运营期桥梁承载能力评定方法研究

文┃姚方舟（邵阳市交通建设质量安全监督站）

刘国梁（长沙市西工建设有限公司）

龙军（邵阳市交通建设质量安全监督站）

关键字：简支变连续梁桥；技术状况检查；结构检算；实际承载能力

0 引言

随着经济建设发展，公路上的车流量逐渐增多，公路桥梁的荷载也随之增加，加上桥梁在建造以及成桥运营期间会受到许多不利因素影响，导致桥梁的承受能力与交通需求产生一定的矛盾[1]。对服役桥梁，尤其是运营时间长的桥，结构受力状态不明，存在安全风险，开展承载能力评定工作就显得十分必要[4]。通过采用两种试验检测方法评定桥梁结构实际承载能力；一种是以桥梁技术状况检查为基础，配合结构检算来评定桥梁承载力；另一种是借助荷载试验得到变形和应力校验系数，进而评估试验桥梁的实际承载力[2]。上述方法通过多个指标将桥梁承载能力和其工作状态联系到一起，不同状态选取适宜的值，最终结果也更加客观[5]。

本文以某座在运营的预应力混凝土简支变连续梁桥为工程背景，采用桥梁结构技术状况评定的方法来判断桥梁承载能力是否满足要求，以期对桥梁安全控制方法提供参考。

1 工程概况

该桥为跨径3×30m的先简支后结构连续的预制装配式T梁，桥面宽度为12.25m，设计荷载为公路-Ⅰ级，其中跨中腹板厚度为20cm，梁端部厚度为54cm，马蹄宽度为54cm，梁肋间距2.50m，行车道板主梁预制宽0.70m，桥面横坡通过调节台帽盖梁横坡及翼缘板横坡而成，T梁梁底马蹄水平放置。

2 桥梁技术状况检测

该桥建成运营至今有12年，在结构检算之前对该桥进行技术状况检测，主要出现如下病害：

（1）上部结构

部分T梁出现纵向裂缝，主要集中在马蹄底部及马蹄和腹板交接部位，此外T梁顶板底面靠近桥墩位置处存在剥落、掉角现象；湿接缝和横隔板的剥落、掉角现象较为普遍，局部位置出现泛碱现象，此外横隔板底部多处出现蜂窝麻面现象；另外多个支座出现纵向剪切变形超限，老化变质的现象。

（2）下部结构

盖梁边缘出现渗水情况，靠近墩柱位置处出现混凝土破损剥落、钢筋锈蚀；台身出现多道竖向裂缝，个别裂缝宽度大于规范限值；另外墩身出现多处钢筋锈蚀导致混凝土剥落的现象。

（3）桥面系

铺装层出现局部坑洼、破损以及变形拥包的现象；伸缩缝锚固区出现混凝土破损以及橡胶带老化破损现象；另外护栏局部位置出现混凝土破损、露筋现象，并出现多道竖向裂缝。

根据检测结果按照文献[3]相关规定计算分项检算系数，具体如下表：

表1 预应力砼结构连续T梁承载能力检算系数（Z1）

表2 预应力砼结构连续T梁承载能力恶化系数（ξe）

表3 预应力砼结构连续T梁截面折减系数（ξc）

由上述病害可知，部分T梁在位于马蹄底部沿钢筋出现纵向裂缝，并且裂缝宽度超出规范允许值，根据文献[3]，可以确定钢筋截面折减系数ξs=0.98。最后通过分析运营期间的车流量、汽车轴重分布等情况，得到活载影响修正系数ξq=1.01。

3 有限元分析

本文借助Midas/civil 2019桥梁结构软件建立该桥的有限元模型，其中节点436个，单元654个，桥梁铺装等二期荷载按照均布荷载施加在主梁单元上，各片主梁之间通过虚拟横梁进行联系，虚拟横梁采用矩形截面，其厚度按照翼缘板厚0.16m进行取值，在保证计算精度的前提下均匀划分主梁单元，宽度则按2m进行取值，对该桥进行原设计复算，有限元模型见下图。

图1 Midas/Civil模型

由表1可知本桥承载能力检算系数评定标度值D为3.2，由文献[3]可知，当该桥构件的承载能力检算系数评定标度值D≥3时，需要对主梁进行承载能力和正常使用极限状态评定检算。其中承载能力极限状态验算主要包括抗弯能力和抗剪能力验算，依据文献[6]进行荷载作用组合，最终效应值与抗力值的包络见图2、3，该桥主要控制截面验算结果见表4：

图2 正截面弯矩效应与抗力包络图

图3 斜截面剪力效应与抗力包络图

表4 控制截面的荷载效应与截面抗力计算表

对于预应力混凝土结构桥梁，正常使用极限状态验算主要对混凝土的正截面拉压应力、斜截面主拉压应力进行验算，由于本文篇幅有限，仅列举混凝土斜截面主拉、压应力验算结果，见下表：

表5 最不利荷载效应组合斜截面主拉、压应力验算结果表

4 基于检测结果的承载能力评定

上节通过对原设计复算，不难发现该座预应力混凝土结构连续T梁桥的承载能力和正常使用极限状态验算均能通过。本节基于桥梁检测结果对结构抗力和荷载效应做一定修正，以判断该T梁桥的实际承载能力能否满足运营荷载需要，由文献[3]可知，可以按照下式进行评判：

将第二节确定的分项检算系数代入上式，对该桥抗弯和抗剪承载能力进行修正，修正后的主要控制截面验算结果见表6。

表6 控制截面的荷载效应与截面抗力修正计算表

正常使用极限状态下，最不利荷载效应组合产生的截面应力值和应力限制值应按下式对其进行修正：

最不利荷载效应组合下斜截面主拉、压应力验算结果见表7。

表7 最不利荷载效应组合斜截面主拉、压应力验算结果修正表

以上计算表格可知，通过检算边梁、中梁多个关键截面，该T梁桥的荷载效应与截面抗力的比值均小于1.0，表明承载能力极限状态检算满足要求；此外该桥最不利荷载效应组合下，正截面拉压应力、斜截面主拉压应力均满足规范限值，表明正常使用极限状态检算满足要求；因此该桥当前承载能力满足运营安全要求。

5 结语

（1）根据桥梁技术状态检查结果，引入分项检算系数，对原设计荷载效应和抗力、截面应力与限制应力等参数进行修正，可判别当前结构承载能力能否满足运营荷载要求。

（2）桥梁材质强度、缺损状况以及自振频率的综合评定标度决定是否需要正常使用极限状态检算，当承载能力检算系数评定标度值D＜3时，仅对主梁进行承载能力极限状态评定检算即可。

（3）尽管结果分析表明该桥实际承载能力满足设计荷载要求，为使该桥长期处于良好的工作状态，须对当前出现的病害做针对性的处置措施。□