基于检测的连续刚构桥病害分析及承载能力验算

黄柳云 孟金 程振庭

摘要：为了解某预应力混凝土连续刚构桥的工作状况，对该桥在现役状态下承载力检测评定开展研究：系统分析了全桥构件外观缺陷、村质状况与状态参数等拎查评定，根据检查结果按照《公路桥梁技术状况评定标准》进行技术状况等级评定;并根据相关规范和检测数据计算出主桥承载能力验算的相关参数，同时在考虑外观病害、村质缺损状况及桥梁变形的影响下，利用有限元软件MIDAS/Civil对桥梁结构承载能力进行检算评估。根据检测结果和计算分析表明：该桥在现役状态下承载能力和正常使用性能满足设计荷载等级要求，但主要构件存在裂缝、剥落、露筋、蜂窝和麻而等病害，对结构承载能力有较大影响，建议后期应及时采取防治措施，并加强巡查和养护。

关键词：预应力混凝土：连续刚构：病害分析：安全等级

中图分类号：u448.23DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.01.007

0引言

我国公路桥梁在最近几十年得到了迅速发展，预应力混凝土连续刚构桥以其整体稳定性好、抗震能力强、预应力强度高、跨越能力强等优势获得了大规模应用，己成为设计方案中最常见的选择。但由于设计经验不足、施工质量管控不严及运营时限过长等原因，导致不少连续刚构桥梁出现了诸如跨中下挠过大、梁体开裂等病害，这些病害的出现使得桥梁的实承载能力降低，影响到桥梁的正常使用。

针对这一问题，目前国内外学者开展了相应研究。彭伟等以三峡库区某连续刚构桥为研究对象，对桥梁进行了外观检测和承载力验算分析，得出该桥满足规范要求的结论;董晓兵等根据某预应力混凝土连续刚构桥的外观检测结果，对该桥的主要病害裂缝成因利用有限元软件分别进行了定量分析与实体单元分析，认定箱梁开裂原因主要为预应力损失及超载，并提出了相应的加固维修方案;陈祥方等基于某在役预应力混凝土连续刚构桥梁的检测结果，系统分析了该桥承载力的评定过程，实现了检测结果的量化应用;张椿明等以某服役多年的石拱桥为研究对象，利用有限元软件ANSYS对桥梁进行了仿真模拟，并对比了检测结果，得出承载力满足设计荷载等级要求;Andric等采用模糊层次分析法（FAHP）对桥梁在多种危险状况下的风险评估进行了分析，提出了一种新的灾害风险评估框架;Anania等研究了后张预应力混凝土桥梁的破坏倒塌模式，提出了制造不足对失效模式的影响。

本文以广西某连续刚构桥为例，系统分析该桥的外观检查与材质状况专项检查评定过程，采用分层综合评定与5类桥梁单项控制指标相结合的方法综合评定全桥技术状况等级，结合有限元软件验算评估桥梁结构的承载力，为桥梁后期安全运营提供技术依据。

1 工程概况

广西某连续刚构桥（图1）是南宁至河池高速公路上的一座大型桥梁，全长285.5m，桥面全宽24.5m，左右幅桥面宽均为12.25m。设计荷载：高速公路“汽车-超20级”“挂车-120”。上部结构采用75m+125m+75m三跨预应力混凝土变截面连续刚构箱梁，截面为单箱单室直腹板，箱梁顶面宽度为12.5m，底宽7m，梁高由跨中2.50m二次抛物线变化至墩顶梁高6.80m。下构中0#台为重力式U型桥台、3#台为肋板式桥台，主墩采用柔性薄壁墩，桥台基础均为桩基础，墩基础采用明挖扩大基础。桥面系采用现浇混凝土铺装，支座均采用盆式橡胶支座。

2检测结果分析

2.1桥梁外观检测

通过对该桥的外观检测，发现病害主要有裂缝、剥落、露筋、蜂窝和麻面，这些病害集中于上部结构的箱梁外底板、箱梁外腹板、箱梁内顶板、箱梁内腹板、横隔板和下部结构桥墩（台）等部位，主桥部分破坏形态如图2所示。

主桥检查表明：箱梁内、外侧有数条纵向裂缝，其中左幅箱梁内侧裂缝最长，达10.04m，最大缝宽0.10mm;右幅箱梁外侧裂缝数量最多，共计67道，缝长合计54.90m，最大缝长4.83m，最大缝宽0.20mm，发现存在少许网状裂缝及斜向裂縫，裂缝均未超过规范限宽，全桥箱梁伴随出现混凝土剥落、露筋且锈蚀、蜂窝、麻面等病害;桥台帽梁存在少量竖向裂缝，侧墙及背墙有3道斜向裂缝超过规范限宽;桥面铺装出现轻微开裂及破损。

2.2桥面线性测量

本桥测点布置首先用原己布设点，按路线前进方向布设68个观测点开展桥梁线性测量工作。为便于表示桥面线形测量结果，另设局部桩号、高程系统，自定义基准点高程为100m，起点K0设于0#台前端，全桥左、右幅共布置17个测试断面，其桥面测线结果如图3所示。从图3看出，全桥桥面线形基本平顺，主桥及引桥无明显沉降和下挠。

3技术状况等级评定

根据公路桥梁技术状况《评定标准》（JTG/T H21—2011），首先，按“基层先评”的原则逐级打分，具体为对所检测桥梁，按桥型划分检查部件及权重，从桥梁构件、桥梁部件到桥梁上部结构、下部结构、桥面系，最终对桥梁总体技术状况进行评分。刚构桥总体技术评分见表1.

