预应力混凝土空心板桥地震后结构能力评估

曾定红

(1.长沙理工大学交通运输学院;2.新疆生产建设兵团公路基本建设工程质量安全监督站)

南疆线K1291+666.5处伽师总场公铁立交跨线简支梁预应力混凝土空心板桥，桥位跟兵团第三师伽师总场约17 km，该桥上跨南疆铁路库尔勒-喀什段K1291+666.5处，桥梁全长54.64 m，桥宽组合为净11 m(行车道)+2×0.5 m(防撞护栏)。每孔横向布置9块板，全桥共27块板，桥面铺装为8 cm沥青混凝土+10 cm C40钢筋混凝土，桥面设双向2.0%的横坡。在两桥台处各设置了一道GQF-C60型伸缩缝。下部结构为三柱式桥梁、肋板式桥台，钻孔灌注桩基础，板下设置四氟滑板支座36个，普通橡胶支座72个。桥下净高7.5 m，桥梁设计荷载为公路II级，抗震设防为VII度。该桥于2010年9月建成通车，2011年8月11日18点06分，喀什地区伽师县发生里氏5.8级地震，震中跟本桥距仅13 km，震后该桥出现桥梁墩台抗震挡块破碎、桥梁整体以跨中为中心发生逆时针方向水平转动致使伸缩缝处错位约5 cm等病害。为明确掌握此桥可能存在的安全隐患以及当前的实际技术状况，确保公路、铁路交通运输安全，因此，必须对此桥结构能力进行评估。

1 桥梁技术状况检测

1.1 桥梁一般检查、分析

全桥技术状况等级评定，采用考虑各部件权重的综合评定方法，具体评定方法参见《公路桥涵养护规范》，本桥各部件权重及其相应得分和总体质量状况评定见表1。综合评定采用下列算式:

Dr=1-RiWi/5

式中:Ri为表中的最终评定标度，Wi为各部件权重，Dr为全桥结构技术状况评分。

经计算该桥结构技术状况评分Dr=51.8，根据《公路桥涵养护规范》(JTG H11-2004)第3.5.2条，本桥综合评定为三类桥，处于较差状态。

表1 各部件权重及其相应得分和总体质量状况评分Dr

续表1

1.2 桥梁详细、特殊检查、分析

(1)桥梁整体平面转动。根据施工图设计资料，并实测桥面几何尺寸进行对比分析，以掌握在地震灾害作用下桥梁外部整体的变化，为后期病害分析和评定提供依据。经实测，桥梁整体以跨中为中心发生逆时针方向水平转动致使伸缩缝处错位约5 cm，计算实际转角约为0°7'34″。据测算，若实际转角超过3°19'07″，则可能直接导致落梁的重大事故。桥梁起始落梁、实测状态平面图如图1。

图1 桥梁起始落梁、实测状态平面图

(2)表层混凝土强度和碳化检测。应用超声回弹综合法分别检定桥台盖梁、空心板、桥墩系梁和桥墩墩身立柱混凝土强度。预应力空心板采用C40混凝土，下部结构采用C35混凝土，利用全国通用测强曲线推求的各测区混凝土的推定强度如表2。实测数据混凝土强度推定值均大于设计值，该桥主要受力构件混凝土强度等级能够达到设计要求。经检测，该桥主要构件碳化深度标度值均为1，对保护层保护钢筋效能无影响或轻微影响。

(3)裂缝测定。采用裂缝测宽仪和测深仪测定裂缝宽度、深度。除桥梁墩台抗震挡块已严重开裂、破损失效外，其余各处裂缝宽度基本小于规范允许值，但裂缝数量较多，严重影响结构耐久性。主要构件最大裂缝数据见表3。

表2 各测区混凝土的推定强度

表3 主要构件最大裂缝数据

(4)混凝土保护层厚度及钢筋偏位、钢筋锈蚀检测。采用电磁检测方法对混凝土结构内部的钢筋直径、间距及保护层状况进行无损检测，经测试，主要承重构件钢筋的混凝土保护层基本满足原设计的构造要求，钢筋直径及数量与设计相符，钢筋偏位较小。采用半电池电位法对钢筋的可能锈蚀状况进行评定，主要承重混凝土构件钢筋的测试电位差值除1号板端部测区电位水平均值为-217 mv，发生锈蚀的概率小于10%，可能有轻微锈蚀外，其余被检测位置电位水平平均位于-200～0 mv之间，所测构件钢筋无锈蚀。

2 桥梁静载、动载试验

2.1 静载试验

对桥梁空间计算模型在不同工况下加载，得出桥梁在等效设计荷载下的应力分布情况，通过和实测值进行比较分析，判断桥梁在日常运营状态下的承载能力是否满足设计要求。

(1)测试内容。①跨中截面在可变荷载作用下最不利正弯矩效应的偏心加载试验;②跨中截面在可变荷载作用下最不利正弯矩效应以及最大竖向挠度的对称加载试验。静应变测试断面布置如图2，截面应变测点布置如图3。

图2 静应变测试断面布置示意图

图3 截面应变测点布置

(2)静载试验主要结果。测点在两个工况下应变效验系数均满足规范要求，且应变值、挠度明显小于理论计算值;在各工况下桥梁残余变形均满足相关规范要求，由此表明此桥结构总体上弹性性能较好，塑性变形较小。

