大跨径预应力混凝土连续刚构桥承载能力评定技术研究

摘要 随着高速公路的迅速发展和运营时间的增加，既有桥梁在运营过程中出现了各种结构问题，有必要对桥梁进行分析从而准确判明桥梁构件的损伤程度及原因，保证桥梁结构安全。文章在对一座大跨径预应力混凝土连续刚构桥进行技术状况评定的基础上，按照相关规范引入各种检算系数，利用有限元软件建立计算模型，对桥梁进行了承载能力评定，可以为公路管养部门进行桥梁养护科学决策提供强有力的技术支持和服务。

关键词 桥梁；构件损伤；结构安全；检算；有限元

中图分类号 U441 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）13-0043-04

0 引言

随着国家在交通领域的投入持续加大，高速公路里程在快速增加，桥隧比也在持续增大。大跨径桥梁作为路线的控制性工程，在工程建设中起着关键性作用[1]。对于重载交通的路段，交通量与日俱增，桥梁由于长期的超负荷运营，出现了各种结构问题。对于某些表面结构问题，往往只是影响桥梁结构的耐久性，通过维修处置就可以消除；而对于结构性损伤，会影响桥梁结构的承载能力，造成承载能力不能满足原设计荷载等级要求，影响桥梁结构安全，对运营路线造成安全隐患。通过桥梁承载能力的评定，可以为公路管养部门进行桥梁养护科学决策提供强有力的技术支持和服务[2-3，6]。

1 工程概况

某特大桥为84 m+4×152 m+84 m六跨预应力混凝土变截面连续刚构桥，桥梁全长783 m；分左右幅，桥面宽24.5 m，上部结构截面形式为单箱单室箱形梁，下部结构1～4号桥墩墩梁固结，采用双薄壁空心墩，5号桥墩采用薄壁空心墩。桥台采用轻型埋置式桥台，基础采用扩大基础。桥面铺装采用沥青混凝土，汽车荷载等级为公路-Ⅰ级，该桥于2010年12月建成通车。

2 桥梁缺损与材质状况检测评定

2.1 桥梁缺损检测与评定

该桥在历年定期检查中发现的主要问题为：桥面铺装存在纵向裂缝、坑洞、破损；上部承重构件存在横向裂缝、斜向裂缝、纵向裂缝，其中顶板渗水较严重。

2023年桥梁外观检查中发现桥面铺装病害数量比2022年有所增加，上部承重构件腹板存在横向裂缝、斜向裂缝、纵向裂缝的数量有所增加，顶板渗水病害数量有所减少。

按照《公路桥梁技术状况评定标准》（JTG/T H21—2011）[4]对该桥进行桥梁技术状况评定：2021年左幅和右幅桥梁技术状况等级均评定为3类；2022年对桥梁病害进行了维修处置，左幅和右幅桥梁技术状况等级均评定为2类；2023年左幅和右幅桥梁技术状况等级均评定为2类，其中桥梁上部结构技术状况评定为3类，桥梁下部结构技术状况评定为1类，桥梁桥面系技术状况评定为3类。

该桥2023年的左幅和右幅桥梁技术状况等级分数均较2022年有所降低，分析原因如下：竖向裂缝、斜向裂缝主要原因有预应力孔道注浆不密实，长期运营导致预应力损失；运营期超载车辆和重车较多。纵向裂缝主要原因有预应力管道注浆不密实，积水冻胀引起开裂；钢筋保护层厚度过薄，导致沿钢筋方向出现裂缝。顶板渗水主要原因有防水层破损失去保护作用；顶板混凝土浇筑不密实，在行车作用下出现开裂，导致降水从桥面防水层的开裂处渗入。

2.2 桥梁材质强度检测与评定

采用全自动数显回弹仪，选择主梁、桥墩进行检测。上部结构选取6个构件，下部结构选取5个构件，共110个测区进行回弹检测。测试的11个构件混凝土强度的实测推定值大于设计值，评定标度值均为1，测试结果表明测试的各构件混凝土强度状况良好。

2.3 混凝土桥梁钢筋锈蚀电位检测与评定

钢筋锈蚀电位检测采用半电池电位法，选择主梁、桥墩进行检测，按测区锈蚀电位最低值取值。上部结构选取6个构件，下部结构选取5个构件，每个构件选取20个测点。测试的11个构件的钢筋锈蚀电位评定标度均为1，测试结果表明测试的各构件钢筋锈蚀活动性为不确定或无锈蚀活动性。

