城市高架桥预应力混凝土现浇连续箱梁承载能力检算分析

王有国，李铃灿，黄东，邹振华，单明军，罗晓峰

（1.浙江华恒交通建设监理有限公司；2.浙江工业职业技术学院建筑工程学院）

1 引言

随着现代交通事业和城市建设的加速推进,交通设施数量及规模不断扩大，既有桥梁受到老化、破损、腐蚀、变形沉降等问题的影响[1]，导致桥梁运营和通行能力受限。为了保障城市交通网络畅通及行车安全,需对桥梁的承载能力进行检查评定[2]。本文结合实际工程，根据现场试验和检测数据，通过模型分析，对高架桥梁承载能力进行了评定,为绍兴柯桥104国道轻纺城大道桥梁的改建方案提供依据。

2 桥梁承载能力检算内容及方法

基于结构技术状况检查和检算的主要内容包括：桥梁承载能力评定包括持久状况下承载能力极限状态和正常使用极限状态[3]。承载能力极限状态针对的是结构或构件的截面强度和稳定性，正常使用极限状态主要针对结构或构件的强度和抗裂性。配筋混凝土桥梁在计算桥梁结构承载能力极限状态的抗力效应时，应根据桥梁试验检测结果，采用引入检算系数[4]Z1或Z2、承载能力恶化系数ξe、截面折减系数ξc和ξs的方法进行修正计算。对交通繁忙和重载车辆较多的桥梁，汽车荷载效应可根据实际运营荷载状况，通过活载影响修正系数ξq进行修正计算。

配筋混凝土桥梁承载能力极限状态和正常使用极限状态的结构检算宜按现行公路桥涵设计和养护规范及检测结果进行计算评定，如式（1）配筋混凝土桥梁正常使用极限状态限制应力：

式中：σd为计人活载影响修正系数的截面应力计算值；σL为应力限值；Z1为承载能力检算系数。

此外，桥梁检算宜依据竣工资料或设计资料，并应与桥梁实际情况进行核对修正。桥梁结构检算应针对结构主要控制截面、薄弱部位和出现严重缺损部位，在用桥梁结构检算宜遵循桥梁设计规范。

3 各分项检算系数的确定

配筋混凝土桥梁，应综合考虑桥梁结构或构件表观缺损状况、材质强度和桥梁结构自振频率；钢筋锈蚀电位、混凝土电阻率、混凝土碳化状况、钢筋保护层厚度、氯离子含量和混凝土强度等检测评定结果，按相应规定选择检算的承载能力检算系数Z1、截面折减系数ξc、承载能力恶化系数ξe、钢筋截面折减系数ζs和活载影响修正系数ξq。本项目以104国道绍兴柯桥段改建工程轻纺城高架桥为例确定分项简算系数如表1所示。

表1 各分项检算系数

4 桥梁承载能力验算

轻纺城高架桥（4×32.7m预应力混凝土连续梁桥）设计荷载为公路-I级，预应力混凝土现浇连续箱梁采用C50混凝土，纵向预应力采用高强度低松弛Φs15.2mm钢绞线，计算荷载按《公路桥涵设计通用规范》、《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》等要求确定，桥台和桥墩最大沉降量均为5mm。混凝土收缩徐变时间考虑为10a。

根据该桥梁体特点，采用Midas Civil软件建立有限元模型[5]，考虑结构自重、二期恒载、汽车荷载、整体升降温、温度梯度荷载、沉降作用等因素对桥梁进行建模计算。计算时将主梁按照空间理论简化为平面杆系。有限元模型如下图1所示。