计算出主桥左幅及右幅技术状况评分分别为80.5、80.2，技术状况等级评定均为2类，表明结构有轻微缺损，对桥梁使用功能无影响。

4承载能力检算

4.1旧桥相关检算系数确定

4.2承载能力检算评估

由于主桥为跨径125m的大跨刚构桥，梁端支座反力偏大，其承载能力需详细验算，故结合检测结果，计入按照相关规范和检测数据计算出的主桥承载能力相关参数。同时，在考虑外观病害、材质缺损状况及桥梁变形的影响下，验算评估主桥运营状态下的承载能力，系统分析桥梁结构实际状态。

4.2.1计算模型及桥梁冲击系数说明

采用桥梁专业有限元程序Midas/Civil建立全桥有限元杆系单元模型，其中主梁和桥墩均选用梁单元。主桥计算模型共划分220个单元、227个节点，如图4所示。在结构模型建立中，假设混凝土、钢筋为理想弹性材料，材料的弹性模量为常数;不考虑桥面铺装、护栏的刚度对桥梁抗弯能力的提高;截面变形符合平截面假设。

在桥梁冲击系数计算中，考虑该桥设计时根据《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021—89），该桥跨径大于45m，不计桥梁冲击系数;本次计算根据规范《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2015），通过有限元计算得到该桥桥梁冲击系数为0.05.

4.2.2检算结果分析

在该桥结构验算中，主要验算桥梁在各个不同荷载工况组合并结合旧桥设计参数，参照《公路桥涵设计通用规范》（JTGD60-2015）进行代换，分析得到不同状态下的主梁内力、应力、位移的验算值。考虑到该桥左右幅分离、结构形式对称、施工方法相同，本次选取左幅1#和2#跨进行检算。

1）承载能力极限状态检算

在箱梁正截面抗弯承载能力检算中，根据连续刚构桥结构受力特点，选取1#和2#跨最大正弯矩截面、墩顶左侧及右侧最大负弯矩截面作为主要控制截面;在斜截面抗剪承载能力检算中，以1#和2#跨墩顶左、右两侧截面作为主要控制截面。箱梁的荷载效应与截面抗力对比如图5所示。

由图5可知，对比新旧规范设计要求，根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG 1360-2015）进行验算，主梁受荷载效应更大，但箱梁各截面的荷载效应均小于截面抗力，說明其抗弯承载能力及抗剪承载能力既满足《公路桥涵设计通用规范》（JTJ021-89）中高速公路车辆荷载：“汽车-超20级”“挂车-120”“人群荷载：3.0kN/m²”的要求，同时也满足规范（JTGD60-2015）中规定的高速公路汽车荷载等级：“公路-I级”“人群荷载：3.0kN/m²”之要求。

2）正常使用极限状态检算

在对该桥正常使用极限状态正截面抗裂、斜截面抗裂验算中发现：桥梁在设计条件下，主桥主梁断面顶板、底板均处于压应力状态，且压应力安全储备较大。按照《通用规范》（JTG D60-2015）进行代换验算，发现主桥主梁断面顶板、底板绝大部分处于压应力状态，仅2号跨中附近处于拉应力状态，其拉应力为0.86MPa，小于最大容许拉应力1.86MPa，正截面抗裂验算符合规范抗裂验算要求;1号跨主梁各斜截面σ_tp=-0.65MPa～0.37MPa，2号跨主梁各斜截面σ_tp=-0.43MPa～0MPa，均小于容许拉应力评定值1.33MPa，主梁斜截面抗裂验算符合规范评定要求。

主梁挠度验算需满足：在消除结构自重的长期挠度后，主梁最大挠度不应超过计算跨径的L/600.在对主梁挠度验算中发现：1号跨中挠度f_dl=13.13mm<125mm（评定值），2号跨中挠度f_dl=33.73mm<208mm（评定值），其挠度验算结果均符合评定要求。

4.2.3承载能力结果评估

由上述承载能力检算分析结果可知：该桥在现役状态下的箱梁承载能力和正常使用性能符合原设计高速公路车辆荷载等级“汽车-超20级”“挂车-120”“人群荷载：3.0kN/m²”的要求，同时满足规范（JTGD60—2015）高速公路车辆荷载“公路-I级”“人群荷载：3.0kN/m²”要求。

5 结论

通过对广西某预应力混凝土连续刚构桥的实际检测与承载能力检算评估，得到如下结论：

1）该桥技术状况等级评定结果为2类，表明结构有轻微缺损，对桥梁使用功能无影响，但主要构件存在裂缝、剥落、露筋、蜂窝和麻面等病害，对结构承载能力有较大影响，后期应及时采取防治措施，并加强巡查和养护。

2）由于大跨刚构桥的构造相对复杂，虽采用《评定标准》对各类构件及病害描述较具体明确，但考虑检测的全面性与准确性，还应采取必要措施对所有构件进行详细检查，特别是对桥梁水下墩柱及基础的检测。

3）结合检测结果，采用专业的有限元软件对桥梁承载能力进行检算评定，主桥承载能力及正常使用性能满足规范要求，但主桥箱梁存在弯矩一剪力组合斜向裂缝的情况，考虑后期运营期间桥梁的交通压力增加的可能性，应注意控制超载超限情况的发生。