2.4 混凝土桥梁氯离子含量检测与评定

在现场钻孔收集混凝土粉末后，采用滴定法进行混凝土的氯离子含量检测，选择在主梁及桥墩进行取样，上部结构选取6个构件，下部结构选取5个构件，每个构件选取3个测区。测试的11个构件的氯离子含量评定标度均为1，测试结果表明测试的各构件诱发钢筋锈蚀的可能性都很小。

2.5 混凝土桥梁电阻率检测与评定

混凝土电阻率采用四电极阻抗测量法进行测定，选择主梁、桥墩进行检测，按测区锈蚀电位最低值取值。上部结构选取6个构件，下部结构选取5个构件，每个构件选取30个测区。测试的11个构件的电阻率评定标度均为1，说明测试的各构件钢筋的锈蚀速率很慢。

2.6 混凝土桥梁碳化状况检测与评定

混凝土碳化深度测试位置与混凝土强度测试位置一致，上部结构选取6个构件，下部结构选取5个构件，每个构件选取3个测区。测试的11个构件的碳化深度平均值在1.0～3.0 mm之间，评定标度均为1，说明碳化深度对钢筋的锈蚀无影响。

2.7 混凝土桥梁钢筋保护层厚度检测与评定

混凝土钢筋保护层厚度应采用钢筋检测仪进行检测，选择在主梁及桥墩进行测试，上部结构选取6个构件，下部结构选取5个构件，每个构件选取10个测点。11个构件的钢筋保护层厚度评定标度在1～5之间，说明构件钢筋易失去碱性保护，引起锈蚀。

2.8 桥梁结构自振频率检测与评定

桥梁结构的自振频率不仅能够反映桥梁结构的刚度和受力状况，还能够反映桥梁结构的损伤程度。该次桥梁结构自振频率检测评定标度为1，表明该桥测试联的整体刚度较好。

3 桥梁承载能力检算相关参数

按照相关规范对混凝土桥梁进行配筋，在计算反映桥梁结构承载能力状态的抗力效应时，应根据测试结果引入计算得到的承载能力检算系数Z1或Z2、承载能力恶化系数ξe、混凝土截面折减系数ξc、钢筋截面折减系数ξs，活载影响修正系数ξq。承载能力的检算系数应依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）进行取值[5]。

3.1 承载能力检算系数Z1

按照相关规范，应考虑桥梁结构的表观缺损状态、材质强度和实测自振频率的检测评定结果，并根据检测结果确定结构的承载能力检算系数评定标度D，结果见表1所示，最后按照《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）计算承载能力的检算系数Z1。

根据承载能力检算系数评定标度D的取值，则Z1=1.13。

3.2 截面折减系数ξc

按照相关规范，根据材料风化结果、结构物理与化学损伤结果、结构混凝土碳化检测结果指标计算结构截面损伤的综合评定标度R，最后按照《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）计算截面折减系数ξc，结果见表2所示。

3.3 配筋混凝土钢筋截面折减系数ξs

对于配筋混凝土桥梁结构，应考虑桥梁结构的现有表观缺损状况、钢筋锈蚀情况，确定配筋混凝土钢筋的截面折减系数ξs。根据桥梁外观检查的评定结果，钢筋截面的折减系数ξs取值为0.98。

3.4 配筋混凝土桥梁承载能力恶化系数ξe

按照相关规范，对于配筋混凝土桥梁，应综合考虑桥梁结构表观缺损状况、钢筋锈蚀电位、混凝土电阻率、混凝土碳化情况、钢筋保护层厚度、氯离子含量等的测试结果、混凝土强度，确定配筋混凝土桥梁的承载能力恶化系数ξe，结果见表3所示。

按照《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011）恶化系数ξe为0.066。

3.5 活载影响修正系数ξq

根据调查的近年来通过该桥的典型代表交通量结果、大吨位车辆混入率结果和轴荷分布情况，该桥的活载影响修正系数ξq取值为1.06。

4 有限元计算模型与检算结果

4.1 有限元计算模型

该桥检算采用Midas Civil 2021桥梁专用计算软件建立的有限元模型进行计算，模型见图1所示。

依据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21—2011），对于预应力混凝土桥梁的承载能力极限状态应根据桥梁检测结果按照下式进行计算[6-7]：

γ0S≤R（ fd，ξcadc，ξsads）Z1（1−ξe） （1）

式中，γ0——结构的重要性系数；S——荷载效应函数；R（·）——结构的抗力效应函数；fd——结构材料的强度设计值；adc——结构构件混凝土的几何参数值；ads——结构构件钢筋的几何参数值。

