沭阳闸交通桥承载能力分析研究

2014-12-12 03:14曹睿哲任小飞

江苏水利 2014年1期

曹睿哲任小飞丁跃

（1.扬州大学，江苏扬州 225009；2.江苏省淮沭新河管理处，江苏淮安 223001）

1 问题提出

沭阳闸位于江苏沭阳县沭城镇西南淮沭河上，于1959年10月施工完成。沭阳闸交通桥主梁为T 型梁，桥面高程15 m，净宽6 m，每跨长10 m。原荷载设计标准为汽-10 级，桥面板、主梁、横梁等混凝土标号为140#。本工程运行至今已50 多年，目前交通量远远超过设计值，且超载车辆较多，故有必要对工程承载力进行分析。

2 技术状态分析

对桥梁结构构件技术状况评定应参照相关桥梁规范有关规定［1］，确定其程度以及对结构的影响［2，3］。

桥梁结构构件技术状况评分按公式（1）计算：

式中：

CIl—第i 类部件l 构件的得分；

k—第i 类部件l 构件出现扣分的指标的种类数；

U、x、y—引入的变量；

i—部件类别；

j—第i 类部件l 构件第j 类检测指标；

DPij—第i 类部件l 构件第j 类检测指标的扣分值，根据构件各检测指标扣分值进行计算。

桥梁上部结构、下部结构、桥面系的技术状况评分，按公式（2）计算：

式中：

SPCI、PCI、SBDCI—分别为桥梁上部结构、下部结构、桥面系的技术状况评分；

m—部件种类数；

Wi—第i 类部件的权重。

桥梁总体技术状况评分按公式（3）计算：

式中：

Dr—桥梁总体技术状况评分；

WD—桥面系在全桥中的权重，一般取0.2；

WSP—上部结构在全桥中的权重，一般取0.4；

WSB—下部结构在全桥中的权重，一般取0.4。

根据本桥实际状况按上述公式计算得Dr=65，桥梁技术状况为三类［1］。

3 混凝土强度等级分析

依据混凝土桥梁结构或构件实测强度推定值或测区平均换算强度值，计算推定强度匀质系数Kbt或平均强度匀质系数Kbm［1］，确定混凝土强度评定标度。

推定强度匀质系数：

式中：

Rit—混凝土实测强度推定值；

R—混凝土设计强度等级。

平均强度匀质系数：

式中：

Rim—混凝土测区平均换算强度值。

沭阳闸桥梁桥墩、桥面大梁强度推定值分别为14.1 MPa、17.9 MPa，混凝土设计标号都为140#，推定强度匀质系数分别为1.00、1.28，桥墩、桥面大梁的混凝土强度检测评定标度均为1，交通桥的混凝土强度等级满足设计要求，但不满足现行《水工混凝土结构设计规范》要求。

4 钢筋保护层分析

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》（JTG/T J21-2011），检测构件或部位的钢筋保护层厚度平均值应按公式（6）计算：

式中：

Dni—钢筋保护层厚度实测值；

n—检测构件或部位的测点数。

检测构件或部位的钢筋保护层厚度特征值Dne应按公式（7）计算。

式中：

SD—钢筋保护层厚度实测值标准差，根据公式（8）计算，精确至0.1 mm；

KP—判定系数。

根据钢筋保护层厚度特征值Dne与设计值Dnd比值确定混凝土保护层检测标度。沭阳闸交通桥桥墩和桥面大梁的Dne/Dnd分别为0.94、0.58，沭阳闸交通桥桥墩的混凝土保护层厚度检测评定标度为2，说明该构件混凝土保护层厚度满足要求，仅对钢筋耐久性有轻度影响；沭阳交通桥大梁的混凝土保护层厚度检测评定标度为4，说明该构件的混凝土保护层厚度不足，对钢筋耐久性有较大影响，易造成钢筋锈蚀。

