简支梁桥试验检测技术的应用

周志华 付洄运

1 概述

随着公路大规模建设的开展,桥梁数量迅猛增长,由于使用荷载、环境因素以及结构本身缺陷等的作用,桥梁使用性能退化、承载力不足、适应性不够,已成为世界各国普遍关心的问题,而通过先进、适用、有效的方法对桥梁结构进行合理的试验检测与诊断评定是对在用桥梁进行预防性养护管理,科学维修加固的重要手段。京山桥为位于南昌—高坊岭一级公路上的一座小桥,南昌—高坊岭一级公路是江西省第一条一级公路,于 1989年9月建成通车,是南昌市区直接联通向塘机场和向塘火车站,并通往赣南、赣东的一段主干路。随着南昌市场经济日益繁荣和交通量的逐年剧增,省交通运输厅和市政府决定拓宽南高线,对南高线分期分段实施线路改造。京山小桥需要将中央分隔带取消达到增加行车道的宽度,为全面了解和科学评定京山小桥的现有状况,为本次改扩建工程设计提供科学决策依据,对京山小桥进行全桥检测。

2 工程概况

京山小桥全桥长 29.14m,上部构造采用 2-13m预应力空心板结构;下部构造采用桩柱式桥台,桥墩采用柱式墩,墩台均采用钻孔灌注桩基础,钻孔桩内力按 m法计算。桥梁设计荷载标准及主要技术指标:车辆荷载等级为汽车—超 20级设计、挂车—120验算;桥面净宽:2×净 9m;桥面纵坡:0%,桥面横坡为双向 1.5%小桥。

上部结构材料:1)混凝土:13m跨径预应力混凝土空心板、铰缝均采用 40号混凝土。桥面铺装采用 40号防水混凝土,人行栏杆采用 20号混凝土。2)预应力钢绞线:采用 φj15、标准强度15000 kg/cm松弛钢绞线。3)普通钢筋:直径不小于 10mm者采用Ⅱ级钢筋,直径不大于 10mm者采用Ⅰ级钢筋。4)其他:伸缩缝采用 40型伸缩缝,支座采用 140mm×140mm×42mm橡胶支座。

下部构造材料:1)混凝土:盖梁、台帽、桩柱式墩身、柱式台身、耳背墙、搭板采用 25号混凝土,桩基础采用 25号水下混凝土。2)普通钢材同上部结构。3)其他锥坡及防护采用 7.5号浆砌片石及砂砾垫层。石料标号不小于 30号。

3 桥梁试验检测

3.1 外观检测

桥梁结构外观检测主要检查主梁混凝土、锥坡、墩台及基础、支座、桥面铺装、伸缩缝、桥面排水系统、人行道及护栏等。

桥梁外观检查评定:1)桥面铺装层混凝土基本完好;伸缩缝橡胶及型钢无异常变形。2)从全桥来看,主梁混凝土外观质量总体较差,混凝土侵蚀严重,露筋现象较少。3)全桥大部分支座工作状态正常,大部分支座的钢板锈蚀,必须进行维修或更换。4)锥坡总体良好;墩台混凝土质量总体良好。5)小桥栏杆基本损坏,人行道铺砌大部分塌陷,坑槽。桥头照明设施基本完好。

综上所述,由专家小组认定京山小桥上部构件功能与材料均较差,下部构造功能与材料较好,存在有局部轻度缺损;次要部件功能较差,材料有较多中等缺损。小桥外观检查综合评定为较差状态。

3.2 混凝土无损检测

3.2.1 超声—回弹检测及碳化深度检测结果与分析

为检测该桥各构件现龄期混凝土强度,现场检测时,选取了全部构件中有代表性构件进行超声回弹综合法无破损质量检测。检测工作抽检频率均严格按规范规定的不少于全部构件中的30%进行测试。测区选取有代表性位置如:支座两支点,L/4,L/2,3L/4处等,在每个构件上均匀布置 10个测区,每个测区内各采取 16个回弹值和 3个超声声速值,将测得的数据进行分析处理,得出现龄期混凝土强度推定值,主梁混凝土平均强度值,墩柱、盖梁、耳墙、台帽混凝土平均强度值。

3.2.2 混凝土无损检测评定

对全桥主梁、墩柱、盖梁、台帽、耳墙等结构构件进行超声回弹综合检测的结果表明:各种构件的混凝土强度符合设计要求,其中主梁混凝土绝大部分强度大于 40MPa,平均值强度为 42.54MPa,碳化深度为0.5mm;实测墩柱混凝土强度为 28.70MPa,碳化深度为 0.0mm;盖梁、台帽、耳墙实测混凝土强度分别为 36.70MPa,35.30MPa,33.80MPa,碳化深度为 0.0mm,推定混凝土强度均达到设计文件要求。对全桥主梁、墩柱、盖梁、台帽、耳墙等结构构件进行的钢筋保护层厚度检测表明:除主梁露筋区域外,实测主梁保护层厚度最大值为5.1 cm,最小值为 4.2 cm,符合规范要求;实测墩台保护层厚度最大值为 6.3 cm,最小值为 3.7 cm,盖梁保护层厚度最大值为 5.4 cm,最小值为 3.8 cm,均符合设计文件及相关规范要求。