4.2 主梁正截面抗弯检算结果

选取主梁最不利弯矩截面进行正截面抗弯的承载能力检算，根据承载能力检算公式，其内力组合值及对应截面抗力计算结果见表4所示。

由表4可知，主梁最不利截面抗弯检算结果的效应与抗力比值在0.58～0.77之间，说明主梁抗弯性能良好，满足规范要求。

4.3 主梁斜截面抗剪检算结果

主梁关键截面剪力组合值及对应截面抗剪承载能力计算结果见表5所示。

由表5可知，主梁关键截面抗剪检算结果的效应与抗力比值在0.59～0.81之间，说明主梁抗剪性能良好，满足规范要求。

4.4 正截面抗裂检算结果

按照相关规范，在短期作用效应组合下，全预应力混凝土构件应符合以下要求：对于分段浇筑的纵向分块构件：

σst−0.8σpc≤0 （2）

式中，σst——荷载作用短期效应组合下结构构件抗裂验算时，结构边缘的混凝土法向拉应力；σpc——扣除结构全部预应力损失后的预加力在构件抗裂验算时，结构边缘的混凝土预压应力。

根据检算结果，除梁端截面，主梁上缘和下缘均未出现拉应力，正截面抗裂满足相关规范要求。

4.5 斜截面抗裂检算结果

按照相关规范，在作用短期效应组合下，全预应力混凝土构件应符合下列条件：现场浇筑（包括预制拼装）构件：

σtp≤0.4×Z1×ftk （3）

式中，σtp——荷载作用短期效应组合和预加力产生的混凝土主拉应力；ftk——混凝土的抗拉强度标准值；Z1——承载能力检算系数。

根据检算结果，主梁主拉应力最大为0.386 MPa＜0.4×Z1×ftk=0.4×1.13×2.85 MPa=1.288 MPa，说明斜截面抗裂满足规范要求。

5 结论

在桥梁技术状况评定的基础上，按照相关规范，对桥梁缺损与材质状况进行了检测评定，并引入桥梁承载能力检算系数，利用有限元软件进行了建模计算，分别对主梁正截面抗弯、主梁斜截面抗剪、正截面抗裂、斜截面抗裂进行了分析，检算结果满足原设计荷载等级要求。

大跨径桥梁作为路线的控制性工程，在工程建设中起着关键性作用。随着交通量与日俱增，对于重载交通的路段，桥梁由于长期的超负荷运营，导致出现了结构性损伤，会影响桥梁的结构安全，对运营造成安全隐患。为此，应综合考虑桥梁现有技术状况，在桥梁结构出现严重病害且难以判明构件损伤原因及程度时，对其进行承载能力的检测评定[8]，可以为公路管养部门进行桥梁养护科学决策提供强有力的技术支持和服务。

参考文献

[1]冯永航. 服役公路桥梁承载能力评定探析[J]. 黑龙江交通科技， 2021（1）： 114-116.

[2]黄海彬， 廖海峰， 朱磊. 大跨度连续桥梁承载能力评估及病害分析[J]. 北方交通， 2022（1）： 9-12.

[3]姚方舟， 刘国梁， 龙军. 运营期桥梁承载能力评定方法研究[J]. 湖南安全与防灾， 2021（6）： 56-58.

[4]公路桥梁技术状况评定标准： JTG / T H21—2011[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[5]公路桥梁承载能力检测评定规程：JTG/T J21—2011[S]. 北京：人民交通出版社， 2011.

[6]吴秀娟. 某既有钢筋混凝土预应力桥梁承载能力评定研究[J]. 工程技术研究， 2023（23）： 14-16.

[7]王超. 高速公路桥梁承载能力检测评定技术[J]. 工程质量， 2023（6）： 95-98.

[8]公路桥涵养护规范： JTG 5120—2021[J]. 北京：人民交通出版股份有限公司， 2021

收稿日期：2024-02-22

作者简介：魏鑫（1983—），男，硕士，高级工程师，研究方向：工程结构检测及分析应用。

基金项目：山西省交通建设工程质量检测中心（有限公司）科技创新项目“既有大跨径连续刚构和连续梁桥病害成因分析及维修加固技术研究”（23-JCKJ-01）；山西工程科技职业大学校级基金“三维激光点云智能建造技术研究与应用”（KJ202320）。