馮瑩，韓振國，孫舒

（泰州職業(yè)技術(shù)學院，江蘇 泰州 225300）

0 引言

近些年，在橋梁服役過程中，由于交通量的急劇增加和大量新型車輛的出現(xiàn)，部分道路的通行能力已無法滿足實際需求，需要進行升級改造，以提高荷載等級和通行能力。因此，采用合理且經(jīng)濟的承載能力評定方法對現(xiàn)役橋梁的承載能力進行評估，是確保橋梁安全運營的重要保障[1-2]。

以某沿海原二級公路改造升級為背景，評估其沿線上某座預應力系桿拱橋現(xiàn)有承載能力是否滿足公路Ⅰ級新標準要求，并提出合理化建議。

1 橋梁概況

某橋位于江蘇省連云港市灌南縣境內(nèi)，2005年建成通車，全長256 m。主橋為一跨56 m預應力混凝土下承式系桿拱橋，拱肋軸線為二次拋物線，矢跨比為1/5。鋼筋混凝土拱肋采用B×H=1.1 m×1.2 m的工字型斷面，在拱腳處變?yōu)榫匦谓孛?，預應力混凝土系桿采用B×H=1.1 m×1.6 m的工字型斷面，在拱腳處變?yōu)榫匦谓孛?。全橋共設11對吊桿，吊桿鋼套管為熱軋45號無縫鋼管，間距4.6 m。橋面總寬為13 m。該橋原設計荷載等級為汽車20級，掛車100級，現(xiàn)運行道路荷載等級為公路Ⅰ級。主橋立面及橫斷面如圖1所示。

圖1 主橋立面、橫斷面（單位：cm）

2 橋梁檢查結(jié)果

2.1 主橋缺損狀況檢查結(jié)果

在對橋梁進行常規(guī)檢測中，發(fā)現(xiàn)主橋吊桿鋼套筒表面防銹涂層脫落，銹蝕較嚴重；橫撐局部露筋銹蝕；行車道板有1處破損露筋；板式橡膠支座存在脫空、開裂等病害，其中主橋支座脫空共3個，支座嚴重開裂共7個，支座剪切變形共4個；主橋一側(cè)橋墩伸縮縫閉合，另一側(cè)伸縮縫破損嚴重、型鋼缺失，主橋橋面有2條橫向裂縫，跨中有1處破損。

2.2 無損檢測結(jié)果

在主橋無損檢測中對系梁、橫梁及拱肋進行混凝土強度檢測和鋼筋保護層厚度抽檢，對照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）[3]得到以下結(jié)果：

（1）混凝土實測強度、碳化深度評定標度為1。

（2）鋼筋保護層厚度檢測評定標度為1。

2.3 主橋線形測量結(jié)果

采用水準儀對橋面線進行測量，從圖2可以看出，主橋整體平順，未見明顯下?lián)匣蛲蛔?，橋梁使用狀況尚好。

圖2 橋面實測線形圖譜

根據(jù)橋梁現(xiàn)場檢查結(jié)果，對照《公路橋梁技術(shù)狀況評定標準》（JTG/T H21—2011）[4]相關(guān)規(guī)定，主橋上部結(jié)構(gòu)評分為82.7，技術(shù)狀況評定等級為2類；下部結(jié)構(gòu)評分為87.7，技術(shù)狀況評定等級為2類；橋面評分為70.8，技術(shù)狀況評定等級為3類；得出主橋總體評分為82.3，總體技術(shù)狀況評定等級為2類。

3 橋梁荷載試驗

3.1 靜載試驗結(jié)果

根據(jù)橋梁現(xiàn)場調(diào)查及施工圖紙，利用有限元分析軟件Midas/Civil 2019建立主橋的計算模型，如圖3所示，并對其原設計荷載（汽車20級，掛車100級）作用下的受力進行分析。根據(jù)主橋受力特點，選取拱肋L/2附近截面、拱肋L/4附近截面、拱腳附近截面、系桿L/4附近截面作為主要測試截面，主橋系桿拱橋靜載試驗測試截面布置如圖4所示。