2.2 动载试验

动力荷载试验的主要目的是测试桥跨结构的动力特性指标，以检验这些指标能否满足设计或规范规定，并对桥跨结构健康建立初始动力特性基准参数。

(1)测试内容。进行脉动试验、无障碍行车和跳车试验三项内容。

(2)动载试验主要结果。①桥梁动态试验测得该桥一阶段频率为10.70 Hz，大于计算值5.711 Hz，所以，桥梁的总体刚度较大，如表4;②冲击系数的大小主要受车辆荷载、行驶速度及路面状况的影响，该桥在试验车辆荷载作用下的最大实测冲击系数为1.271 5(发生在车速50 km/h时)，小于根据规范计算得到的冲击系数μ=1+(0.176 7lnf-0.015 7)=1.391 1;③实测结构阻尼比在1.78% ～8.78%之间(如表5)，在一般桥梁阻尼比1% ～10%的合理范围;④动载试验所测基频大于理论值，结构动刚度较大。

表4 理论模态频率及实测频率

表5 跳车时桥梁振动动力反应

3 桥梁承载能力检算和抗震能力分析

3.1 承载能力检算

进行桥梁承载能力检算分析，正确评定桥梁在现行荷载等级公路-II级作用下的承载能力，为确定现有桥梁的使用条件和应采用的技术措施提供可靠根据。

(1)检算要点。①根据桥梁的实际情况，进行结构主要控制截面、结构薄弱部位的检算;②以实际调查的结构各部尺寸及材料强度为依据，有严重质量问题的构件，应根据检查资料进行强度折减;桥面铺装混凝土不考虑其参与共同受力，同时整体升温降温30℃以及桥面由于日照而产生的温度梯度升温及降温。

(2)计算模型及桥面布置。

(3)结构检算结果。①进行承载能力极限状态计算，该桥上部结构各个控制截面的正截面抗弯承载能力以及斜截面抗剪承载能力满足公路-II级荷载的要求;②进行正常使用极限状态计算，该桥上部结构各个控制截面的正截面抗裂性以及斜截面抗裂性满足公路-II级荷载的要求;③在使用阶段的挠度计算中，在消除自重产生的长期挠度后主梁的最大挠度不超过计算跨径的L/600，满足规范要求;④在持久状态应力验算中，主梁各个截面的混凝土法向压应力、受拉区钢筋的拉应力以及斜截面的主压应力均满足规范要求。

3.2 抗震能力分析

该桥桥位处地震动峰加速度为0.20，地震基本烈度为VIII度。地基土为细砂，基本承载力标准值170 kPa，故其场地类型为III级。

(1)计算内容。①桥梁动力特性:自振频率和振型;②采用反应谱法对该桥在E1地震作用下的反应进行计算。

(2)计算结果。①该桥梁基频为2.34Hz，第一阶模态为纵向漂移;②该桥为斜交桥，受力较为复杂，桥梁在考虑永久荷载和地震荷载作用下的反应结果为:a位移:空心板的最大位移为8 mm，发生在第二跨跨中处边板。桥墩最大位移1 mm，发生在第二跨右端对应的中间位置的桥墩顶部。b内力:空心板的最大轴力为-810.9 kN，发生在第一跨边板处。最大弯矩为408.4 kN·m，发生在第三跨边板处。最大剪力为329.4 kN，发生在第三跨靠近桥台处的端部。最大扭矩为-117.9 kN·m，发生在第三跨跨中的中板。桥墩最大轴力为236.5 kN，发生在第二跨右侧支点对应的处于中间位置的桥墩。最大弯矩为-346.2kN·m，发生在第二跨右侧支点对应的中间桥墩顶部。c应力:空心板的最大拉应力为5.47 MPa，发生在第二跨右侧靠近空心板锐角端侧的桥墩。由此可见，在地震作用下桥梁的最大应力分布超过了混凝土C40(空心板)和C35(桥墩)的抗拉强度标准值。因此，在地震作用下，在部分应力集中区域(如各跨间的交界处)可能会出现结构混凝土开裂现象。

4 鉴定结论和建议

4.1 鉴定结论

(1)经检查评定，该桥总体技术状况得分期分51.8分，为三类桥，处于较差状态。存在以下主要问题:桥梁墩台抗震挡块混凝土破碎、损坏失效，墩台盖梁、桥墩立柱、桥墩系梁存在较多细微裂缝;多数抗震锚栓缺失;多数板式橡胶支座发生难以恢复的横向剪切变形，滑板支座上、下钢板锈蚀，不锈钢板偏位;伸缩缝间隙发生变化，橡胶条受到不均匀拉伸;桥墩盖梁宽度小于抗震规范要求;地震动峰值加速度及抗震烈度选用标准偏低;三柱式桥墩自重轻，横向刚度不足，在横向荷载作用下振幅较大;斜桥纵轴线与桥墩支撑中线不垂直，易形成扭转。

(2)根据桥梁荷载试验、结构检算及抗震分析成果，确认该桥承载能力基本满足设计要求，但抗震能力不足，在较强地震作用下，存在一定安全隐患，需及时加强补强。

(3)该桥的通行能力与路线整体基本适应。

4.2 有关建议

(1)增设桥墩承台，将原桥三柱式桥墩整体现浇为实体式桥墩。

(2)按照规范要求，加宽桥梁盖梁，并加强重建墩台抗震挡块。

(3)采用顶升法更换受损支座(可考虑选用抗震支座)。(4)补充设置上部结构横向限位器。

5 结语

2011年10月，有关单位完成了外业试验检测，2012年，整治方案经专家评审后，业主委托原设计单位进行下部结构加固方案和盖梁及桥墩裂缝整治设计，并按照盖梁及桥梁裂缝整治方案，2013年8月完成了加固补强处理，对桥台、盖梁、系梁及墩柱均用环氧树脂砂浆修补，设置了横向限位器等。整治、加固效果较好。

［1］ 公路桥涵设计通用规范(JTG D60-2004)［S］.

［2］ 公路工程技术标准(JTG B01-2000)［S］.

［3］ 公路桥涵涵养护规范(JTG H11-2004)［S］.