3.3 静荷载试验

3.3.1 试验控制荷载和控制断面

试验控制荷载时根据桥梁设计图纸采用各种通用的有限元程序建立平面或空间有限元模型,结合规范及设计要求计算确定。综合试验荷载效率 η与设计荷载的等效性、车辆的机动性等选择加载车型。京山桥为双幅预应力混凝土简支空心板梁桥,试验桥跨选择通行压力较大的桥幅进行。控制断面为跨中断面的梁底正应力、跨中断面的挠度、支座沉降。

3.3.2 静荷载试验的测点布置

试验桥跨每片梁的跨中梁底位置均布置有应变测点,测点共计 12个;试验桥跨每片梁的跨中梁底位置及桥墩支座附近位置均布置有挠度测点,测点共计 24个。

3.3.3 静荷载试验的加载程序和车位

本次试验车辆选用2辆自卸重车。1)跨中偏载正弯矩工况:加 1级:一列一辆重车(1号)加载;加 2级:两列两辆重车(1号,2号)加载。2)跨中对称正弯矩工况:加 1级:一列一辆重车(1号)加载;加 2级:两列两辆重车(1号,2号)加载。

3.3.4 数据汇总与评定

1)应力值和挠度值与理论计算值的比值评定。校验系数 η是评定结构工作状况、确定桥梁承载能力的一个重要指标。一般要求 η值不大于 1,η值越小,结构的安全储备越大。在试验荷载作用下,最大应力校验系数和最大挠度的校验系数虽在容许范围之内,但接近于容许值的上限,说明该桥的安全储备不够。2)实测残余挠度值Sp与实测挠度值Stat的比值评定。根据实测资料可知,跨中控制截面的实测残余挠度值与最大实测挠度值的比值均满足《大跨径混凝土桥梁的试验方法》中第 3.19条 Sp/Stat≤20%要求。3)静荷载试验评定。通过理论分析与现场试验数据对比,静荷载试验结果评定如下:依据《公路旧桥承载能力检定方法》规定,预应力混凝土桥应力校验系数范围为 0.60～0.90,挠度校验系数范围为 0.70～1.00,在本次试验荷载作用下,最大应力校验系数为 0.95和最大挠度校验系数为 0.93,其中最大应力校验系数超出《公路旧桥承载能力检定方法》要求范围,最大挠度校验系数值接近容许上限值,说明该桥的安全储备较小。

4 问题与建议

4.1 问题

1)该桥病害情况较严重,功能降低,进一步恶化将不利于重要部件使用,并影响正常交通,上部部分重要构件(梁板)存在裂缝超出限值的情况,属于功能性病害。根据《公路桥涵养护规范》中的桥梁技术状况评定标准,评定该桥为三类桥。2)最大应力校验系数超出《公路旧桥承载能力检定方法》要求范围,最大挠度校验系数值接近容许上限值,说明该桥的安全储备较小。3)该桥的交通量大,超载超限车辆多,且该桥位于红绿灯路口处,长期处于满布车辆荷载状况,若将行车道拓宽为三车道很难满足“正常使用极限状态”和“承载能力极限状态”的要求。

4.2 建议

1)外观检测发现,梁底混凝土外观质量较差、质地酥松,部分梁体存在裂缝、钢筋锈蚀、梁体内漏水等病害;静荷载试验结果也表明桥梁安全储备较小,如需对车道进行拓宽改造则建议通过加固提高主梁的整体承载能力或更换主梁以确保结构安全。2)建议更换第一跨:1号,20号,21号梁;第二跨:1号梁等病害较严重梁体。3)对变形和开裂的支座进行更换。4)对人行道板及栏杆进行更换。5)加强对桥梁的日常维护与常规检查。

5 结语

通过本文的实例,明确了旧桥梁结构的维修和改造都需要事先对结构状况进行检测与评价,阐明了桥梁结构静荷载试验是对桥梁结构物工作状态进行直接测试的一种鉴定手段。随着道路交通建设的发展,以及桥梁使用年龄的增长,结构老化的数量越来越多。旧桥梁结构的维修和改造都需要事先对结构状况进行检测与评价。虽然目前已有不少可以应用的检测评价方法,但有些技术仍需进一步完善才能达到普遍应用的阶段。因此,桥梁结构静荷载试验技术变得越来越重要了。

[1]JTGD62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

[2]JTGF80/1-2004,公路工程质量检验评定标准[S].

[3]JTGH11-2004,公路桥涵养护规范[S].