大跨度连续桥梁承载能力评估及病害分析

黄海彬，廖海峰，朱 磊

(1.宁波市城建设计研究院有限公司 宁波市 315012；2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司 武汉市 430010；3.西安圣天建筑工程科技有限公司 西安市 710000)

0 引言

随着国内经济的快速发展，公路运输交通量也随之急剧增长，很多桥梁建成时间较早因此难以满足交通需求，受到车辆荷载以及外界因素影响，桥梁结构容易发生病害，这对于其使用安全产生了极大的隐患。国内外学者进行了系列研究：王丽丽[1]介绍了几种城市桥梁的检测方法；杨承斌[2]总结分析了414座桥梁中桥面构造以及上下部结构的破坏形态；廖志鹏[3]分析了预应力混凝土桥梁中常见的裂缝、剥落等病害，并阐述了这一类型桥梁的加固技术要点；杨永杰等[4]以连续小箱梁桥梁作为研究对象，对比分析了粘贴钢板法和粘贴碳纤维加固法的加固效果以及经济效益；王子强[5]对影响简支空心板桥梁结构耐久性的典型病害进行了研究，并提出了对应的加固措施。基于此，以大跨度连续梁桥作为研究对象，对其常见病害以及承载能力进行了分析，为该桥的改造升级提供必要的依据。

1 工程背景

1.1 工程概况

某大桥全长575.1m，桥梁跨径组合为4×30m+5×30m+5×30m+5×30m，桥梁上部结构为预应力混凝土简支连续T梁，下部结构：桥墩为圆柱式墩、桥台为肋板式桥台，基础均采用钻孔灌注桩基础。

该桥采用的主要设计标准：原设计汽车荷载为公路—Ⅱ级；设计洪水频率为100年一遇；桥面宽度为15.0m=1.5m(人行道)+12.0m(行车道)+1.5m(人行道)；地震动峰值加速度为0.05；通航等级为Ⅵ级；主要材料为混凝土，上构预应力混凝土T梁C50，整体化防水混凝土C40，搭板、护栏等桥面系构件C30，下构墩台盖梁、肋板、承台、墩柱、背墙耳墙C30，墩台桩基C25水下混凝土，系梁C25。

1.2 安全评估方法

首先通过特殊检查对桥梁技术状况进行整体评定，主要包括桥梁几何形态参数以及结构自振频率检测，对桥梁整体结构受损情况进行定性评估，分析桥梁结构的完整性，为桥梁使用状态下承载能力评定提供试验数据支撑。然后对该桥的承载能力进行评估，主要包括桥梁承载能力极限状态、正常使用极限状态以及持久状况应力验算，分析桥梁的承载能力是否满足规范要求。最后对桥梁使用状态下常见病害进行了分析并提出了解决措施。

测定桥梁自振频率，可以有效对结构损伤进行判断，而且可以准确反馈桥梁整体结构的可靠性以及荷载传递路径。测定时采取脉动试验方法，根据实测自振频率fmi与理论计算频率fdi两者比值对桥梁结构刚度进行评定。试验时，传感器测点数据采集结果见表1。

表1 脉动试验结果汇总表

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》(JTG/T J21—2011)中桥梁结构自振频率的评定标准，对以上检测结果进行评定，结果见表2。

表2 桥梁自振频率评定结果表

检测评定结果表明：脉动试验测试实测竖向一阶频率为4.37Hz，比理论一阶频率3.59Hz大，比值为1.22，评定标度值为1，说明该桥整体结构的动刚度处于较好状态。

2 承载能力评估

主要针对桥梁承载能力极限状态、正常使用使用极限状态以及持久状况应力进行评估验算，按照《公路预应力混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62—2018)对桥梁正截面、斜截面的抗弯强度、抗剪强度、应力以及变形进行分析。

2.1 承载能力极限状态验算

2.1.1正截面抗弯强度验算

运营阶段在基本组合下，中梁作用效应与结构抗力对比结果详见图1。

图1 基本组合下中梁作用效应与结构抗力对比图

表3 跨中正截面抗弯强度验算结果表

由表3可以看出，最不利荷载组合下，边梁、中梁最大正弯矩出现在跨中，结构安全系数分别为1.24、1.06，边梁、中梁正截面抗弯承载力符合《公路预应力混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》要求。