圖3 主橋計算模型

圖4 測試截面布置（單位：cm）

根據(jù)《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTGT J21—01－2015）[5]的要求，主橋靜載試驗工況和對應測試內(nèi)容見表1，各截面的加載控制值滿足規(guī)范要求，靜載試驗荷載效率ηq在0.95～1.03范圍內(nèi)。試驗過程中，加載車輛按《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）[6]要求布置。所得靜載試驗結(jié)果如下：

表1 靜載試驗工況及測試內(nèi)容

（1）主橋控制斷面主要撓度測點撓度校驗系數(shù)范圍為0.83～0.95，均小于1.0，滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21—01—2015）[7]的要求。

（2）主橋控制斷面主要應力測點系桿應力校驗系數(shù)范圍為0.55～0.8，拱肋應力校驗系數(shù)范圍為0.62～0.92，均小于1.0，滿足《公路橋梁荷載試驗規(guī)程》（JTG/T J21—01—2015）[7]的要求。

（3）卸載后，主橋控制斷面主要測試點的相對殘余撓度和應變＜20%，說明主橋上部結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

3.2 動載試驗結(jié)果

對主橋進行的動載試驗包括脈動試驗與跑車試驗。脈動試驗過程中，測試了主橋結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等動力特性。采用有限元計算軟件Midas/Civil 2019對主橋進行動力特性分析，理論計算頻率與實測頻率比較見表2。跑車試驗是在主橋跨中截面位置布設豎向拾振器，測試主橋在一輛重約320 kN的標準車下以車速為10 km/h、20 km/h、30 km/h、40 km/h作用下的動態(tài)振動響應，根據(jù)測試結(jié)果計算得到的實測沖擊系數(shù)見表3。

表2 理論計算頻率與實測頻率比較

表3 不同車速激振下沖擊效應分析

動載試驗結(jié)果如下：

（1）自振頻率實測值大于理論計算值，實測前兩階振型與理論振型相一致，表明上部結(jié)構(gòu)整體剛度大于理論剛度。

（2）實測沖擊系數(shù)小于規(guī)范計算值，表明上部結(jié)構(gòu)的動力性能較好，車輛正常行駛對橋梁的沖擊效應滿足設計要求。

通過主橋靜動載試驗可知：在原設計荷載（汽車20級，掛車100級）作用下，主橋上部結(jié)構(gòu)的整體剛度滿足要求，并且處于彈性工作狀態(tài)，在原設計荷載的作用下，主橋可以正常運營。

4 橋梁承載力能力檢算

對主橋進行承載能力檢算是按《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）中現(xiàn)荷載標準（公路I級，二車道計）進行，計算過程中計入承載能力檢算系數(shù)Z1、Z2、承載能力惡化系數(shù)系數(shù)ξe、構(gòu)件截面折減系數(shù)系數(shù)ξc和鋼筋截面折減系數(shù)ξs，以評定主橋在現(xiàn)荷載等級為公路I級情況下，能否正常工作。

4.1 檢算方法

依據(jù)《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/TJ21—2011）配筋混凝土橋梁承載能力評定有：

（1）承載能力極限狀態(tài)，應根據(jù)檢測結(jié)果按照式（1）進行計算評定：

（2）正常使用極限狀態(tài)

正常使用極限狀態(tài)宜按現(xiàn)行公路橋涵設計和養(yǎng)護規(guī)范及檢測結(jié)果分以下三方面進行計算評定：

①限制應力：

②荷載作用下的變形：

③各類荷載組合作用下裂縫寬度滿足：

以上具體參數(shù)定義可參考《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）第7.3節(jié)。

4.2 檢算系數(shù)

根據(jù)橋梁檢測和荷載試驗結(jié)果，按照《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》（JTG/T J21—2011）確定，主橋承載力檢算判式中的各系數(shù)取值匯總見表4。

