯承载力评定计算公式

配筋混凝土桥梁承载能力极限状态鉴定方法规定的承载能力计算公式为：

γ0S≤R(fd,ξcadc,ξsads)Z1(1-ξe)

(1)

式中：γ0为结构的重要性系数；S为荷载效应函数；R(·)为抗力效应函数；fd为材料强度设计值；adc为构件混凝土几何参数值；ads为构件钢筋几何参数值。

4.3 有限元模型建立

采用铰接板法计算汽车荷载的横向分布系数，得2-1#～2-9#空心板的荷载横向分布系数分别为0.247、0.247、0.245、0.242、0.236、0.242、0.245、0.247、0.247。选取受力最不利的2-9#空心板进行分析，采用MIDAS/Civil建立有限元计算模型，采用梁单元模拟，划分为32个单元、35个节点(见图5)。边界条件如下：一端为铰接支座，另一端为活动支座。

图5 有限元计算模型

4.4 计算结果分析

根据JTG 3362—2018《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》、JTG D60—2015《公路桥涵通用设计规范》对2-9#空心板的承载能力极限状态进行组合，在公路-Ⅱ级荷载作用下，荷载效应组合弯矩包络图见图6。采用Z1、ξe、ξc、ξs对抗弯承载力进行修正，2-9#空心板跨中截面的抗弯承载力分析结果见表6。