图1 轻纺城高架桥有限元模型

4.1 持久状况承载能力极限状态验算

主梁主要截面抗弯极限状态验算结果见表2。

表2 主梁主要截面抗弯承载能力验算一览表

斜截面抗剪承载能力极限验算结果见表3。

表3 主梁主要截面抗剪承载能力计算一览表

计算结果表明，该桥上部结构的抗弯承载能力、斜截面抗剪承载能力均满足规范要求。

4.2 持久状况正常使用极限状态验算

结构正截面抗裂验算时对于部分预应力A类构件，在作用（荷载）短期效应组合下，应符合下列（式2）条件[6]：

但在荷载长期效应组合下（式3）：

主梁在长期效应组合工况下正截面应力包络图如图2所示。其中负表示受拉，正表示受压。

图2 主梁正截面抗裂验算短期效应组合结果图形

考虑到承载能力检算系数后，运营阶段[7]主梁截面在短期效应组合下中梁出现的最大拉应力为-1.3614MPa＜-2.096MPa，在长期效应组合下未出现拉应力，结构正截面抗裂验算满足要求；

结构斜截面抗裂验算时对于A类和B类部分预应力混凝土构件，在作用（荷载）短期效应组合下，现场浇筑（包括预制拼装）构件应符合下列条件（式4）：

主梁在短期效应组合工况下应力包络图如下图3所示。其中负表示受拉，正表示受压。

图3 主梁斜截面抗裂验算结果图形

主梁斜截面在短期效应组合下出现最大主拉应力-0.6327MPa＜-1.497MPa，斜截面抗裂验算合规。

挠度验算时该桥上部结构按A类预应力混凝土构件设计，C50混凝土的长期增长系数ηθ=1.425。在消除结构自重产生的长期挠度后主梁的最大挠度为4.328mm，均小于[Z1]×计算跨径的1/600（即61.59mm），结构刚度满足验算要求。

4.3 持久状况构件应力验算

正截面混凝土法向压应力验算时根据设计规范[6]荷载取其标准值，汽车荷载考虑冲击系数。使用阶段预应力混凝土受弯构件正截面压应力应满足：

根据标准荷载组合工况下正截面压应力验算结果表明：使用阶段主梁截面在弹性阶段应力验算组合下主梁出现正截面混凝土的最大压应力14.7737MPa＜16.2MPa，考虑到承载能力检算系数后，使用阶段主梁截面在弹性阶段应力验算组合下主梁出现正截面混凝土的最大压应力13.5869MPa＜18.3MPa，截面验算满足规范要求。

正截面受拉区钢筋拉应力计算时荷载取其标准值，汽车荷载考虑冲击系数。使用阶段预应力混凝土受弯构件受拉区预应力钢筋的最大拉应力应满足下列规定：

1）对钢绞线、钢丝

2）对精轧螺纹钢筋

主梁受拉区预应力钢筋扣除全部预应力损失后，并考虑使用阶段作用标准值引起的钢束应力变化后的预应力钢筋的拉应力见表4所示。

表4 主梁受拉区预应力钢筋最大拉应力计算一览表

计算结果表明，主梁受拉区预应力钢筋最大拉应力验算满足规范要求。

斜截面混凝土主压应力计算时预应力混凝土受弯构件由作用标准值和预加力产生的混凝土主压应力应符合下式规定：

在标准荷载组合工况下斜截面混凝土的主压应力包络图计算表明：使用阶段主梁截面在弹性阶段应力验算组合下中梁出现斜截面混凝土最大主压应力14.7665MPa＜19.44MPa。考虑到承载能力检算系数后，主梁截面在弹性阶段应力验算组合下中梁出现斜截面混凝土最大主压应力14.7665MPa＜21.97MPa，截面验算满足规范要求。综上所述，该桥上部结构满足A类预应力混凝土构件要求。

5 结语

本文基于桥梁承载能力评定方法，引入检算等系数对轻纺城高架桥进行修正计算，取得如下成果：

①主梁在承载能力极限状态下的内力（弯矩和剪力）小于修正后的截面抗力，结构抗弯、抗剪承载能力有一定富余，满足规范要求；

②在运营阶段，主梁的应力、挠度及抗裂性均满足规范要求；

③桥跨结构承载力满足设计荷载等级（公路-I级）的要求。