5 碳化状况分析

根据测区混凝土碳化深度平均值与实测保护层厚度平均值的比值KC，确定混凝土碳化评定标度［4］。根据沭阳闸交通桥各构件的碳化深度和实测保护层厚度计算桥墩KC=0.51～1.52，桥面大梁KC=0.99～3.17，4#孔左桥墩、10# 孔左桥墩、16# 孔右桥墩、19#孔桥墩、22#孔桥墩、25#孔桥墩和25# 孔下游大梁的混凝土碳化状况评定标度为1 或2，说明构件有少量碳化现象，且所有碳化深度均小于混凝土保护层厚度；其余桥墩构件的混凝土碳化状况评定标度为3 或4，说明该构件的主要受力部位局部碳化深度大于混凝土保护层厚度，对钢筋失去保护性。交通桥上下游大梁除25﹟孔下游大梁外，其余构件的混凝土碳化状况评定标度均大于3，说明交通桥大梁严重碳化。

6 钢筋锈蚀分析

混凝土中钢筋锈蚀电位检测宜采用半电池电位法，参考电极可采用铜/ 硫酸铜半电池电极，评定混凝土桥梁钢筋发生锈蚀的概率或锈蚀活动性，并应按照测区锈蚀电位水平最低值，确定钢筋锈蚀电位评定标度。沭阳闸交通桥桥墩钢筋半电池电位检测值不均匀，电位水平最低值在-71～-580 mV，桥面大梁电位水平最低值大于-200 mV，4# 孔左桥墩、16#孔右桥墩、19#孔桥墩、22# 孔桥墩、25#孔右桥墩的钢筋锈蚀电位评定标度为1，说明该构件无锈蚀活动性；4#孔右桥墩、7#孔右桥墩、16#孔左桥墩、25#孔左桥墩的钢筋锈蚀电位评定标度为3，说明该构件有锈蚀活动性，发生锈蚀的概率大于90%；10# 孔左桥墩、13# 孔右桥墩的钢筋锈蚀电位评定标度为5，说明该构件存在锈蚀开裂区域；桥面大梁的钢筋锈蚀电位评定标度为1，说明该构件无锈蚀活动性。

7 沭阳闸交通桥现场载荷试验

载荷试验［5，6］选择第19、22 跨进行，动载试验主要是进行结构自振特性测试和动力响应测试，针对主桥结构代表性截面（跨中截面）进行布点测试，检测桥跨结构整体刚度及动力响应。测定桥梁在检验荷载作用下测试截面的应力和挠度，并与理论计算值相比较，以对实际结构使用性能和工作状态作出评价。

图1 应力云图（单位：kPa）

图2 位移云图（单位：m）

7.1 静载试验分析

使用桥梁荷载试验分析系统BLT V1.0.2.1 计算，交通桥在试验荷载作用下的应力云图和位移云图如图1、图2 所示。

静载试验结果见表1、表2。

从表1 和表2 可以看出，各测点的校验系数均大于1，表明结构实际状况与理想状况相比偏于不安全，第22 跨结构实际状况优于第19 跨结构实际状况。

7.2 动载试验分析

使用桥梁领域通用结构分析及设计系统Midas Civil 2012 计算，得到桥梁的一阶振型和二阶振型如图3、图4 所示。

动载试验结果如图5、图6 所示。

动载试验结果表明：桥梁的自振频率实测值均大于理论值，说明桥梁结构整体刚度较大；一般桥梁结构的阻尼比在0.01～0.08 之间，实测的阻尼比在0.025～0.058 之间，表明结构具有良好的阻尼特性及耗散外部能量输入的能力。

8 交通桥承载能力分析

按设计荷载计算时，本交通桥汽车荷载为汽-10 级。按照汽-10 级进行复核，交通桥跨中所承受的最大弯矩M跨中=869.7 kN·m，支座所承受的最大弯矩M支座=-1161.0 kN·m，截面抗弯极限状态承载弯矩Md=1388.1 kN·m，交通桥承载能力满足要求。而实际运行过程中，因本桥交通量特别大，大型车辆也较多，故按照公路Ⅰ级进行复核［7］，交通桥跨中所承受的最大弯矩M跨中=1794.6 kN·m，支座所承受的最大弯矩M支座=-1452.8 kN·m，截面抗弯极限状态承载弯矩Md=1388.1 kN·m，交通桥承载能力不满足要求。