表4 承載能力檢算判式中的各系數(shù)取值匯總表

4.3 承載能力檢算結(jié)果

采用有限元計算軟件Midas/Civil 2019進行計算，考慮自重、二期恒載、汽車荷載、人群荷載、溫度荷載等作用，并按照實際檢測成果（結(jié)構(gòu)尺寸、材料強度）對橋梁進行建模計算。

4.3.1 承載能力極限狀態(tài)計算結(jié)果

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG3362—2018）要求，對主橋的系桿、拱肋、中橫梁、端橫梁和吊桿進行承載能力極限狀態(tài)下的抗力驗算，采用有限元計算軟件Midas/Civil 2019計算，結(jié)果如圖5所示，主橋構(gòu)件在承載能力極限狀態(tài)下的計算結(jié)果見表5。

圖5 承載能力極限狀態(tài)計算圖譜

表5 承載能力極限狀態(tài)檢算結(jié)果

4.3.2 正常使用極限狀態(tài)計算結(jié)果

按照《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》（JTG 3362—2018）要求，采用有限元計算軟件Midas/Civil 2019計算了在正常使用極限狀態(tài)下，主橋的系桿、中橫梁抗裂驗算和撓度驗算，計算結(jié)果如圖6所示。結(jié)合承載能力極限狀態(tài)檢算判式，主橋構(gòu)件在正常使用極限狀態(tài)下的計算結(jié)果見表6。

圖6 正常使用極限狀態(tài)計算圖譜

表6 正常使用極限狀態(tài)檢算結(jié)果

4.3.3 構(gòu)件的應力計算結(jié)果

按照規(guī)范要求，采用有限元計算軟件Midas/Civil 2019對系桿、中橫梁進行應力驗算，按全預應力混凝土構(gòu)件，計算使用階段正截面法向壓應力與斜截面主壓應力，計算結(jié)果如圖7所示。結(jié)合根據(jù)承載能力極限狀態(tài)檢算判式，系桿、中橫梁的應力計算結(jié)果見表7。

表7 構(gòu)件的應力計算結(jié)果匯總

圖7 構(gòu)件應力計算

通過對該主橋上部結(jié)構(gòu)進行承載能力檢算評定，在考慮檢算系數(shù)的影響下，得到結(jié)論有：

（1）主橋拱肋和系桿承載能力均滿足公路I級荷載要求；中橫梁、端橫梁及吊桿承載能力均不滿足公路I級荷載要求。

（2）系桿和橫梁的正截面抗裂均滿足公路I級荷載要求，但斜截面抗裂不滿足公路I級荷載要求。

（3）主橋變形滿足規(guī)范要求。

（4）系桿和橫梁壓應力均滿足公路I級荷載要求。

5 結(jié)論

（1）該橋運營了約15 y，橋梁整體狀況尚好，對于檢測中發(fā)現(xiàn)的主橋吊桿鋼護筒銹蝕部位應進行除銹防銹處理；對拱肋應重新涂刷涂層；破損嚴重的伸縮縫和開裂嚴重的支座應全部更換；混凝土破損露筋及存在裂縫的部位應進行修補和封閉處理。

（2）基于荷載試驗對該橋承載能力進行評估，該橋滿足原設計荷載（汽車20級，掛車100級）使用要求。

（3）該橋在現(xiàn)運行道路荷載等級（公路Ⅰ級）下，承載能力極限狀態(tài)檢算結(jié)果不能滿足要求。

（4）受限于建造時期經(jīng)濟水平及交通量增長預期，該橋原設計富余量在不采取任何措施的情況下無法提高荷載等級。但考慮拆除重建橋梁需要花費大量人力、物力和財力，建議對該橋進行維修加固后再利用。

（5）預應力混凝土系桿拱橋承載能力的檢測與評估是一項復雜且綜合性的項目，需綜合考慮其工程背景、區(qū)域規(guī)劃、理論模型和實際工作狀態(tài)，才能對其作出科學客觀的評價與建議，在節(jié)約資源的情況下，保證橋梁的安全運營。