2.1.2斜截面抗剪强度验算

运营阶段在基本荷载组合下，中梁作用效应与结构抗力对比结果详见图2。

图2 基本荷载组合下中梁作用效应与结构抗力对比图

支点斜截面抗剪强度验算结果见表4。

表4 支点斜截面抗剪强度验算结果表

由表4可以看出最不利荷载组合下，边梁、中梁最大剪力出现在支点处，分别为935kN、1225kN，结构安全系数分别为2.15、1.19，斜截面抗剪承载能力均满足《公路预应力混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》要求。

2.2 正常使用极限状态验算

2.2.1抗裂验算

对桥梁正截面以及斜截面进行抗裂验算时，应按照A类部分预应力混凝土现浇构件进行分析。边梁和中梁在长期荷载组合作用下上下缘最大最小正应力及主拉应力见图3。

图3 长期组合边梁上缘最大最小正应力图(单位：MPa)

边梁和中梁抗裂验算结果见表5。

表5 边、中梁抗裂验算结果表

短期组合作用下，边梁上缘最大正应力出现在中间部分，以抛物线变化趋势向两端逐渐减小，边梁下缘最大正应力出现在边梁1/4跨处，1/2跨处出现最小正应力，边梁最大主拉应力出现在中间部分；长期组合作用下，边梁上缘最大正应力出现在中间部分，以抛物线变化趋势向两端逐渐减小，边梁下缘最大正应力出现在1/4跨处。短期组合作用下，中梁上缘最大正应力出现在中间部分，中梁下缘最大正应力出现在中梁两端，中梁最大主拉应力出现在中间部分；长期组合作用下，中梁上缘最大正应力出现在跨中部分，中梁下缘最大正应力出现在两端。

最不利荷载组合下，边、中梁正截面拉应力及斜截面主拉应力均小于规范限值。

2.2.2挠度验算

按照规范要求，受弯构件其最大允许挠度在消除自重产生的影响后应小于计算跨径的1/600。挠度计算结果见表6。

表6 挠度计算结果表

消除桥梁自重产生的影响后，边梁、中梁的最大挠度计算结果显示为21.5mm、38.6mm，小于限值，桥梁变形是安全的。

2.3 持久状况应力验算

对使用阶段下中梁混凝土正截面以及斜截面压应力进行验算时，视作A类部分预应力混凝土现浇构件，分析结果见图4。

图4 标准值组合中梁斜截面主压应力图(单位：MPa)

边梁和中梁应力验算结果见表7。

表7 边梁和中梁应力验算结果表

标准值组合作用下，边梁正截面最大压应力出现在中间部分，朝着两端逐渐减小；中梁正截面最大压应力出现在中间部分，向两端逐渐减小；边梁斜截面主压应力峰值出现在中间，向两端逐渐降低；中梁斜截面主压应力峰值出现在中间，向两端逐渐减小；最不利荷载组合下，边、中梁正截面压应力及斜截面主压应力均小于规范限值，桥梁结构是安全的。

3 病害分析

通过实地检测，发现该桥梁使用过程中存在的主要病害为：

(1)横隔板底部混凝土破损、钢板外露：T梁受偏载、扭转(支座不平)等作用时两片梁受力不均致使横隔板间钢板连接的部位产生应力集中，因而容易产生混凝土破损现象，建议修复后采取粘钢板或碳纤维的方法对其进行加固。

(2)混凝土钢筋锈胀：钢筋锈胀是由于施工控制不严，钢筋保护层偏薄，钢筋在外界环境的侵蚀作用下发生锈蚀；钢筋锈蚀后体积膨胀从而使得混凝土表层产生脱落，对于锈蚀部分予以凿除，钢筋表面除锈刷保护漆，凿除部分浇注混凝土保持其封闭性。

(3)支座开裂：支座使用年限较长，出现橡胶老化，产生裂纹。

(4)支座剪切：超载车辆较多，汽车冲击力大导致支座处受剪力较大；滑动支座安装时未涂抹硅脂油，滑板支座滑动不畅，易发生剪切，对于剪切比较严重的支座，及时进行更换，同时对墩顶遗留的垃圾进行清除，避免对支座受力以及变形产生影响。

4 结论

综上所述，随着使用时间的延长，预应力混凝土桥梁发生病害的概率也会增加，这对于桥梁的技术状况等级以及使用安全都会造成极大的影响，因此对桥梁承载能力进行评估有着重要的意义，验算结果表明：桥梁在各类荷载组合作用下正截面、斜截面的承载能力、应力以及变形符合规范，满足正常使用要求。同时为了确保桥梁的安全使用，要定期对桥梁上部、下部结构进行检修，对常见病害及时进行处理。